【導讀】Christiaan.Paredis,H.BenjaminBrown,PradeepK.Khosla. plicatedproblem.

　　

【正文】 架。為實時基于傳感器的控制系統(tǒng)降低軟件生成的復雜性， 一個軟件范例叫軟件為會議已經(jīng)在 CMU 先進的操縱者實驗室里 被 提 出 。這個范例結(jié)合可重復使用和再組合的軟件成分的概念，象妄想實時操作系統(tǒng)支持的那樣 ,用一個圖形用戶界面和可視程序設(shè)計語 11 言 而 實施 . 雖然軟件會議范例提供迅速編程操縱者系統(tǒng)的軟件基礎(chǔ)設(shè)施，但是它不解決編程問題?；趥鞲衅鞯?機械手 系統(tǒng)的明確編程由于必須被為機器人指定執(zhí)行任務的廣大數(shù)量的細 節(jié)是麻煩的?；趥鞲衅鞯臋C器人的軟件綜合問題可以被簡化，通過提供堅固的機器人技能， 即，為在機器人任務域完成普通任務封裝策略 . 這樣機器人技能能在而不需要考慮任何低級的細節(jié)的任務步計劃階段使用。 作為使用一個迅速可部署的系統(tǒng)的例子， 在一種核環(huán)境里，在那里它必須檢查材料和放射性污染的空間，或者集合和修理設(shè)備考慮一個操縱者。在這樣的一種環(huán)境里， 廣泛改變的動態(tài)的 (例如，工作區(qū) )和動態(tài)的 (例如，速度，凈載重量 )性能被要求， 并且這些要求可能不被知道 priori。不 得不 準備大套要完成這幾次任務的不同操縱者一昂貴解 決辦法一使用迅速可部署操縱者系統(tǒng)能。 考慮下列腳本：一項具體的任務一被鑒定，基于任務的設(shè)計軟件就使最佳的標準化的會議構(gòu)造下決心進行任務。人 們 然后從RMMS 模件裝配這個最佳的構(gòu)造或者，將來，也許到另一個操縱者。導致的操縱者被迅速通過使用軟件裝配范例和我們的機器人技能的信息庫編程序。 最后，操縱者被有效地使用執(zhí)行它的任務。雖然這樣的腳本仍然是未來的， 再組合的標準化的操縱者系統(tǒng)的發(fā)展，在這篇文章里描述，是向我們的一個迅速可部署的 機械手 系統(tǒng)的目標的一個向前的主要的臺階。 我們的方法能為自治 機械手 的下一代形成基礎(chǔ) ，其中基于傳感器的自治權(quán)的傳統(tǒng)的觀念被給予基于構(gòu)造的自治權(quán)。的確， 雖然一個部署的系統(tǒng)能有它需要的全部感覺并且計劃的信息， 它可能仍然不能完成它的任務，因為任務是在系統(tǒng)的物理能力以外。一個迅速可部署的系統(tǒng)， 另一方面， 能改編它的基于任務說明的物理能力 和 帶有先進的感覺，控制，以及計劃策略，自動完成任務。 2 硬件模塊的 2 種設(shè)計 在 通 常工業(yè) 機械手 里， 那些控制器單獨 接在 那些傳感器接口，功率放大器，并且因 機械手 全部關(guān)節(jié)那些 機械手 而控制處理器 。 許多電線連接這個控制單位和傳感器，位于 機械手 的每個關(guān)節(jié)的作動器和剎車 是必要的。大量電氣裝線和這樣的一次系統(tǒng)平面布置的非可擴展 性， 為標準化的 機械手 使它不能實行。我們提出的這個解決辦法是將控制硬件分配給操縱者的每個個別的模件。 包括傳感器的這些模件然后成為整裝組件，作 12 動器，一個剎車，一次輸送，一個傳感器接口，一個電動機放大器和一個通信接口 。 機械設(shè)計 RMMS 工程的目標是有可提供的多種硬件模塊。迄今，我們已經(jīng)建造 4 種模件： 操縱者基礎(chǔ)，一連接模塊，樞共同模件 (一在身材顯示 )，并且一旋轉(zhuǎn)共同模件。 底部模件和連接模塊沒有自由度； 共同模件各自有一自由度。 共同模件的機械設(shè)計 緊密適合一臺直流電動機，一個有自動防故障設(shè)備的剎車，一臺轉(zhuǎn)速表，諧波運動。 那些樞和旋轉(zhuǎn)共同模件 在外部 使用提供那些直角不同或者成隊構(gòu)造分別，但是相同內(nèi)部 ， 在典型 地方 顯示一共同的樞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 每個共同模件包括一臺直流力矩電動機和 100： 1 的諧波駕駛速度減壓器， 并且被在 /s 和 270 納米的最高轉(zhuǎn)矩的最高速度 下 。