朱雅喬

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津　300350）

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核電站水下機(jī)器人抓取規(guī)則研究

朱雅喬

（天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津300350）

針對(duì)核電站水下機(jī)器人機(jī)械手抓取難點(diǎn)，綜合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究，探討并制定了機(jī)械手的抓取規(guī)則。抓取規(guī)則很好地克服了抓取過(guò)程中存在的難點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該方法的理論意義及其應(yīng)用價(jià)值。

水下機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)學(xué)；抓取規(guī)則

核電站水下機(jī)器人需要完成異物抓取任務(wù)，由于核環(huán)境的特殊性，抓取可靠性至關(guān)重要。本文綜合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的研究，探討并制定機(jī)械手的抓取規(guī)則。抓取規(guī)則很好地克服了抓取過(guò)程中存在的難點(diǎn)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明了規(guī)則的理論意義及其應(yīng)用價(jià)值。

一、核電站水下機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

核電站水下機(jī)器人由四自由度機(jī)械手固定在一個(gè)移動(dòng)本體上構(gòu)成，本文建立了核電站水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，獲得了四自由度機(jī)械手末端與機(jī)械手各關(guān)節(jié)角及移動(dòng)本體轉(zhuǎn)角的關(guān)系，以及核電站水下機(jī)器人的最優(yōu)位姿，為抓取規(guī)則制定打下基礎(chǔ)。

在建立核電站水下爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型前，作如下假設(shè)［1］：

（1）移動(dòng)本體只在二維空間內(nèi)移動(dòng)；

（2）移動(dòng)本體車輪與地面為點(diǎn)接觸，且為純滾動(dòng)，不存在滑動(dòng)；

（3）四自由度機(jī)械手剛性固聯(lián)在移動(dòng)本體上；

圖1為核電站水下爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。如圖所示，移動(dòng)本體質(zhì)心——I；兩后輪中點(diǎn)——P；四自由度機(jī)械手末端點(diǎn)——E；固聯(lián)點(diǎn)——F；P點(diǎn)與質(zhì)心I之間的距離——IL；I與點(diǎn)F之間的距離——FL；左右兩側(cè)輪之間的距離——2b；輪子半徑——r；平臺(tái)導(dǎo)向角——pθ，；左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角——Lθ；右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)角——Rθ。

圖1　核電站水下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

兩后輪中心點(diǎn)P與驅(qū)動(dòng)輪的線速度關(guān)系為（1V為左側(cè)驅(qū)動(dòng)輪線速度；2V為右側(cè)驅(qū)動(dòng)輪線速度；pV為P點(diǎn)線速度）：

坐標(biāo)軸上P的速度為：

整理式（1）～（5）得：

同理式（5），IV分解為：

對(duì)式（7）化簡(jiǎn)，得到：

由圖1可知，點(diǎn)F與點(diǎn)I在坐標(biāo)系中的位置關(guān)為：

系

對(duì)式（9）進(jìn)行求導(dǎo)變換，得到：

由式（5）、式（6）、式（7）、式（10），整理：得

由式（11），得到：

對(duì)式（12）進(jìn)行求導(dǎo)變換，得到點(diǎn)E與點(diǎn)F三個(gè)方向的線速度關(guān)系：

對(duì)式（13）進(jìn)行變換整理，得到其矩陣表示：

式中，

對(duì)式（14）進(jìn)行整理，得：

在理想情況下，可以認(rèn)為移動(dòng)本體轉(zhuǎn)向是點(diǎn)P繞中心軸的旋轉(zhuǎn)，視為由于左右兩側(cè)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的速度差，實(shí)現(xiàn)本體的轉(zhuǎn)向。因此，式（15）反映了四自由度機(jī)械手末端E、機(jī)械手與移動(dòng)本體固聯(lián)點(diǎn)F的速度與機(jī)器人各關(guān)節(jié)角以及移動(dòng)本體轉(zhuǎn)角的速度關(guān)系。

