2013年--外文翻譯--關于水下機器人平臺的基于四連桿機械手的幾何參數(shù)優(yōu)化設計（譯文）

1、<p><b>　　中文3550漢字</b></p><p>　　出處：Kim J, Jin S, Kim J W, et al. Optimal design of geometric parameters of a four-bar based manipulator for an underwater robotic platform[C]//Control, Automat

2、ion and Systems (ICCAS), 2013 13th International Conference on. IEEE, 2013: 1490-1493.</p><p>　　2013 年第 13 次國際控制、自動化和系統(tǒng)會議(ICCAS 2013)</p><p>　　2013 年 10 月 20-30 日，在 Kimdaejung 會展中心舉行，韓國光州</p&

3、gt;<p>　　關于水下機器人平臺的基于四連桿機械手的幾何參數(shù)優(yōu)化設計</p><p>　　Jihaan Kim, Sangrok Jin, Jang-Wan Kim, Jangwan Kim, and TaeWan Sea</p><p>　　摘要：這篇論文，我們關于一種水下機器人提出了基于四連桿的摘海星機械手。 這個機械手由 6 根桿組成，2 個彈簧和一個電機。模型的鏈

4、接長度和彈簧常量都 是參數(shù)化的，我們解決了運動學和動力學并獲得了機械手末梢執(zhí)行器的軌跡。捕 獲末梢執(zhí)行器接觸地面時的行程和位移可以用來實現(xiàn)主要目標，來提高捕捉能力。 6 個長度的鏈接和 2 個扭轉(zhuǎn)彈簧常量用來實現(xiàn)設計的變量化。支反力，矢量和一 些幾何情況在優(yōu)化過程中被處理成不等約束。通過優(yōu)化機械手的捕捉行程比原始 的行程提高了 56%。 關鍵詞：水下運動機械手系統(tǒng)，四連桿機構(gòu)，優(yōu)化設計，柔性機構(gòu)。</p><p>

5、;<b>　　1．介紹</b></p><p>　　海星問題給海岸的漁業(yè)生態(tài)造成了巨大的破壞。蝙蝠海星和阿穆爾海星被看 作是給漁業(yè)帶了破壞的 2 個主要物種。成千上萬的這些海星在漁場生存并吃孵化 場的魚。因為海星不能很快地移動，所以貝殼類的漁場面臨海星帶來的最大問題。 不僅僅是海岸的漁場，而且自然的湖泊也是受到這些海星的威脅。澳大利亞的大 堡礁連續(xù)不斷地報道海星數(shù)量爆炸性增長的問題，并且過去

6、的一些消除海星的努 力不僅花費巨大而且不夠有效。[1]</p><p>　　由于海星具有強大的捕食和繁殖能力，因此全世界每年都會花費巨大的財力 和人力來消滅海星。已經(jīng)出現(xiàn)了一些關于發(fā)展海星捕撈系統(tǒng)的研究，但是結(jié)果由 于多種原因，在實踐中并不是非常有效。在現(xiàn)場，漁民抬起漁網(wǎng)用手來分離海星， 或者潛水員潛入海水中來抓海星。漁場由政府或者相關的地方政府進行資助[2]。 但是這些消減海星數(shù)量的方法耗費了大量的人力和物力。

7、</p><p>　　水下的遙控操作運動系統(tǒng)可能是這個問題的一種解決方法。已經(jīng)有了比較有 效的關于水下運動機械系統(tǒng)的研究，并且各種各樣的水下機械手也在發(fā)展。但是 考慮到抓海星這一簡單而且重復的運動，這些高復雜度和高自由度的機械手并不</p><p><b>　　適合。</b></p><p>　　這篇論文，我們提出了一種應用四連桿機構(gòu)的海星捕撈