不是每個模件都有塊大約 公斤一單個，小型， 耐壓 的 X 類型提供需要的 剛性連結(jié) 并且相連在一起 。一根空的電動機軸通過全部旋轉(zhuǎn)的零部件，并且為最小的屈曲電 信號 的 傳送 提供一條 通道 。 電子設(shè)計 通俗 設(shè)計的艙中的電子也被根據(jù)的原則設(shè)計 。 每個 RMMS 模件包含主板，提供基本的功能性和可以被堆積增加模件具體的功能性。 主板由西門子 80C 166 組成， 64 K ROM， RAM，一 SMC COM20200 的 64 K 有一臺RS485 驅(qū)動器和一臺 RS232 驅(qū)動器的普遍的局部地區(qū)網(wǎng)絡(luò)控制器。主板的功能是通過一 種 RS485 公共 系統(tǒng) 建立與主接口的聯(lián)系和進行 程序 控制模件， 象在第 4 部分被更詳細解釋的那樣。 RS232 連續(xù)的公共汽車司機考慮到單純的診斷和軟件原型法。 一個堆積的連接器有各種各樣 的功能允許模糊的數(shù)量的增加，例如傳感器接口，電動機控制器， RAM 擴大 器 等等 ， 在我們的當今的實施里，只是有作動器的模件包括daughtercard。 這張卡片到數(shù)字化的變換器包含一 16 位 resolver， 要與轉(zhuǎn)速表和一臺12 位 D/A 變換器接口控制電動機放大器的一臺 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；我們已經(jīng)使用一個ofthe 架子電動機放大器 (Galil 運動控制模型 SSA 8/80)驅(qū)動直流電動機。對有超過一自由度，例如一個腕模件的模件來說，不止一這樣的 daughtercard 可以被堆積到相同的主板上。 3 綜合連合 的連接器 為了使一個標準化的 機械手 再組合，模件可能容易被彼此連結(jié)是必要的 。 我們已經(jīng)發(fā)展一個迅速連合的機制，在模件之間的一個安全的機械連接可以通過僅僅轉(zhuǎn)動一枚 13 handtight 被取得； 沒有工具被要求。調(diào)整凸緣提供兩個模件的準確的 連接 。 鎖住的手腕 的轉(zhuǎn)動在末端上 產(chǎn)生 兩種不同的動作：首先，鎖住的手指大約 程度和捕獲輪流 (與 手腕 一起 )手指在凸緣上 運動 ；其次，那些 手腕 相對于鎖住的 手 指 ， 而凸輪機制強迫那些內(nèi)在的手指在可靠緊握 輪子 的凸緣 運動 。在領(lǐng)和鎖住的 手 指之間的轉(zhuǎn) 動 機構(gòu)自動生產(chǎn)這個運動順序。 同時機械連 接被做 成為 裝滿和電子的連接。 在 每 鎖住的指里面有 30 電別針以上一裝滿 電子 偶合器在中間的一標準化連接器是。這些符合匹配鋪席子的連接器上的凹形零部件。 別針被電報告知在方面與平行那些 72 V－ 25A 去電動機和剎車和去那些電子的權(quán)力 48 V－ 6A 的權(quán)力。 4 ARMbus 通信系統(tǒng) RMMS 的每個模件在一個稱為 ARMbus 的局域網(wǎng)上方與一個基于 VME 的主接口聯(lián)系； 每個模件都是一個網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。通訊被在 機械手 的長度的一輛 RS485 公共汽車上方用連續(xù)方式做。 我們使用 ARCNET 協(xié)議 [1]在一奉獻的 IC(SMC COM20200)上實現(xiàn)。 ARCNET是避免網(wǎng)絡(luò)沖突并且在訪問網(wǎng)絡(luò)的它的時間保證每個節(jié)點的一個決定性的權(quán)標傳遞網(wǎng)絡(luò)計劃。稱為包的信息的塊可能被在網(wǎng)絡(luò)上從任何節(jié)點送給其它節(jié)點中的任何一個， 或者對全部節(jié)點同時 (廣播 )。 每當它得到標志的時候，每個節(jié)點可以送一包。 網(wǎng)絡(luò)的第一個節(jié)點保存在主接口卡，象被用圖 6 描繪的那樣。 除一 VME 地址譯碼器之外，這卡片包含基本上相同的硬件一能在模件主板上發(fā)現(xiàn)。在這張卡 上 的 VME 和ARCNET 之間的聯(lián)系邊 是 通過雙口 RAM 發(fā)生 的 。