【機械類畢業(yè)論文中英文對照文獻翻譯】ResQuake:遠程操作救援機器人【PDF英文11頁word中文翻譯3633字7頁】【有出處】
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附件1:外文資料翻譯譯文
ResQuake:遠程操作救援機器人
ResQuake作為一種遠程操作救援機器人,它的設計程序以及對其動態(tài)分析,生產(chǎn)過程,控制系統(tǒng),防滑性能改進等一直被人們所探討。人們首先要探討的問題是規(guī)定機器人要完成的總?cè)蝿找约敖M成機器人基本結(jié)構(gòu)的各種機構(gòu)。選擇適當?shù)臋C構(gòu)、幾何尺寸、對質(zhì)量進行定性分析以形成系統(tǒng)的運動學和動力學模型。其次是對每個構(gòu)建的強度進行分析以最終定型并提出機構(gòu)模型。接著對控制系統(tǒng)進行簡要的介紹,該控制系統(tǒng)包括用作主處理器的操作者的電腦以及安裝在機器人身上作為從處理器的便攜式電腦。最后通過實驗測試確定并驗證軌道滑移系數(shù),以改善系統(tǒng)的跟蹤性能。 ResQuake已經(jīng)參加幾個救援機器人聯(lián)賽。
關(guān)鍵詞:移動機器人,遠程操作,運動機制,控制結(jié)構(gòu),滑移估計
1 引言
由一個或多個操縱器平臺組成的移動操縱型機器人有無限的工作空間。因此,各種行走,輪式,履帶式和飛行系統(tǒng)已被提出并成功地付諸實踐。這種系統(tǒng)被廣泛用于消防,林業(yè),排爆,有毒廢物清理,運輸材料,空間軌道維護等會危機到人類健康安全的領(lǐng)域 [1]。因此,可以預計,不管是自動運行的還是遠程操作的移動機器,都將會在人類生活的各個不同領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。但是,在移動機器人系統(tǒng)中,基于作用于反作用原理,動力會影響到基座與操縱器的運動。因此,運動學、動態(tài),以及對這些系統(tǒng)的控制已經(jīng)得到了廣泛的研究關(guān)注[2-5]。
地震是一種會威脅人類生命的自然事件。主震之后的余震會造成二次坍塌, 這會危及搜救人員的生命。為了盡量降低救援人員的風險,同時增加受害人生存機率,開發(fā)出一種能相互協(xié)作的機器救援隊不失為一種好的選擇。該種機器人及其操作者的任務是找到受害者并確定他們的情況,然后匯報目標在建筑物地圖上的方位[6,7]。這消息,會立即被發(fā)送至人類救援隊。對救援機器人的進一步預期,如能夠自主搜索倒塌建筑物,發(fā)現(xiàn)受害者和確定他們的環(huán)境,為幸存者提供生活用品和通信工具和布設傳感器(聲,熱,地震等)正處于課題研究中。然而,救援機器人的基本能力是它們在遭受破壞地區(qū)的機動性,這完全依賴于它們的運動系統(tǒng)和它們的維度。到目前為止已經(jīng)設計并生產(chǎn)了各救援機器人[8,9]。
本文對Khaje Nasir Toosi大學(KNTU)的ResQuake項目進行了直觀的描述,如圖1所示。首先對移動機構(gòu)的設計步驟進行詳細介紹,并確定系統(tǒng)尺寸和相關(guān)參數(shù)。然后是對系統(tǒng)運動學和動力學進行探討,并提出對每個機構(gòu)部件應力分析問題。接著是敘述機器人控制系統(tǒng)。最后通過實驗測試確定并驗證軌道滑移系數(shù),以改善系統(tǒng)的跟蹤性能。ResQuake有著友好的人機操作界面,它在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境、不光滑的路徑,甚至是在爬樓梯時都有很強的移動能力。它的性能已被如下事實證明:在2005年日本大阪機器人世界杯救援機器人聯(lián)賽中取得第二個最佳設計獎,2006年在德國不來梅機器人世界杯足球賽中取得最佳操作界面獎,以及2008年在中國蘇州機器人杯大賽中取得第二個最佳移動獎。