8、機械手。利用 1 個電 機，4 個連桿可以根據(jù)特殊的軌跡實現(xiàn)一種重復性的回轉(zhuǎn)運動。對于優(yōu)化 4 連桿 軌跡已經(jīng)有了一些研究，例如：由蜥蜴后腳軌跡啟發(fā)的機器人[3]，使用四連桿的 膝蓋兩足機器人行走軌跡[4]。然而，它們局限于具體的應用并不直接適應海星的 捕捉。</p><p>　　尤其在這篇文章中，水下運動的環(huán)境特點被考慮了進來，并且一種兼容的工 具鏈接附加在了四連桿上。機械手翻倒的軌跡不僅由運動學也由動力學決定

9、。通 過使用四連桿機構(gòu)，機械手可以不用一個接一個的識別海星來捕捉幾個海星。而 且，機械手可以克服海流干擾，克服海星位置的變化，克服地形走向的變化來保 持運動平穩(wěn)性。</p><p>　　這篇文章組織如下：首先在第 2 部分，介紹了機械手的概念性設計。在第 3</p><p>　　部分，定義了優(yōu)化問題并且在第 4 部分展示了優(yōu)化結(jié)果。最后第 5 部分關于幾何 機械手優(yōu)化的研究進行了總結(jié)。&l

10、t;/p><p>　　2．基于四連桿的機械手</p><p>　　2.1 海星捕捉機械手的設計</p><p>　　我們提出了一種懸停的水下機器人平臺，如圖 1 中 A 所示。許多不同的 應用模塊可以在平臺的上面和下面進行裝備，因此系統(tǒng)可以完成多樣的工作 例如水下的焊接，搜索，捕捉等等。這篇文章中，我們提出了一種基于四連 桿的海星捕捉機械手，把它安裝在平臺的下方，如圖

11、1 中的 B。機械手由 4 個剛性連桿組成，以及一個有著靈活刷子的工具鏈接在其末端。在四桿和工 具鏈接之間的轉(zhuǎn)換關節(jié)是無電源的，但是有一個扭轉(zhuǎn)彈簧在上面。扭轉(zhuǎn)彈簧有</p><p>　　一個定向的界限，使得工具在反方向旋轉(zhuǎn)的時候只能逆時針旋轉(zhuǎn)，不能順時</p><p><b>　　針旋轉(zhuǎn)。</b></p><p>　　圖 2 表示了按照時間順序

12、進行捕撈海星的過程：（1）機器人操作者在水 外面，通過在平臺頭部裝備的攝像頭，來操縱機器人平臺。當操作者發(fā)現(xiàn)一 組海星或者它們的棲息地的時候，就控制機器人朝著海星移動；（2）機器人 在合適的位置保持懸停來收集海星；（3）和（4），當 4 桿曲柄轉(zhuǎn)動的時候， 機械手上的刷子就會把許多的海星帶到機器人里面；（5）當刷子把海星帶進</p><p>　　收集框盒中，刷子就會沿著軌跡向前運動就像機器平臺向前運動來進行下一

13、次的捕撈。扭轉(zhuǎn)彈簧使得工具使得工具反向鏈接，因此刷子不會把海星推開；</p><p>　?。?）重復上述的（2）到（5）過程，機械手就可以連續(xù)的捕獲許多海星。</p><p>　　2.2 機械手模型的仿真 在這篇論文中，我們進行了機械手處于水下環(huán)境的運動仿真，并且通過</p><p>　　MATLAB 動態(tài)仿真模塊對于機械手運動軌跡進行了計算，如圖 3 所示。四連桿

14、</p><p>　　由 4 個長度分別為 l1，l2，l3 和 l4 的桿組成。L2 桿固定在平臺上，電機帶動</p><p>　　著 l1 桿進行轉(zhuǎn)動。工具通過一個定向的扭轉(zhuǎn)彈簧鏈接到四連桿上，彈簧常數(shù) 為 K1.</p><p>　　既然工具鏈接上的刷子是靈活的，那么刷子就會因為外力而非線性地改變形 狀，使得分析動力學運動非常困難。因此，我們把刷子簡化成兩根長

