1 前言
對于機械人而言，柔性設(shè)計個剛性設(shè)計都是在設(shè)計過程中的重點，因此是整個機電一體化產(chǎn)品中不可缺少的一部分，同時作為機械學(xué)科和電子學(xué)科的交叉學(xué)科在整個設(shè)計過程中有著復(fù)雜化的特點。
2 機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計特點
機器人機械系統(tǒng)一般包括機身、行走系統(tǒng)、操作臂、末端執(zhí)行器及周邊設(shè)備，這是機器人的重要組成部分，是機器人系統(tǒng)在工作中實現(xiàn)機器人各種功能運動和操作任務(wù)的被控對象。它與機器人控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成一個緊密聯(lián)系的整體。機器人機械系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響到機器人計算機控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、感知系統(tǒng)及其相關(guān)軟、硬件的復(fù)雜程度。另一方而，就其機械系統(tǒng)本身而言，由于機器人要求具有高度的能動性和靈活性，能在復(fù)雜條件下滿足各種各樣的工作要求和作業(yè)任務(wù)，而這些是傳統(tǒng)機械裝置不能達(dá)到的。因此，機器人的機械系統(tǒng)設(shè)計和傳統(tǒng)的機械設(shè)計有著本質(zhì)的差別。其機械系統(tǒng)的設(shè)計具有如下特點：
(1)復(fù)雜性機器人的機械結(jié)構(gòu)總的來看是相當(dāng)于一系列懸臂桿件通過關(guān)節(jié)串連起來的開式鏈。但由于誤差和變形的累積，使得在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，一方而要保證開鏈結(jié)構(gòu)的能動性和靈活性，另一方面又要處理這種結(jié)構(gòu)帶來的運動傳遞、誤差補償和消除等問題，使機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計變得較為復(fù)雜。
(2)依賴性由于機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)等構(gòu)成機器人的一個緊密體，因此機械系統(tǒng)的總體方案、結(jié)構(gòu)方案依賴于控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)的方式、方法及手段的確立。
(3)協(xié)調(diào)性機器人機械系統(tǒng)的形式、實現(xiàn)手段等將直接影響到控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度，以及其它系統(tǒng)部件的結(jié)構(gòu)、安裝、調(diào)控等，因此，機械系統(tǒng)的設(shè)計必須與其它系統(tǒng)進(jìn)行不斷的協(xié)調(diào)才能進(jìn)行。
3 常見的機械并行模式
3.1 機器人設(shè)計的一般模式
機器人的設(shè)計主要分為3個過程：一是概念設(shè)計，即根據(jù)定義的任務(wù)來確定機器人的執(zhí)行要求，包括負(fù)荷、操作對象、精度、速度等，并進(jìn)行機械系統(tǒng)方案設(shè)計；二是初步設(shè)計，包括機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析、傳感器與控制策略的確定、伺服系統(tǒng)設(shè)計與模塊化；三是詳細(xì)設(shè)計，包括詳細(xì)機械設(shè)計、詳細(xì)電子設(shè)計和系統(tǒng)綜合。
對每一過程的評價若不通過，則都將返回到該過程的初始點或上一過程中去再設(shè)計。這種自上而下的串行設(shè)計方式不利于機器人系統(tǒng)的整體優(yōu)化，同時將使設(shè)計過程變得漫長。
3.2 機械系統(tǒng)并行設(shè)計的模式
所謂并行設(shè)計就是指在產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計階段即考慮產(chǎn)品生命周期中工藝規(guī)劃、制造、裝配、測試、維護(hù)等其它環(huán)節(jié)的影響，通過各環(huán)節(jié)的并行集成，以縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本。
