外文文献翻译一个串行模式双驱动器单元行.docx
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外文文献翻译一个串行模式双驱动器单元行
一个串行模式双驱动器单元行星齿轮火车:
基本设计和应用
Byeong-sangkim，jae-boksong，member，IEEE，andjung-junpark
【摘要】：
一个机器人机械臂的控制接触环境通常是由直接反馈控制系统的传感器或使用力偶间接阻抗控制方案。
虽然这些方法已成功地应用于许多应用程序，但与此同时控制力和位置却不能实现。
为应对这些问题，本文提出了一种新的设计的双驱动器单元（挣扎）两部分组成一个行星齿轮传动系统的执行器和提供之能力，同时控制中的地位和刚度。
既然一个致动器的控制地位和其他致动器调转刚度，挣扎着，可以控制的位置和刚度同时在同一关节。
两个施加的扭矩在关节与刚度的环境可以估计没有一个昂贵的力传感器。
实验表明，该挣扎着各种各样能钻头提供性能好、位置跟踪、力估算和环境评价。
力量指数环境条款估计，，行星轮系，冗余并联阻抗方法、变量（通过）。
【关键词】：
机器人，行星齿轮，传感器.
第一章简介
机械手的运行是在自由空间能够控制的常规位置控制方案。
在这种情况下，通常具有高刚度机械手为提高定位精度。
当机械臂与外部环境接触或碰撞，这样的高刚度对双方都可能造成损害的机械手，保护我们的环境。
因此，在这种情况下，准确的力控制必须确保安全、平稳运动。
人们做了大量的研究性能提高的位置和力控制[1]-[12]。
例如，力控制执行一个操作臂，通常是直接由反馈控制系统，利用力传感器。
该方法需要复杂的算法，用一种昂贵的传感器。
此外，直接力控制可以使系统不稳定的当接触发生。
另一方面，力控制可以实现控制方法间接通过刚度的接触力是间接控制的调整期望位置的机器人末端执行器。
这个问题与间接力控制策略是，除非力量无法准确的环境管制模型以[13]。
来应付这个问题，那么这个变量的阻抗方法（通过）已被引入了一个好方法，可以同时控制刚度和位置的机器人手臂。
这个方法可以实现变刚度可以分为三种方法。
第一种方法利用受体激动剂/拮抗剂方法的激励的骨骼肌肉系统[14]、[15]。
两种执行器并联在一起，通过非线性弹簧，双方在转矩和速度控制是通过控制位置，同时这两种之间有何不同执行机构。
第二种方法使用一个变刚度机制组成的一个主要的致动器和一个子公司执行机构——[16]19]。
位置或速度的控制是通过一个主要的致动器，而刚度调节采用子公司的致动器与变刚度的结构。
方法采用第三串行连接两个执行机构:
一个执行机构控制的地位和其他致动器的刚度直接调制联合[20]、[21]。
前所述这三种方法都有自己的优点和缺点。
第一种方法使用的受体激动剂/拮抗剂驱动可以减少了反弹，但它遭受了复杂控制算法从两执行机构必须同步控制。
在第二种方法采用变刚度机制、广泛的刚度变化可以获得因为它取决于机械系统。
然而，刚度是不能改变的，而且很多时候在飞的，是需要改变刚度不足的问题。
在第三”的方法，利用串行驱动、刚度可以改变的实时操作和力能在估算整个编码器的信息。
然而，最大扭矩相当有限，因为齿轮传动比伴随刚度控制较低。
因此，这些方法的特点，应仔细考虑，并根据具体应用。
本文提出了一种新的设计的双驱动器单元（挣扎）由两个作动器和一个行星齿轮火车。
两种执行机构被连接在系列通过行星齿轮火车，每一个驱动器是负责定位和变刚度独立工作的人。
既然一个驱动器[称为定位致动器（PA）]控制致动器的位置和其他[称为刚度调制器（SM）]DAU调转刚度，控制位置和刚度同时在同一关节。
通过使用一个行星齿轮传动系统，它是可能的调整其齿轮传动比取决于应用程序，从而优化整个系统。
此外，紧凑的设计，有利于其使用的挣扎着，像一个组件在任何类型的系统。