15、度分別 為 l5 和 l6 的桿，他們之間有一個扭轉(zhuǎn)彈簧 K2。</p><p>　　利用簡化的機械手模型，我們對它進行了動力學分析，得到了它的軌跡。 并且計算了價值函數(shù)，這個會在第 3 部分提到。首先我們把整個系統(tǒng)看作是 離散系統(tǒng)，并且進行了每一個無窮小倍的準靜態(tài)運動學/動力學分析。如果我 們沒有扭轉(zhuǎn)彈簧的話，僅僅動力學有必要來得到軌跡；然而我們有 2 個扭轉(zhuǎn) 彈簧，因此有必要解決動力學問題。水動力阻力，扭轉(zhuǎn)彈

16、簧存儲的力以及桿 件之間的內(nèi)部力在動力學分析中都會進行考慮。</p><p>　　3.優(yōu)化設計問題的定義</p><p>　　3.1 主要功能 在這篇文章中，我們定義了機械手運動作為它的捕捉海星工作的效率。</p><p>　　為了最小化工作一圈的海星的數(shù)量，我們把捕捉的沖程作為主要的功能，就 是刷子掃過地面的位移。</p><p>　　在圖

17、 4 中，指出了捕撈沖程和其他重要的因素，將會在 3.2 部分進行討</p><p><b>　　論。</b></p><p>　　3.2 設計變量 存在許多因素可以讓機械手工具出現(xiàn)不同的軌跡。首先，曲柄工作電機</p><p>　　的角速度決定了軌跡。當角速度增大時，水動力阻力也會增大使得工具更加</p><p>　　

18、向后彎曲。另外，機器人平臺距離地面的高度也會改變捕捉的沖程。6 根連桿 的長度和 2 個扭轉(zhuǎn)彈簧的彈簧常數(shù)也會決定工具的軌跡。我們固定上述因素 中的 2 個：工作電機的角速度是π/3 rad/sec，并且平臺距離地面的高度是 300mm。我們把在優(yōu)化過程中要用的設計變量整理的表格Ⅰ中。</p><p><b>　　3.3 約束</b></p><p>　　捕捉的沖程并

19、不是存在于每一個設計變量的隨機值中。首先 4 根連桿的 長度 l1,l2,l3,l4 需要組成一個曲柄連桿機構(gòu)。這個就是格拉曉夫準則。連桿要 組成曲柄腰桿結(jié)構(gòu)，必須符合下面的算式：</p><p>　　另外，存在 2 個如下的幾何約束。彈簧常數(shù) K5 和 K6 必須在合適的范圍 內(nèi)，這樣軌跡才不會沿著不規(guī)則的方式偏離。甚至，當機械手工具收斂到一 個特殊的軌跡的時候，伸出舌結(jié)構(gòu)可以碰到地面。這樣，刷子才能聚集一些

20、海星，但是兩桿鏈接的關節(jié)處一點也不會碰到地面。當設計變量都在一個合 適的范圍時，捕捉的行程可以進行計算，并且優(yōu)化也能夠完成。</p><p>　　3.3.2 伸出過程中的最小高度 當一圈的工作完成的時候，刷子向前運動開始下一次的工作，刷子必須</p><p>　　與地面保持一個最小的高度。當刷子在伸出過程中低于這個最小的高度，就 會把海星向遠離儲存框盒的方向移動，這無疑會在下次工作的時候降

21、低捕撈 的效率。因此，伸出過程中的最小高度是一個不等式約束。蝙蝠海星和阿穆 爾海星是漁業(yè)的主要麻煩制造者，它們大約高 10mm.根據(jù)它們的高度和安全 因素，伸出過程的最小高度的標準設置成 30mm。</p><p>　　3.3.3 運動平臺的反作用力和力矩 在仿真過程中，我們假設平臺在空間中是固定的。然而，在真實的情況</p><p>　　下，水動力阻力和地面的反作用力都會成為系統(tǒng)懸停運動