二、機(jī)器人的操作性能分析

采用可操作度［2］來(lái)描述該機(jī)器人的靈活性，分析機(jī)器人整體的操作度，得到機(jī)器人的最優(yōu)構(gòu)形。

采用Matlab推導(dǎo)了核電站水下爬行機(jī)器人操作度，將符合要求的轉(zhuǎn)角代入式，求得不同位姿下的操作度。 θ

°時(shí)，移動(dòng)本體改變四自由度機(jī)械手末端位姿的能力最大。為簡(jiǎn)化計(jì)算，只取2θ、3θ兩個(gè)變量，每次以微小數(shù)值進(jìn)行變化，記錄可操作度數(shù)值，得到核電站水下爬行機(jī)器人可操作度分布，如圖2所示。時(shí)，核電站水下爬行機(jī)器人出現(xiàn)最優(yōu)位姿。此位形是核電站水下爬行機(jī)器人空間最優(yōu)位姿，若考慮機(jī)器人抓取時(shí)，只需求取地面位姿即可。在機(jī)器人工作時(shí)應(yīng)首先保證機(jī)器人不出現(xiàn)操作度為0的情況，其次應(yīng)使機(jī)器人處于操作度大的位姿，便于控制、規(guī)劃。

圖2　　核電站水下機(jī)器人可操作度分布

三、核電站水下機(jī)器人的抓取規(guī)則

1.機(jī)械手抓取可操作性分析

機(jī)械手完成抓取任務(wù)還需要將機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)傳遞給所抓物體。這個(gè)指標(biāo)反映了機(jī)械手的靈活程度，本文通過(guò)可操作度來(lái)描述。10θ°=時(shí)移動(dòng)本體改變四自由度機(jī)械手末端位姿的能力最大，通過(guò)對(duì)預(yù)抓取平面和預(yù)放置平面的操作度尋優(yōu)，找到此時(shí)的位形即為最優(yōu)預(yù)抓?。ǚ胖茫┪恍?。設(shè)距地面30mm的平面為預(yù)抓取平面，得到10θ°=，操作度變化曲線如圖3所示：

圖3　　預(yù)抓取平面操作度變化曲線

圖4　　預(yù)放置平面操作度變化曲線

θ2=-11.3°，θ3=156.85°時(shí)機(jī)械手在預(yù)抓取平面獲得最優(yōu)位姿。同理如圖 4得到 θ2=-53.54°，θ3=-117.04°時(shí)機(jī)械手在預(yù)放置平面獲得最優(yōu)位姿。核電站水下機(jī)器人需要完成形狀規(guī)則、重量輕的物體抓取任務(wù)，應(yīng)該考慮機(jī)械手運(yùn)動(dòng)的傳遞。

2.機(jī)械手夾持力分析

機(jī)械手手爪夾緊力計(jì)算公式為［3］：

式中：

K——安全系數(shù)，通常取1.2～2

K2——?jiǎng)虞d系數(shù)，K2=1+a/g ，a為夾持異物在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的加速度，g為重力加速度

K3——方位系數(shù)，手爪夾持過(guò)程中的不同方位影響系數(shù)

G——工件重量

3.核電站水下機(jī)器人的抓取規(guī)則

（1）保證機(jī)械手在抓取平面抓取可操作度大，便于機(jī)械手向物體傳遞運(yùn)動(dòng)；

（2）保證機(jī)械手對(duì)稱開合，且兩指對(duì)稱開合與物體接觸點(diǎn)距離重心近，便于提高抓取成功率；

（3）保證抓取夾持力大于式（16）得出的所需最小夾持力，便于控制系統(tǒng)對(duì)于夾持力的控制；

（4）保證規(guī)劃路徑中機(jī)械手不出現(xiàn)奇異位形，避免造成控制復(fù)雜化，引起失控。機(jī)械手軌跡規(guī)劃及其位形顯示如圖5所示。