常人的特征可以概括为两个要点：
力估计和环境评价。
力估计直接力控制有关，而环境估计是连接到间接力控制。
两者的作用力和估计的环境，提供的定位信息两个编码器安装在每个致动器是用来。
力的测量可以实现利用一个显式力传感器，而高成本往往也会使用这类设备在实际应用中。
虽然还存在一些局限性，由于在力量造成的误差估计的齿轮摩擦，挣扎着，遭到强烈反对，可以是一个实际的解决办法来执行力控制在实际的应用，如服务机器人准确允许相对较少的力控制比工业机械手需要精确的力控制。
此篇文章的其余的组织如下。
第二部分详细描述了常人。
第三章这个位置控制器和刚度控制器的基础上给出了这种挣扎着。
力估计和环境使用挣扎着，估计已经分别第四章和第五章解释了部分，。
实际问题相关的挣扎着，用一根被解释在第VI部分。
最后，第七部分提出了我们的结论。
第二章双驱动器单元
使用一个挣扎着的行星齿轮，在列车的基础上，提出了研究既有位置和刚度能控制的独立工作的人。
本节讨论常人的概念、功率传输、设计指标，以及常人的原型。
2.1双制动器
有两部分组成的，制动器和一个电力传输系统，显示在图1（a）。
Pa控制的位置，而联合控制其共有的刚度。
FigSM。
1（b）的特点，说明了扭矩角速度的双重执行机构。
一个高扭矩低速功放以一个高齿轮传动比有利于定位精度，而一个低扭矩高速SM以较低的齿轮传动比有利于软操纵，这意味着要顺利控制机械手的接触力可以从低到高。
电力传输系统是用来联合所产生的力量的双重执行机构。
2.2电力传输:
行星齿轮火车
在这项研究中，由一个行星齿轮火车的特点来实现一种新颖的开发设计。
常人的主要由一套PA钐、和四个阶段的行星轮系，如图2号。
PA与行星齿轮火车被分成定位控制部分需要高齿轮传速比。
SM、齿轮减速器的齿轮钐、与外部调制的刚度会被分成部分。
在图2，最主要的代表了原始变量，包括执行机构的输出的变量以区别于那些获得通过齿轮减速机。
例如，θPA表示了角位移的爸爸和θPAPA的单位代表组成的PA和它的齿轮减速器，行星齿轮传动系统（即）。
以获得一个高齿轮传动比、多级行星齿轮传动系统的使用，而每个阶段都是一种由太阳齿轮，行星齿轮，一个环形齿轮，和一个载体。
通过连接的输出与输入的i期阶段i+1，该多级结构带来显著增加齿轮传动比。
用环形齿轮的齿数比rPA固定，i阶段可表示如下：
在i和ωS，ωC角速率，i是太阳齿轮、载体、NS、i和NRI的数目，齿牙分别为太阳齿轮和内部环形齿轮，。
单位是由产品总齿轮传动比rPA的PA确定齿轮比的各个阶段的如下:
ωPA和ωO分别是角速度PA在制动器的设计阶段和输出轴。
例如，如果每个阶段传动比是6：
1，5:
1，6：
1和5:
1，则产生的齿轮传动比是900:
1。
另一方面，在太阳齿轮连接到Pa轴固定，相关的齿轮比rsm刚度调制能够作如下表示：
在ωSM，SM角速度的阶段，ωO在制动器是在出力轴上的旋转角速度，rsm是齿轮传动比的齿轮减速器安装在SM、NSMG分别是数量和一颗牙是的齿轮（附在轴齿轮减速器的SM）和外环齿轮。
现在，系统可以取代组成的等效模型和等效齿轮减速机，执行器，如图3所示。
θPA的变量，并用τPAkPA，表示该接头刚度、关节角度、关节力矩的位置控制部分的输出齿轮减速器，然而，分别用θSM检索，并用τSM调制的刚度。
另一方面，τPA，θPAkPA，是刚度、角位移、输出转矩的检索，并τSM，θSM的是那些SM。
运用迭加原理，θDAU表示如下：
控制变量是使用θPA实现位置控制和θSM是测量参数的位置，即，只取决于PA的位置。
扭矩的PA、和常人都是相同SMare自从爸爸和并联。
因此，接头刚度kDAU可以通过下式表示：
从（1/rsm）远小于（1/rPA），kDAU近似的方法有
