機器人機電一體化設計中英文對照外文翻譯文獻機器人機電一體化設計中英文對照外文翻譯文獻(文檔含英文原文和中文翻譯)譯文：機器人系統的機電一體化設計1.1概述本文是研究一個試驗性協同工作機器人系統的機電一體化設計，內容包括：系統設計、實踐運用和檢驗。本研究工作運用了兩個主要的學科：它們是機器人社會工程框架的通用概念和操作自動移動多機器人合作系統的控制架構，這個原型的系統是由多個需要在液體環境中使用的移動機器人傳感器或制動器組成。

作為一個研究領域,多機器人合作系統是一個相對較新的科學領域。在先前研究移動機器人平臺和自治模型的基礎上，1980年代，官方授意了人工智能的代理人；在1990年代初，人們對多機器人系統的興趣開始成長并且迅速擴張。也許這個時間還沒有到來，或者技術方面還不成熟，但是到目前為止，尚未形成一個統一的來控制多機器人合作的控制架構或完善的理論。因此，這一領域一直是根據實踐來研究的。各種多機器人系統的潛在應用范圍是非常廣泛的，它們包括人們日常生活中的微制造業和遙遠的地球外的行星任務。全球領先的機器人實驗室和研究團體介紹了數十種方法作為多機器人合作系統的控制架構。盡管實際評價與各自的物理模型已經證明非常重要，許多推薦的系統仍僅或多或少地作為理論研究模型。在感知、通信、移動等方面還存在局限。機器人在正確動態的指令下仍出現犯錯的情況，這證明了許多好的想法在技術上不可行。機器人合作系統在科學和技術方面涵蓋了很大的范圍。為了給這些系統的某些關鍵領域命名，必須運用到自主運作、合作、自組織、分布式感知、分布式控制方面機器人的概念。可以看到,先進的多機器人系統正轉變為一個真正的多學科的研究領域。機器人的智能行為所需的特征都來于控制架構，這個控制構架已經理解為程序結構，而不是任何特定軟件的一部分。這個控制架構應該支持執行多個低端程序（如傳感器的采樣或通信），并且能執行高端的任務（如導航和性能的優化）。這個結構控制系統在一定程度上是可以通用的，但是輸入（傳感器）和輸出（執行機構）之間的連接將附加到應用程序。由于復雜的系統需求，在設計機器人的軟件和硬件之前，徹底的進行系統層面的分析和設計是一個重要的過程。因此，大量的注意力應該被放在用戶界面的實現和在系統設計階段的安全方面。機電一體化是實現機器人系統的一個重要技術。在這種背景下，機電一體化被人們理解為最智能和最先進的方法。現在先進的機電一體化技術集成了力學、電子和嵌入式軟件學知識。在很多情況下，由于集成設計，這些元素的功能不能再被分開。并且,機械、電子和軟件相互增強,價值大于他們獨自的總和。自主移動機器人是說明機電一體化設備先進性的說明例子。在整個論文里，技術簡化是另一個關鍵方面；在整個機電一體化設計過程中，盡管最大限度的減少和簡化步驟，但是具體的解決方案仍然沒有尋到。這個簡化方法的局限性可以通過機器人的合作來彌補。極簡的設計方案可以促進大規模生產的可靠。當1990年代早期多機器人的研究只是在小型自動化技術實驗室時，出現了各種測試多機器人合作和控制行為的平臺。在這種情況下，所謂的微型機器人系統的想法（在3.2節討論）是在機器人系統概念的基礎上發展的。第二年，也就是1994年，這些想法導致了一個研究項目的誕生，這些項目旨在建立一個完整的微型機器人操作演示系統來促進物理多機器人的研究。這個示范性系統由幾種合作機器人組成。因此，水下導彈機器人（智能水下測量球和驅動程序）是智能的，組成的水下機器人都包含內部3D監視和液體環境控制的移動自治傳感器、制動器。這些水下機器人都是嚴格遵守極簡的方法設計的，舉個例子，這方法導致機器人在這種狀況下欠缺可操作性和只有粗略的區域定位能力。在真實的應用中，這種水下炸彈類型的傳感器、制動器機器人可以增加過程儀表的標準,還可以作為在溢流過程中控制某些任務的自動化系統的一部分。在圖1.1中，為開發系統的主要功能特性說明，在圖中顯示的是物理模型微型機器人的運動情況。1.2研究動機和目的本論文研究背后的動機是研究、開發、和分析在一個新的環境下水下多機器人學術論文所需的技術。在水下炸彈機器人原型機電一體化的開發過程中，在聯合各種機器設備和智能儀器特征的情況下新的解決方案創新了出來。然而，終極目標是建立一系列水下炸彈機器人原型來確保實際的機器人研究與機器人系統在一個3D實驗測試環境中架構出來。研究工作為本論文進行了實踐研究并且提出一個實際工程的觀點。關于系統設計和機電一體化設計流程,特別是通過案例研究解決了以下的困難和問題:?創建一個在水下環境中工作的分布式機器人系統的最低限度前提是什么？?如何讓一個簡單的機器人變成一個能干的系統來應對復雜和多樣的任務??如何實現這些機器人的自組織和自優化結構??如何促進合作機器人之間的簡單交互??在通信結構中需要的機制是什么??什么是影響動態分布式多傳感器感知和機器人意識的因素?1.3論文的科學貢獻這篇論文的科學貢獻包括以下主題:?介紹了一個新穎的通過各種溢流過程來水下使用的移動機器人傳感器/致動器的概念。極簡主義的機電一體化結構和模塊化的水下炸彈機器人原型已經詳細描述了力學、電子和軟件方面的解決方案。也調查了相關技術和應用前景。?機器人系統作為一個系統性的框架來控制機器人合作任務已經制定了按配方制造的方法和提出了面向應用的工程觀點。?大量注意力應該放在實現復合系統上。作為這項研究工作的成果，這個模型系統對如何結合機器人技術和未來工業化液體監控3D處理系統的想法已經成熟。?獨特的水下導彈系統在實驗室的測試環境下進行了分析與廣泛的測試。系統是如何評價使用情況？哪里是仿真機器人執行的動態目標。機器人意識的發展和整個社會的集體意識也被在任務中研究。到目前為止，這是第一個分布式合作機器人系統在3D環境中的示范。1.4論文的大綱這篇論文的章節如下:第一章：簡介。一個簡短的對論文研究對象的介紹。第二章：自主機器人系統和移動儀器。各種機器人范疇，多機器人系統，和一些新方法為移動儀器相關論文的范圍進行了綜述。第三章：運用機器人系統的概念。在這一章,機器人系統及其控制的體系結構將作為工程概念被討論。實驗平臺,簡約的水下機器人，水下導彈將被介紹。第四章：機電一體化水下導彈機器人的結構。本章包含一個詳細描述和為水下導彈機器人開發進行的力學分析，電子處理，和軟件解決方案。第五章：水下導彈機器人系統的實驗。測試環境中，對任務的定義，實驗結果兩個實驗系列來進行功能驗證和對水下導彈系統的運作進行分析，這將在這一章節提到。