22、控制的干擾因素。 控制器可以克服一些干擾，但是系統(tǒng)可能會在一些大量級的干擾下發(fā)生偏離。 考慮到控制器和推進器的運行情況，反作用力和力矩的最小標準設定為如下 數(shù)據(jù)：</p><p><b>　　4.優(yōu)化結(jié)果</b></p><p>　　設計變量的初始值和優(yōu)化值在表 2 中進行了歸納總結(jié)，在圖 5 中也進行 了相關的表示。彈簧常數(shù) K1 和 K2 與每一個關節(jié)的圓圈和半圓

23、的大小成正比。 初始變量和優(yōu)化變量的模擬軌跡如圖 6 所示。初始變量的捕撈的沖程是</p><p>　　189.3mm，優(yōu)化變量的沖程是 295.5mm，這就意味這我們通過優(yōu)化獲得了 56%</p><p><b>　　的增益。</b></p><p>　　我們在第 3 部分對于不等式約束進行了檢驗并發(fā)現(xiàn)了它們的適值如下：</p>

24、<p>　　h1=-6,h2=-25.88,h3=-25.98,h4=-6.88。檢驗發(fā)現(xiàn)所有的約束都是小于 0 的，沒 有一個約束在優(yōu)化點上是正的，這就意味著優(yōu)化的結(jié)果是在約束合適情況下 的局部最小值。</p><p>　　設計變量的優(yōu)化值比圖 5 中所示的原始值差距不是很大，是非常重要的。 但是，去造成了主要的功能軌跡的巨大變化，如圖 6.至于優(yōu)化值和原始值非 常相近的原因可能是適合第一個約束條件

25、的變量范圍并不是非常大。設計變 量的微小改變可以改變軌跡的形狀和大小，也可能使其不滿足其中一個約束。 設計變量的微小改變就使得主要功能提高了 56%，意味著捕撈的沖程和軌跡 對于桿件的長度和扭轉(zhuǎn)彈簧的剛度，是非常敏感的。因此精確的制造和組裝 過程也是非常必要的。</p><p><b>　　5.結(jié)論</b></p><p>　　這篇論文中，我們對于水下機器人平臺基于四

26、連桿的海星捕撈機械手進 行了優(yōu)化設計。通過運動學和動力學分析，得出了機械手在水下環(huán)境中的末</p><p>　　梢執(zhí)行器的軌跡。為了最大化捕捉的能力，用捕撈沖程來表示主要的功能。</p><p>　　6 個幾何長度和 2 個彈簧常數(shù)成為了優(yōu)化中的約束條件。結(jié)果，優(yōu)化后的設 計變量與初始的設計相比可以提高 56%的主要功能。我們打算盡快制造出這 個機械手原型。</p><

27、p><b>　　致謝</b></p><p>　　這項工作得到了韓國國家研究基金會的支持，由韓國政府教育科學和技 術部資助。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]"Scientists:TosaveGreatBarrierReef,killstarfish,"h

28、ttp://news.blogs.cnn.coml20 1211</p><p>　　0/02/scientists-to-save-great-barrier-reef-killstarfish/?iref=allsearch, (Accessed 15 April 2013) [2]Lee,J.,"100ScubaDiversExterminatingStarfish,"http://

29、www.ilyoseoul.co.kr/news/articleView.ht ml?idxno=69000, (Retrieved at Jan. 31,2012)</p><p>　　[3] Kim, J., Kim., J., Choi, D., "Optimization of HindFoot Trajectory UsingFour Bar Linkage forLizard Inspire

30、d Robot," Proc. of KSPE AutumnConference, pp.209-21 0, 2012</p><p>　　[4] Arnaud, H., Yannick A., "Walking TrajectoryOptimization with Rotation of the Feet for aPlanar Bipedal Robot with Four-bar Kn

31、ees",TheASME201211thBiennial Conference OnEngineering Systems Design And Analysis, France,2012</p><p>　　[5] Jin, S., Lee, S., Kim, J.,Seo,T.,"StarfishCaptureRoboticPlatform:Conceptual Design andAna