所表达（6）、接头刚度可以被认为是信息检索的功能，这意味着接头刚度只取决于SM的刚度。
2.3DAU的设计指南
设计一个DAU，其所需的规格，如电力、速度、扭矩、位置响应时间、刚度响应时间等，应确定第一。
PA和SM分别精选的性质与位置控制和刚度调制，。
然后，每个齿轮传动比伴随位置控制和刚度调制可选。
最小化之间的相互作用，PA和SM，建议齿轮传动比伴随位置控制是10倍以上，伴随刚度不足的问题调制。
其次，选择适当的齿轮减速器是连接PA及SMin系列使用一个行星齿轮谐波齿轮传动装置。
任何类型的减速机可以采用，但内部元素必须均匀分布和输入轴必须对齐在出力轴上，否则，偏心倾向于产生的振动引起的转矩脉动问题。
行星齿轮传动系统的主要用于低成本、低敏感度模型和谐波齿轮传动装置的高成本、高精度的模型。
2.4DAU的原型
DAU原型的基础，一个行星轮系，如图所示图4中，构建了各种实验绩效相关的挣扎。
采用了两种20-W常人的无刷直流电机。
PA有四个阶段的行星齿轮火车，齿轮传动比各个阶段的约为5:
1。
SM都有它自己的齿轮减速器的输出轴，并连接到齿轮具有相同数量的牙齿外齿轮。
因此，齿轮传动比的位置控制的一部分，而这是690:
1常人的部分是84:
1刚度调节。
包括电机总量23×59×115mm，115毫米的单位大约是500克。
最大的连续转矩是1。
2N•m，最大速度是90◦/s，额定功率是40w，及3。
6◦最大反弹。
该编码器分辨率与齿轮减速器是2。
14×10-3◦每脉冲为SM的部分，它足够小，对力估计问题。
力的估计范围可以从0。
1至1。
2N•m。
如图5两个控制器基于DSP（TMS320F2812）被用于独立控制机械手的位置和刚度。
连接两个运动控制器的控制区域网路沟通。
PA的位置信息传播的位置控制器，从刚度，双方在执行器控制器控制在采样率为1千赫兹。
力量来验证的性能估计，JR3力传感器（A），IFS-67M25使用和接收方板（PCI-2184S）是安装在个人电脑。
控制器的刚度与计算机通过RS-232沟通交流。
所有的数据部队，位置和刚度都记录在个人电脑分析在每1ms之间的间隔中。
第三章DAU位置和刚度控制应用
一个DAU，基于一个行星齿轮火车可以进行独立控制的位置和刚度。
在这一节中，详细解释了，位置和刚度控制使用DAU，和运动的行星齿轮火车在位置和刚度进行控制。
3.1DAU的运动控制
物理原理图的DAU，以控制系统为例，说明在图6，控制框图上被显示在图7。
θPA期望位置，分别是d和转矩τPA作为两个输入与PA及SM。
PA控制的环节的位置测量信号的位置反馈环节结束的时候，而SM刺激所需的扭矩与转矩反馈信号θSM所得的产物和检索。
与传统的PID和PD（PD）控制器分别是用于位置控制和刚度调制。
假设这个粘滞摩擦效应是不容忽视的，运动方程出发，提交给PA和制动器的阶段可以在SM的了
τPA扭矩和τSM所产生的PA和制动器的阶段，是θPA，θSM和角图7。
DAU根本控制的框图如图8。
DAU位置控制使用。
（a）位置控制的链接。
（b）在运动过程中控制。
齿轮位置的PA和加速度（SM，分别。
JPA是惯性矩的对于这两位PA转子和它的齿轮减速器，JSM是惯性转矩为SM转子和它的齿轮减速器。
3.2位置控制
这项议案的行星齿轮火车是显示在链接到所需的位置θPA旋转，d在自由空间中，通过控制过去。
逆时针方向旋转时，只要PA（CCW），然后（i）太阳齿轮连接到轴旋转PA（ii）（CCW）但行星齿轮旋转CW播出。
假设在SM轴锁定为方便的解释;然而，SM是不是身体上的锁。
自从环形齿轮啮合的齿轮也是固定在这种情况下，（iii）承运人旋转。
作为结果，连接安装在载体上旋转，从而得出期望位置。
PA可以定位控制的实现，PID控制PA在组内的位置控制，使之间的误差，θPA理想位置（d）和当前位置的DAU，（θDAU方法测量编码器）0。