在第一系列的實驗中，將進行分布式動態的搜索和摧毀目標的測試。第二個系列將分析在它們的使命中交流對機器人意識的發展。第六章：技術考慮。討論各種水下導彈機器人技術增強的可行性的以及對于這樣的機器人的潛在應用。第七章：結論。在這最后一章節對研究和結論進行了總結以及提出了對未來工作的建議。原文：MECHATRONICSDESIGNOFAROBOTSOCIETY1.1OverviewThisthesisdealswiththemechatronicsdesignofanexperimentalcooperativemulti-robotsystem,includingsystemsleveldesign,practicalimplementation,andtesting.Towmainsubjectsareintegratedintheresearchwork;thegenericconceptoftheRobotSocietyasanengineeringframeworkandcontrolarchitecturetocontrolanautonomouslyoperatingcooperativemobilemulti-robotsystem,andtheconstructedprototypesocietyconsistingofseveralmobilesensor/actuatorrobotsforsubmergeduseinaliquidenvironment.Asaresearchfield,cooperativemulti-robotsystemsisarelativelymewareaofscience.Basedonthepreviousresearchonmobileroboticplatformsandsimulatorstudiesonautonomous,AI-inspiredagentsinthe1980s,theinterestinmulti-robotsystemsstartedtogrowandexpandrapidlyatthebeginningofthe1990s.Maybethetimehasnotcomeyet,orthetechnologicalpremisesdonotexistyet,butatleastsofar,aunifiedorwell-establishedtheoryforacontrolarchitecturetocontrolacooperativemulti-robotmissionhasnotbeenformed.Therefore,researchinthisfieldhasbeenveryexperimentalbynature.Thescopeofpotentialapplicationsforvariousmulti-robotsystemsisenormouslywide,coveringdutiesfromeverydayhumanlifetomicro-scalemanufacturinganddistantextra-terrestrialplanetarymissions.Dozensofapproacheshavebeenintroducedbyleadingroboticslaboratoriesandresearchgroupsaroundtheworldascontrolarchitecturesforcooperativemulti-robotsystems.Manyoftheproposedsystemshaveremainedmoreorlessastheoreticalsimulatorstudiesonly,althoughpracticalevaluationwithrespectivephysicalembodimenthasprovenhighlyimportant.Practicallimitationsinperception,communication,mobility,etc.Encounteredbytherobotsinthedynamicreal-wordenvironmenthaveprovedmanygoodideastobetechnologicallyinfeasible.Cooperativemulti-robotsystemscoverawiderangeofscientificandtechnologicalaspects.Tonameafewkeyareasforthesesystems,theautonomousfunctioning,cooperation,self-organization,distributedperception,anddistributedcontrolofrobotshavetobementioned.Ascanbeseen,advancedmulti-robotsystemsturnoutasatrulymulti-disciplinaryresearcharea.Therequiredfeaturesfortheintelligentbehavioroftherobotsareallderivedfromthecontrolarchitecture,whichhastobeunderstoodratherasaprogramstructurethanasanyspecificpartofthesoftware.Thecontrolarchitectureshouldsupportparallelexecutionofseveralprogramprocessesatalowlevel(e.g.sensorsamplingorcommunication)andtasksatahighlevel(e.g.navigationoroptimizationofperformance).Thestructureofthecontrolarchitecturecanbegenericbynaturetoacertainextent,buttheconnectionstoinputs(sensors)andoutputs(actuators)attachthearchitecturetotheapplication.Duetothecomplexsystemrequirements,thoroughgoingsystemslevelanalysisanddesignisanessentialprocessbeforemovingontotheactualsoftwareandhardwaredesignoftherobots.Forexample,detailedattentionshouldbepaidtotheimplementationoftheuserinterfaceandsafetyfeaturesalreadyatthesystemsleveldesignphase.Mechatronicsisanessentialtechnologytotherealizationofaroboticsystem.Inthiscontext,mechatronicsisunderstoodinitsmostintelligentandadvancedmeaning.Today’sadvancedmechatronicsintegratesmechanics,electronics,andembeddedsoftware.Inmanycases,duetotheintegratednatureofthedesign,thefunctioningoftheseelementscannolongerbeclearlyseparated.Instead,mechanics,electronics,andsoftwareaugmenteachother,producingafunctionalvaluegreaterthantheirsumalone.Autonomousmobilerobotsareconcreteandillustrativeexamplesofadvancedmechatronicsdevices.Technologicalminimalismisanotherkeyaspectthroughoutthisthesis;concerningtheentiremechatronicsdesignprocess,maximallyreducedandsimplified,butstillfunctionalandrobustsolutionshavebeensought.Thelimitationsofthisminimalistapproacharecompensatedforwiththemultipleandcooperativeuseofrobots.Aminimalistdesignschemepromotesreliableandcost-effectivesolutionspreparedformassproduction.Whenmulti-robotresearchwasjustunderwayattheHUTAutomationTechnologyLaboratoryintheearly1990s,varioussuitableplatformswereconsideredtotesttheideasrelatedtocooperativemulti-robotbehaviorandcontrol.Inthiscontext,theideaoftheso-calledbacteriumrobotsociety(discussedinSection3.2)wasdevelopedbasedontheconceptoftheRobotSociety,see[Halmeetal.,1993].Inthefollowingyear,1994,thesethoughtsledtoaresearchproject,whichaimedatsettingupafullyoperationaldemonstrationsystemofabacteriumrobotsocietytoallowmulti-robotstudieswithphysicalrobots.Thedemonstrationsocietyconsistsofseveralcooperativerobotsmembers.ForthesepurposesSUBMAR(SmartUnderwaterBallforMeasurementandActuationRoutines)robotsweredeveloped.Thesearemobileautonomoussensor/actuatorplatformsintendedforthe3Dinternalmonitoringandcontrollingofliquidprocesses.Theseunderwaterrobotsaredesignedbystrictlyfollowingtheminimalistapproach,which,forinstance,resultsinunderactuatedmaneuverabilityandonlyrougharealpositioningcapabilitiesinthiscase.Inareal-worldapplication,theSUBMARtypeofsensor/actuatorrobotscouldaugmentstandardfixedprocessinstrumentationandasapartoftheautomationsystembycontrollingcertaintasksinflow-throughprocesses.InFigure1.1,themainfunctionalfeaturesofthedevelopedsystemareillustrated,whileFigureshowsthephysicalembodimentofthebacteriumrobotsocietyinaction.1.2MotivationandaimsforthestudyThemotivationforthestudybehindthisthesiswastoresearch,develop,andanalyzethetechnologyrequiredforthenovelbreedofmobileunderwaterrobotsalongwithmulti-robotstudiesinanewenvironment.InthemechatronicsdevelopmentprocessofSUBMARrobotprototypes,newsolutionswereinnovatedwhilecharacteristicsfromvarioustypesofroboticdevicesandintelligentinstrumentationwerecombined.However,theultimateaimwastosetupaprototypeseriesofSUBMARrobotstoenablepracticalmulti-robotstudieswithRobotSocietyarchitectureina3Dlaboratorytestenvironment.Researchworkforthisthesishasbeencarriedoutasahands-onstudytopresentapracticalengineeringpointofviewonthesubject.Concerningthesystemsdesignandmechatronicsdesignprocesses,thefollowingproblemsandquestionsinparticularhavebeenaddressedbymeansofacasestudy:?Whatarethetechnologicalpremisesforaminimalistapproachtocreateadistributedroboticsysteminanunderwaterenvironment??Howcansimplerobotunitsbeturnedintoasystemcapableofcopingwithcomplexmissionsandmulti-tasking??Howtoimplementtheself-organizingandself-optimizingstructuresoftheserobots??Howtopromotecooperationinsimpleinteractionsbetweenrobots??Whatmechanismsareneededinthecommunicationstructure??Whatfactorsaffectthedynamicsofthedistributedmulti-sensorperceptionandrobotconsciousness?1.3ScientificcontributionofthedissertationThescientificcontributionofthisdissertationconsistsofthefollowingthemes:?Anovelmobilesensor/actuatorrobot-conceptforthesubmergeduseofvariousliquidflow-throughprocesseshasbeenintroduced.ThemechatronicsstructureofminimalistandmodularSUBMARrobotprototypeshasbeendescribedindetailincludingmechanics,electronics,andsoftwaresolutions.Relatedtechnologyandpotentialapplicationshavealsobeensurveyed.?TheconceptoftheRobotSocietyasasystems-levelframeworktocontrolamulti-robotmissionhasbeenformulatedandpresentedfromanapplication-orientedengineeringpointofview.?Agreatdealofattentionwasgiventothepracticalimplementationofthecomplexsystem.Asaresultofthisresearchwork,theprototypesystemhasmaturedyieldingideasonhowtocombineroboticsandtheprocessindustryinautomationsystemsmonitoringliquidprocessesin3D,inthefuture.?ThefunctioningoftheuniqueSUBMARsocietywasanalyzedwithextensivetestingwiththeactualrobotsinalaboratorytestenvironment.Theperformanceofthesystemwasevaluatedusinga?searchanddestroy??typeoftask,wheretherobotsperformedagainstemulateddynamictargets.Thedevelopmentofrobotconsciousnessandthecollectiveconsciousnessofthewholesocietywasalsostudiedduringthetaskexecution.Asfarasisknown,thishasbeenthefirstdistributedandcooperativemulti-robotsystemdemonstrationina3D-environment.1.4OutlineofthedissertationThechaptersofthisdissertationareorganizedasfollows:Chapter1:Introduction.Ashortintroductiontotheresearchsubjectsofthethesis.Chapter2:Autonomousroboticsystemsandmobileinstrumentation.Variousrobotcategories,multi-robo