有兩種數(shù)據(jù)通過局域網(wǎng)。 在 機械手 預置階段期間，模件一個接一個連接網(wǎng)絡(luò)，在基礎(chǔ)啟動并且結(jié)束最后 effector。關(guān)于參加網(wǎng)絡(luò)，每模件寄一數(shù)據(jù)包給包含它的順序號和它的與以前的艙有關(guān)的有關(guān)的認識新環(huán)境的主機接口。這信息允許我們自動確定當今的 機械手 構(gòu)造。在運行階段，主接口以 400 赫茲與每個節(jié)點聯(lián)系。 被交換的數(shù)據(jù)取決于控制模式集中或者被分配。用集中的控制模式，全部關(guān)節(jié)的力矩被在基于 VME 的實時工藝設(shè)備 (RTPU)上計算，進一數(shù)據(jù)包以microcontroller 集合在主接口卡上和越過 ARMbus 隨著的全部網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點。每個節(jié)點從包中抽出它的力矩價 值并且通過使數(shù)據(jù)包包含 resolver 和轉(zhuǎn)速表讀數(shù)回答。用分配的控制模式， 另一方面，主機播送被期望的共同價值和前饋力矩。 當?shù)?，在每個模件里，控制環(huán)然后能被在比 400 赫茲高得多的頻率關(guān)閉模件仍然把傳感器讀數(shù)回寄給主聯(lián)接于被在隨后的前饋力矩的計算內(nèi)使用。 14 5 標準化和再組合的控制軟件 控制軟件給 RMMS 發(fā)展使用妄想實時操作系統(tǒng)，支持再組合和可重復使用的軟件成分 [15]. 用來控制 RMMS 的軟件成分 被 列舉 。主 題組成部分需要一定構(gòu)造 RMMS 的依靠的參數(shù)知識，在預置階段期間， RMMS 接口建立與每個硬 件模塊的關(guān)系自動確定哪個模件正被使用， 并且他們的命令和定向收集 。 對每個模件來說，一個數(shù)據(jù)提交給一個參數(shù)模型被讀。 通過結(jié)合這全部模件的信息，整個操縱者的動態(tài)和動態(tài)的模型被建造 。在預置之后， rmms 軟件成分在一內(nèi)經(jīng)營分配的在哪個每 RMMS 模件的執(zhí)行 PID 的控制模式控制當?shù)卦?1900 赫茲。在模件和主機接口之間的聯(lián)系以 400 赫茲，這能不同于 rmms 軟件成分的循環(huán)頻率。 自從我們使用一個三倍的緩沖區(qū)機制 [16] 對于通訊來說通過雙口 RAM 在 ARMbus 主接口上，沒有同步或者握手是必要的。因為關(guān)閉形式倒 轉(zhuǎn)的運動學不為全部可能的 RMMS 構(gòu)造存在，我們用一個最小平方動態(tài)的控制做倒轉(zhuǎn)的運動學計算。 6 綜合模擬 為了幫助用戶評價是否一 RMMS 記誦外形能成功完成一項規(guī)定的任務，我們已經(jīng)建造一個 模擬器 。模擬器基于來自 Deneb 股份有限公司的 TeleGrip 機器人模擬軟件， 在哪個是與有關(guān)系實時工藝設(shè)備通過一 Bit3 VME 對 VME 的改編者，象被在圖 6 顯示的那樣的一 SGI 深紅色上運行。一個圖形用戶界面允許用戶集合模擬的 RMMS 構(gòu)造太喜歡集合真正的硬件。完成構(gòu)造可以測試并且編程序使用 TeleGrip 對 機器人設(shè)備起作用。構(gòu)造也能被與涉及相同的 RTPUs 的實時軟件用來控制實際硬件的妄想接口。因此，評價不但操縱者的運動是可能的，而且實時的 CPU 用法和負載平衡。 與實際任務實行相比較，顯示一次 RMMS 模擬 。 7 結(jié)束語 我們已經(jīng)發(fā)展目前由 6 個硬件模塊組成，帶有共 4 自由度的一個再組合的標準化的 機械手 系統(tǒng)。 這些模件可以在許多不同的構(gòu)造里裝配 。 把 機械手 的 靜 態(tài)和動態(tài)的特性調(diào)整到任務 。 RMMS 的控制軟件通過建造 機械手 的動態(tài)和動態(tài)的模型自動適應會議構(gòu)造 ；這對用戶全部透明。 為了幫助用戶評價是否一個 機械手 構(gòu)造很適合 一項規(guī)定的任務，我們也已經(jīng)建造一個 模擬器 了 ，