圖1 ResQuake在不同的環(huán)境中運動:(左)折疊路徑,(右)爬上不平斜坡可擴展軌跡
2 機構(gòu)設計
以移動形式劃分,搜救機器人主要有三類,即輪式,履帶式和行走機器人。輪式機器人,可以在搜索平坦的區(qū)域時使用。由于動力簡單,開發(fā)這些自動系統(tǒng)相對容易。輪式機器人還能夠攀爬高度比車輪小的障礙物。履帶式機器人由于具有在崎嶇不平的地形上移動的超強能力而得到廣泛使用。圖2展示了輪式和履帶式系統(tǒng)面臨著同樣的障礙(樓梯)??梢钥闯觯鄬^小的履帶式機器人具有相同的越障能力。
圖2 兩種運動系統(tǒng)遇到相同障礙物
行走機器人通常具有高自由度(DOFs),故而具有高機動性。因此,這種系統(tǒng)的動力學模型及其穩(wěn)定性要比前者復雜的多。此外,這種系統(tǒng)的運行需要大量的執(zhí)行機構(gòu)和傳感器,所以他們的控制系統(tǒng)更昂貴。還應該提到的是兩輪和行走機構(gòu)相結(jié)合的方式,這保留了兩個運動系統(tǒng)的優(yōu)點,而且避免了它們的缺點[10]。在輪式-行走混合機構(gòu)中,輪式機構(gòu)可以支撐行走機構(gòu)的重量,而行走機構(gòu)可以在崎嶇的地形上移動機器人。
不僅僅是運動系統(tǒng)類型,救援機器人的尺寸也是一個重要的問題。在一個遭受破壞的室內(nèi)環(huán)境中,可能存在一些例如倒塌的墻壁或天花板一類的一般系統(tǒng)不能輕易通過的障礙。在這種情況下,機器人必須在障礙物之間尋找一條其他的路徑而不是爬過他們,這無疑取決于它的大小。一個相對較小的機器人能夠輕易地通過一條狹窄通道并繼續(xù)搜索。應當指出,樓梯是室內(nèi)環(huán)境的一個不可分割的一部分。不管樓梯破壞與否,救援機器人都應該有能力上下樓梯以搜查整個地區(qū)。
為了在這兩個矛盾之間進行折衷,人們提出了一種具有高機動性的小機器人,履帶式機構(gòu)已經(jīng)被應用于ResQuake的研制。這種機制包括一個主體(基座)和兩個可擴展履帶(臂)。這一布置使機器人能根據(jù)它遇到的障礙調(diào)整自身大小。因此,相應的,履帶應該有一個最小長度以防止失去平衡,并且能夠在沒有額外震動的情況下能在連續(xù)的樓梯上穩(wěn)定的運動,如圖3(a)所示,。另一方面,長的履帶,例如那些簡單的履帶機器人需要一個較大的區(qū)域進行拐彎,如圖3(b),這在遭受破壞的環(huán)境中很難滿足這一條件。
圖3 (a)履帶式機器人最小長度 (b)簡單的履帶式機器人最小拐彎半徑
2.1 可擴展履帶(臂)
圖4中顯示的結(jié)構(gòu),使得機器人可以擴大它的履帶長度以便通過障礙。另一方面,當機器人在穿過狹窄的通道以及需要較小體積時,其前端可以折疊。這也有助于減少轉(zhuǎn)彎半徑。最初的想法是在折疊工作臂上,以克服上述矛盾。
這個概念已經(jīng)改進了在兩邊都有一對工作臂的車輛,如圖4(b) 所示,用折疊臂來減少機器人的長度或擴大其他長度來滿足其他要求。另一個優(yōu)點是對稱結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使得機器人在前進和后退時運動相似,這一布置便于在受限空間內(nèi)轉(zhuǎn)彎。
其次,工作臂被布置在同一平面內(nèi)以降低機器人寬度(圖5 (b))。最后,為了在工作臂折疊時使用額外的區(qū)域空間,在每個臂中安裝了連接件(圖5 (b))。因此,機器人兩邊的履帶都能伸展成三個平行層面,這提供了更有效的牽引力。
圖4 (a)前端履帶初步設計 (b)具有兩對臂的改進設計 (前端和后端)
圖5(a)使履帶共線以減少機器人寬度 (b)履帶最終結(jié)構(gòu)