实验上进行了验证位置跟踪定位精度载荷作用下的。
1公斤附在端点的20厘米的链接。
链接就照著所吩咐的跟踪阶跃输入和接点刚度的SM设置为0。
12N•m/◦。
显示单元振幅为90。
大约2中的停留时间为中等频率的阶跃响应，这是相当缓慢的由于高齿轮传动比的PA。
3.3刚度调制
假设连接需要施加接触力俱乐部的物体上，如图。
这项任务要求的位置控制和随后的力控制。
首先，这条热线将是位置控制，搬到期望的位置。
一旦连接联系的对象，则输出轴的DAU，再也不能旋转，所以的旋转所附载体的联系就是约束。
Fig。
10（b）显示的运动在刚度控制DAU。
CCW作为PA旋转时，（i）太阳齿轮连接到CCWPA转动轴（ii）行星齿轮啮合与太阳齿轮旋转CW播出。
然后，（iii）环形齿轮转动扭矩对连续波、传播载体是SM约束时因为接触物体的链接。
因此，（iiii）环形齿轮使齿轮连接到CCW，旋转角位移θSM发生背后可驾驶SM的。
然后，DAU的τSM输出扭矩的方法有
信息检索是可以由用户接头刚度的地方。
如果长度为l的连接，接触力俱乐部之间的链接和对象可以通过（9）。
扭矩也可说τSM乘以所转矩常数KT，SM由当前iSM提供给SM如下:
当角位移之间的关系θSM发生时，所需的接头刚度和当前信息检索规则都可以描述为（9）、（10）如下:
例如，当检索为0。
1N•m/◦，KT，SM=2N•m/A，l=0。
1m，跟物体位于30◦，如果希望的接触力的发挥，θSM必须是（9）。
因此，θPA的位置，是PA，32◦从（8）因为位置的纽带连接在挣扎着，并没有改变，也没有转动的运动。
替代的刚度和角位移成（11）收益率的电流，进而导致0。
1一SM产生转矩为0。
2N•m。
在接触的运动，控制的刚度控制机械手相当于接触力自接触力的乘积成正比的刚度和位移。
验证的响应、管道的初始刚度的DAU，0。
07N•m/◦突然改变为0。
24N•m/◦而接触的外部环境的影响。
这些刚度水平意味着2。
1和7。
2N需要改变的角度20-cm链接连接到输出轴的6◦DAU。
图11（a）显示的阶跃响应的刚度变化，显示放大部分的过渡阶段。
它花了大约50毫秒来获得预料的刚度。
之间的误差测量参考输入和刚度和阻尼系数是由于摩擦效应的电力传输系统内的挣扎。
第四章常人力量估计使用
4.1力估算，
外部力矩τDAU，这是一个外部施加压力诱导附在链路上的挣扎，使SM和编码在它轴旋转。
正如前面已解释的，关节力矩的挣扎着，τDAU（=τSM估计），可以很容易从（9）自接头刚度是由用户检索θSM、角位移测量可以使用一个编码器。
一旦获得了关节力矩的DAU，外力施加在此链接可以是估计的关系和转矩的力。
力的估算带宽可从外部转矩之间的关系τDAU（输入）和编码的位置θE（输出）。
假定PA以来估计是固定的主导性力量取决于SM。
对运动方程可以写成
rsm，，Jsm、Bsm、和KSM（=Ksm/r2SM）是齿轮传动比、惯性转矩、阻尼系数和刚度，分别与之关联的SM。
从这个方程，给出了主要从外部的扭矩传递函数的地位，该编码器:
从频率响应分析，截止频率（即−3分贝点）计算约为44赫兹时（1/rsm）==3×84岁，JSM7kg•平方米，10−−成果=1。
57×107N•米•s/rad，Bsm=120N•m/◦。
带宽的力相对低的估计，因为减速器中扮演了一个重要角色的低通滤波器。
为1/大区经理的价值估计带宽减少，力将会增加。
外力是估计在每个采样时间，这意味着力估计频率是1千赫兹。
显示，验证了实验装置的性能估计使用DAU力量。
F/T的传感器安装在端点施加压力，直接测量链路上的。
如果若无外力的纽带，角位移的SM就发生了。
kSM设定的接头刚度•m/◦。
2N实验设备。
以后应用力的随机的链接，在3秒改变逐步改变。