圖5　機(jī)械手軌跡規(guī)劃及其位形顯示

（5）保證機(jī)械手與物體一起運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物體不會(huì)發(fā)生掉落。從式（16）中知，需要對(duì)2K系數(shù)中的加速度a進(jìn)行約束。本文通過(guò)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行軌跡規(guī)劃，調(diào)節(jié)各路徑點(diǎn)的到達(dá)時(shí)間，保證各關(guān)節(jié)輸出轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，找出運(yùn)動(dòng)規(guī)劃過(guò)程的maxa，將其帶入式（16），結(jié)合方位系數(shù)得到機(jī)械手運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的夾持力。如圖6-11表示了規(guī)劃中的軌跡，關(guān)節(jié)輸出力矩以及末端速度、加速度情況。

圖6　末端運(yùn)動(dòng)軌跡

圖7　末端位置

圖8　空氣關(guān)節(jié)力矩

圖9　靜水關(guān)節(jié)力矩

圖10　攪水關(guān)節(jié)力矩

圖11　末端速度加速度

四、抓取實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證抓取規(guī)則是否對(duì)抓取成功率和抓取效率起到提高作用，采用質(zhì)量約1.5kg的膠質(zhì)木棒小錘作為抓取異物，通過(guò)機(jī)器人在環(huán)境中自由抓取與按抓取模式下抓取規(guī)則指導(dǎo)抓取進(jìn)行比較。

圖12　核電站水下機(jī)器人自由抓取

圖12所示機(jī)器人進(jìn)行自由抓取。借助視覺(jué)幫助，機(jī)械手抓取一次用時(shí)約6-7分鐘，平均試抓3次才能將異物抓取。

圖13　核電站水下爬行機(jī)器人指導(dǎo)抓取

圖13所示機(jī)器人進(jìn)行指導(dǎo)抓取。機(jī)器人通過(guò)超聲測(cè)距傳感器將移動(dòng)本體運(yùn)動(dòng)到機(jī)械手可抓范圍內(nèi)，移動(dòng)本體位置使機(jī)器人距異物達(dá)到指定距離，張開手爪，快速將機(jī)器人進(jìn)入預(yù)抓取模式，借助視覺(jué)幫助測(cè)定質(zhì)心位置，虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)計(jì)算軌跡以及夾持力大小并傳輸給控制系統(tǒng)，機(jī)械手進(jìn)入抓取模式，一次抓取用時(shí)不到2分鐘，1次就能抓取成功。

五、結(jié)論

本文綜合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及機(jī)械手軌跡規(guī)劃的研究成果，制定了機(jī)械手抓取規(guī)則，從抓取實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，自由抓取與操作人員的熟練程度有很大關(guān)系，而抓取規(guī)則指導(dǎo)抓取對(duì)提高機(jī)器人抓取效率和成功率都有很大幫助。

［1］胡坤.移動(dòng)機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真［D］.天津：河北工業(yè)大學(xué)，2006.

［2］Yoshikawa J.Manipulability of Robotic Mechanisms［J］.Int J.Robotics Research，1987，4（2）：3-9.

［3］李向陽(yáng)，楊桂茂，安永辰.夾鉗式手部力分析及實(shí)驗(yàn)研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1985（A6）：18-21.

Research on Underwater Robot Grasp Rules in Nuclear Power Plant

ZHU Ya-qiao

(Tianjin Sino-German Vocational Technology College, Tianjin 300350, China)

According to underwater robot grasp difficulties in nuclear power plants，kinematic analysis of robot and manipulator grasp mode are explored and developed.Grasp rules can overcome the difficulties existing in the process of grasping.By grasping experiments，the robot is analyzed about how to complete grasp tasks more effectively.

underwater robot；kinematic；grasp rules（責(zé)任編輯 李建武）

TP242

A

1008—6129（2016）01—0068—05

2015—12—11

朱雅喬（1989—），天津人，天津中德職業(yè)技術(shù)學(xué)院航空航天與汽車學(xué)院，助教。