在系統(tǒng)中添加四個獨立的(主動)關(guān)節(jié)會增加執(zhí)行機構(gòu)的數(shù)量從而增加系統(tǒng)的總價格。因此,人們用行星齒輪系來簡化每個臂上主連接件到次連接件的功率傳輸。每個臂上的兩個的旋轉(zhuǎn)是相互獨立的。通過分析兩個臂的輪廓可以得出齒輪傳動比;(i)完全伸展(ii)完全折疊,這樣,在那些具有兩個輪廓的預期平面上的臂就可以運動(圖6)。
圖6 臂的運動軌跡
如圖6所示,當工作臂的主體部分旋轉(zhuǎn)∏/ 2rad時,從屬部分的旋轉(zhuǎn)角度應該超過∏rad。具備這一性能的齒輪系應該是一個行星變速箱。第一個工作臂的主體部分在行星輪系中起著工作臂的作用,其動力由電動機直接提供。太陽輪連接在機器人上的主體之上,行星輪連接到在工作臂的從屬結(jié)構(gòu)上。一對中間齒輪安裝在太陽輪和行星輪之間,該處齒輪的直徑不得超過履帶主輪直徑這一閾值(圖7)。這一機構(gòu)的另一個優(yōu)點是工作臂的兩個連接點處的中心距離在旋轉(zhuǎn)時將保持不變。這使得我們能夠補償主履帶和裝有另一履帶的工作臂之間的間隙。這種履帶的作用是將履帶主體部分上的動力傳遞至工作臂上的從屬履帶上。
圖7 個行星傳動鏈
斜齒輪由于剛度大且齒輪輪齒強度相比于直齒圓柱齒輪來說更強而被用在行星齒輪系中[11,12]。臂的角速度應低于2至4轉(zhuǎn)每分鐘,而電機的輸出速度為3000轉(zhuǎn)每分鐘。因此電機與連桿之間的速比約為1000。三級行星齒輪變速箱這以組合結(jié)構(gòu)的每一級的比率皆為3:1 (推定直角在角速度相對較大電機軸處)的比例。傳動比為30:1的蝸輪系為受限空間提供了理想的傳動比(圖8)。機器人的兩側(cè)履帶都是直流電機驅(qū)動。
圖8 最終設計的布置
2.2 履帶
移動系統(tǒng)的牽引力在很大程度上依賴于機器人行走時履帶表面與接觸面之間的摩擦。因此履帶部件的材料和形狀就顯得尤為重要[13]。另一方面履帶應該承受適當?shù)膹埦o力。設計的履帶由兩個主要部件組成。鏈齒結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)提供了足夠的張緊力,由乳膠做成的齒形零部件則補償了鏈與接觸面之間的隙,從而得到所需的摩擦力。通過用長銷釘替換標準鏈中的銷釘對金屬鏈進行了修正。圖9展示了修正后的鏈以及履齒是如何安裝在這些銷釘上的。
當系統(tǒng)需要快速機動的穿過或是爬過某個斜坡時,產(chǎn)生了一個嚴重的問題,那就是由于基座運動而導致的不穩(wěn)定性及傾覆[14]。懸架結(jié)構(gòu)具備兩個主要優(yōu)點。
懸架系統(tǒng)包括主體上的兩個表面,并將它們通過回轉(zhuǎn)副連接起來(圖9)。一對線性彈簧限制了旋轉(zhuǎn)角度,同時使得該系統(tǒng)在未受到額外施加的作用力時保持理想姿勢。在此指出一點,該系統(tǒng)不需要使用減震器,因為作為轉(zhuǎn)動副的滑動軸承產(chǎn)生的摩擦力足以限制彈簧的額外震動。
圖9 上圖:安裝在鏈上的乳膠零件;下圖:懸掛系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)
2.3 最終尺寸
移動結(jié)構(gòu)設計完成后開始進行尺寸設計。一些諸如金屬鏈和行星輪一類的零件作為標準間很容易得到,所以其他零件的尺寸應該與它們相匹配。除此之外,在計算時必須考慮機器人的整體尺寸和齒輪系的公式。由于大量的方程式共同決定著參數(shù),人工計算無法得到最優(yōu)解。所以可以通過MATLAB來解方程得出最優(yōu)解。該過程需要考慮的尺寸列在圖10和表1中。
圖10 主要的長度確定其他維度
表1尺寸參數(shù)的機器人
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