实测和估计的力量日本好的协议，如图。
因此，挣扎着，有能力的估计和链路上的作用力没有额外的F/T传感器。
4.2力估计误差
在遭到强烈反对，导致内部齿轮之间的摩擦，力的估计误差，如图14。
假定是θB反弹，齿轮的输出转矩为零，DAU，直到θDAU变得更大的位置比θB/2。
齿轮反弹转变的理想线到实际线在力量的估计，为了减少齿轮的反作用，精雕细琢齿轮的可以被使用，因为齿轮反弹是高度相关的等级或质量的齿轮系统采用了。
齿轮与高齿轮传动比的最后阶段，也是很有用的，在减少总齿轮的反弹。
现在，让我们假设这是τf内部摩擦。
因为内部之间的摩擦力矩大于齿轮，是要求的摩擦力矩，以旋转的DAU。
这意味着实际扭矩必须大于估计扭矩由一定数量的摩擦效应。
而且，当所有的重复力加到出力轴上的DAU，滞回发生，如图14（b）。
为了补偿或拒绝摩擦效应，基于模型的摩擦补偿，可使用[22]。
第五章利用DAU环境估计
5.1环境估计
信息对环境，如它的位置、形状和僵硬，有时是成功执行任务的要求。
研究成果以及与此相关的几个问题进行了[13]、[23]。
这些信息可以通过一系列传感器测量距离的环境或照相机，道出了物体的形状。
然而，这个范围传感器通常为一个点的距离，照相机图像是由照明条件往往被破坏了。
此外，它是很难知道的刚度没有联系。
环境在与环境的接触，机械手需要保持经常性接触力，这就需要一个昂贵的F/T传感器在其手端。
然而，自从有力量挣扎着，估计能力的基础上，就能估计配备DAUs机械手的位置、形状、的刚度和环境没有任何对环境的损害。
在本文中，环境的估计是限于刚度估算的环境，这就意味着阻尼的估计是不尝试。
考虑到服务机器人移动相对较慢，阻尼比起来不是那么重要的接触刚度对大多数的任务。
因此，挣扎着，可用于服务机器人在人类环境中工作。
估计方法，说明了环境刚度在图15。
因为刚度的定义是应用力的比率到相应的位移，它可以通过同时测量两者的数量。
机械手的联系与环境可以探测到的观察是否期望之间的误差与实际位置端设置阈值大于在运动。
用户可以设定的阈值低的任务需要接触高的敏感性，而设置为价值极高灵敏度的任务需要低接触的联系，悲伤的时刻的位置设置为端接触位置。
为了让机器人末端执行器达到期望位置xd，运用力机械手的环境。
最后，它到达xeq力的平衡位置以来获得平衡。
注意的位置，但事实上已达到xdPA的位置是xeqDAU，因为合规，显示在图15。
为了简化分析，阻尼效果将被忽略。
利用力平衡方程，在平衡状态，给出了接触力如下：
FC分别的接触力向量，刚度矩阵和km的环境和机械臂，。
只要用了DAU机械手，期望位置矢量权可以取代位置矢量的PA（after），因为PA总是尾随xd。
现在，位置矢量的手端（即，xDAU）是xeq，相应的总和，在那里xSM和xSM是相对位移矢量SM。
因为公里等于单元刚度矩阵，对环境的信息检索资政刚度矩阵可以写成
通过使用估计的刚度的环境表面可获得的环境。
当然，机械手能估计表面，通过检测整个表面端，它的效率很低。
获取表面信息在这项研究中，机器人末端执行器的位置移动时的表面被储存，正如图16所示的。
当机械臂末端手爪1，遵循路径的墙，然后接触力，将它应用到墙上。
的位置信息存储了PA及SM每个取样的时间，当那机械手遵循路径2（这可能是一个曲面）。
从某种角度说，机械手偏离道路环境（例如，3）。
采用力平衡方程在接触点，表面可获得信息端如下:
如果动力Fc太小，要么的刚度远大于环境信息检索，上学期放在你的右边（16）可以忽略不计。
作为结果，只能代表端和xSM。
在这些过程，SM改变机械手的单元刚度矩阵（=公里）的智能ksm，以便保持接触力之间末端手爪和环境。
与单独驱动机械手相比，它可以防止环境不受损坏由于过高的接触力。
5.2实验验证