對于機電一體化產(chǎn)品的機器人來說，其本身就是機械、控制、電子和計算機等高技術(shù)的集成，因此，機器人機械系統(tǒng)的設(shè)計需要機械運動與傳動、控制理論與方法、電子電氣和計算機應(yīng)用技術(shù)等學(xué)科相互交叉和滲透的技術(shù)支持。針對機器人系統(tǒng)的設(shè)計要求和特點，運用并行設(shè)計的思想。
3.3 模式分析
機器人機械系統(tǒng)的并行設(shè)計模式主要由方案設(shè)計、領(lǐng)域技術(shù)分析、綜合與評價以及機械系統(tǒng)具體設(shè)計等部分構(gòu)成。不難看出，方案設(shè)計與領(lǐng)域技術(shù)分析對應(yīng)于一般意義上的機械設(shè)計的概念設(shè)計過程，綜合評價與系統(tǒng)設(shè)計對應(yīng)于具體設(shè)計過程。由于機器人的運動和傳動方案設(shè)計涉及到機器人的機構(gòu)、軌跡規(guī)劃、誤差的檢測辨識與軟硬件補償技術(shù)、動力學(xué)參數(shù)辨識、振動與防治、關(guān)節(jié)柔性等方而的內(nèi)容，因此需要機構(gòu)運動、傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)（包括傳感、檢測）、電子系統(tǒng)和制造工藝及裝配等方面的技術(shù)支撐，同時，機器人的運動與傳動形式也一定程度上決定了上述支撐技術(shù)系統(tǒng)的方式和方法。所以，運動方案和傳動裝置方案的設(shè)計與各支撐系統(tǒng)的分析設(shè)計是一種并行設(shè)計的協(xié)作關(guān)系。這樣才能達(dá)到機械系統(tǒng)方案與其它系統(tǒng)方案的協(xié)調(diào)、有效、可靠與快捷設(shè)計的實現(xiàn)。系統(tǒng)的綜合是對機器人機械系統(tǒng)各組成部分的總體協(xié)調(diào)，同時對設(shè)計方案進(jìn)行評價。它力求避免方案中各支撐技術(shù)方案的沖突，引導(dǎo)并處理各支撐技術(shù)方案的完善統(tǒng)一，并對機械系統(tǒng)設(shè)計方案組織具體實施。
4 兩輪移動式倒立擺機器人的運動模型
二級倒立擺系統(tǒng)是一個快速響應(yīng)系統(tǒng)，要求執(zhí)行器能根據(jù)控制量變化快速做出動作系統(tǒng)主要由車輪車廂擺桿防震輪組成，2個車輪的軸線在同一直線上，分別由2臺直流力矩電機直接驅(qū)動，在車廂的內(nèi)部安裝有蓄電池左右直流力矩電機編碼器傾角傳感器陀螺儀無線傳輸模塊等，控制小車的自平衡，測量左右車輪的旋轉(zhuǎn)角度。系統(tǒng)采用的傳感器包括傾角傳感器陀螺儀編碼器，通過它們可以測量和計算出小車的狀態(tài)參數(shù)，其中，車體傾角速度分別由傾角傳感器陀螺儀直接測量，左右車輪旋轉(zhuǎn)角度可由編碼器測量，通過微分可以計算左右車輪的角速度，進(jìn)而推算出左右車輪的行駛速度，車體的前進(jìn)速度，小車在地面的旋轉(zhuǎn)角速度。
輪式機器人因其具有良好的移動性能一直備受關(guān)注，國內(nèi)外許多學(xué)者從理論方而研究了它的運動規(guī)劃軌跡跟蹤控制方法，并取得了很多成果。
兩輪式機器人，同時也是一個倒立擺系統(tǒng)，對它的運動進(jìn)行控制時需要保持系統(tǒng)的平衡狀態(tài)機器人跟蹤目標(biāo)，首先要由視覺部分作為機器人的眼睛，完成識別目標(biāo)的位置速度方向等信息的任務(wù)，這些信息是做出正確決策的基礎(chǔ)視覺系統(tǒng)需要圖像采集設(shè)備，包括攝像頭和采集卡等兩輪式移動倒立擺機器人還沒有裝備視覺系統(tǒng)，為了檢測倒立擺機器人跟蹤能力，模擬了一個虛擬的跟蹤目標(biāo)，PC機通過無線模塊不斷將目標(biāo)位置發(fā)送給機器人，供機器人決策倒立擺機器人的位置可以通過自身的傳感器獲取。
5 結(jié)束語
綜上所述，在進(jìn)行機械并行系統(tǒng)的設(shè)計過程中要根據(jù)設(shè)計的需求進(jìn)行針對性的設(shè)計，防止，由于設(shè)計過程中的背不當(dāng)導(dǎo)致了后期機械人在施工過程中帶來的諸多問題，發(fā)揮設(shè)計者的作用。
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本文標(biāo)題：機器人機械系統(tǒng)并行設(shè)計的模式探討
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