环境验证的性能估算、五杆并联机构配备两个DAU，研制出了，如图17。
如果外力作用于该元素、变形发生在机械零件。
相比，发生的SM角位移的外在力量，然而，其他结构的变形小。
因此，所有的其他环节承担无限刚性的。
链接的长度1是0厘米，其他链的长度都是20厘米。
经营范围的联合1和关节2分别是35±75±75◦和145◦。
起初，机械手的环境来估计方法环境刚度不足的问题。
机械手接触后接触力增加到10个N。
刚度增加三倍，DAU，机器人末端执行器的位置进行了测量，在同一时间内。
如图18号（a）、末端手爪最初是放置在y=268。
3毫米的来源，并从2。
0毫米的位移时，就会发生暴力被增加。
作为环境刚度估计3。
5kN/m实际刚度测量3。
75kN/m默想听筒/T的传感器。
尽管一个错误的发生，，合理使用估计环境刚度在实际应用中它约是7%。
图19显示了实验环境表面的估计。
接触力的最初3个N，这使得最后一学期中与之关联的力量（16）可以忽略不计。
因此，环境表面可以估计利用位置信息。
如图的期望轨迹。
19日，配备DAU机械手的给出了矩形形状的，结构的初始位置被设定（0、20）。
当机械臂，遵循期望轨迹的端点经过分（7、20），（30分）、（7日）、0、30（0、20）按顺序排列。
如果没有环境、机械臂将遵循的期望轨迹（我→→→三世II（五）。
然而，真正的轨迹被改变（i-ii-iii-iv-v）由于IV中所存在的环境。
在环境的角度倾斜10◦。
实验结果为代表的，只利用位置信息运动轨迹可获得准确的环境。
第六章实践问题
在挣扎着，不失为一种可以作为执行机构单位，需要既有位置和刚度的命令独立工作的人。
因此，DAU不仅仅可以用来由机器人操作臂控制的，而且也为两平移两转动多自由度系统。
然而，可能会有一些参数，使DAU的系统复杂，并增加成本，因为DAU，用双电机为一个单一的关节。
让我们讨论这些问题。
第一个问题是它的复杂性，由于双电机。
一个DAU，职能作为一个单位。
还可以处理作为一个单一的电机，除了它能接收既有位置和刚度的命令独立工作的人。
这个功能的双重输入的DAU。
因此，在DAU一般系统可以实现，作为替补上场的，没有任何一个单一的电机结构改造。
第二个问题是由于其成本双电机。
当然，DAU物价也比一个单一的电机马达和一个单一的DAU是一样的。
一般来说，成本费用的一种电机的输出功率既取决于每单位质量又具有其自身的特征。
PA机构的力量和SM通常是小于一个单一的汽车，这意味着每一个PA和SM通常是同一个马达费用较低。
作为结果，DAU是成本高不了多少比单个电机。
第三个议题是其控制算法。
采用双电机并联的角色、PA和SMare分为位置控制和刚度调制。
因此，位置和刚度控制解耦控制，这意味着这个复杂的控制算法，在某种意义上，不到一个单个系统需要控制两种位置和刚度控制在一个相当复杂的状态。
第七章结论
提出了一种DAU，在这项研究中，使力和位置控制进行了同时为一个单一的关节。
通过一系列的实验位置跟踪性能的刚度变化、力估计，估计是调查、环境。
从这项研究中，以下的结论。
1）挣扎中的地位和力能控制的同时单个自由度联合利用的特征的行星齿轮火车。
2）施加的扭矩在联合的DAU，编码器可以预计的信息，而不用一个昂贵的力/力矩传感器。
可进行直接力控制利用估计了力及力矩平衡的信息。
3）间接力控制，如刚度控制和阻抗控制，可以实现利用DAU能估计系统的刚度和表面的环境。
本研究提出的在DAU中，可用于多种应用需要稳定的力控制，如手和脚的仿人形机器人。
REFERENCES
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[4]M.H.
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