陳佳文，蘇齊光，王　卓

（重慶大學，重慶　400044）

引言

機械臂是一款囊括了可執(zhí)行結(jié)構(gòu)的機械裝置，存在的主要問題資源：其一，通常狀況下，借助若干關(guān)節(jié)連接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對精巧不易在短時間內(nèi)掌握；其二，在加工過程中，零配件購置成本非常高，且部件打磨精度難以實現(xiàn)；其三，針對民用的機器臂少之又少，加之需要雙臂操作就更加難得一見。

在現(xiàn)有的機械臂設(shè)計中，比較有代表性的是一款專利號為201620105515.2的機械臂。借助平行四邊形和杠桿原理，以追求高穩(wěn)定性和可靠性為目標，該方案將第一連接臂、第二連接臂、驅(qū)動第一連接臂和第二連接臂運動的驅(qū)動機構(gòu)以及底座組件等部位的設(shè)計進行了有效的簡化，大體上使其結(jié)構(gòu)簡單明了；但該方案的劣勢也非常明顯：其結(jié)構(gòu)限制了工作自由度數(shù)量、工作范圍十分有限、缺乏擬人型的基礎(chǔ)、不適用于多用途民用機械臂的使用要求。

因此，本文以面向民用多用途為目標，借助微電機驅(qū)動提高了其運動靈活性能，設(shè)計為可視化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有利于多用途場景的機械臂二次開發(fā)，引進了開源控制系統(tǒng)代碼有原則地避開了發(fā)明專利版權(quán)的限制，設(shè)計出一款囊括了雙臂能力和雙目視系統(tǒng)的雙臂仿人機械臂。這種新的機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路是一款使用簡單、適用范圍廣的桌面級機械臂方案，使該技術(shù)從工業(yè)領(lǐng)域延伸到民用領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上有力地增強了面向民用型擬人型機器人的工業(yè)化，延伸了面向民用型擬人型機器人的工業(yè)轉(zhuǎn)民用水平，有效地改良面向民用型擬人型機器人結(jié)構(gòu)[1]。

1　主要研究內(nèi)容

1.1　機械臂機械傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

如圖1所示，該圖展示的是一款雙臂機械臂的設(shè)計整體示意圖。圖中代碼意義為：1、5、9是雙臂機械臂的轉(zhuǎn)動腰座部位，2、6是雙臂機械臂的大臂部位，3、7是雙臂機械臂的小臂部位，4、8是雙臂機械臂的機械爪部位，10是雙臂機械臂的底座和若干電機部位。該機械臂為開鏈11自由度結(jié)構(gòu)，11個自由度包括轉(zhuǎn)動腰座1、5、9的轉(zhuǎn)動，大臂2、6的擺動，小臂3、7的擺動，機械爪4、8的轉(zhuǎn)動和夾取。大臂2一端連接到轉(zhuǎn)動腰座1，另一端連接到小臂3，小臂3末端連接機械爪。根據(jù)圖3和圖4機構(gòu)運動簡圖，大臂和小臂分別由若干平行四邊形結(jié)構(gòu)組成，通過相關(guān)原動件轉(zhuǎn)動帶動大臂和小臂做相應(yīng)的運動。

圖1　雙臂機械臂示意圖

如下頁圖2所示，機架23通過兩個螺絲固連于底座平面。根據(jù)平行四邊形機構(gòu)運動性質(zhì)可知，由于桿件23//桿件24，桿件24、25在同一三角構(gòu)件上，因此構(gòu)件24、25相對角度不變；桿件24//桿件33，在原動件22轉(zhuǎn)動的過程中，末端機構(gòu)33相對地面的角度始終保持不變。本方案采用的末端保持結(jié)構(gòu)弱化了六軸機械臂復(fù)雜的運動構(gòu)造所帶來的繁瑣的運動控制過程，創(chuàng)造性地將大臂小臂之間的運動提取出來單獨控制，達到了將結(jié)構(gòu)化繁為簡的目的。

圖2　末端保持結(jié)構(gòu)機械臂

圖3　小臂設(shè)計示意圖

如下頁圖3所示，在桿件23//桿件34作用下，原動件25與桿件34在平行四邊形機構(gòu)運動性質(zhì)作用下具有了同角速度。與常見的六軸機械臂將大臂、小臂轉(zhuǎn)動的電機置于自身關(guān)節(jié)部位相比，本機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路下的機械臂控制大臂、小臂轉(zhuǎn)動的電機置于轉(zhuǎn)動腰部上方，較大程度地減輕了電機負擔。在相同轉(zhuǎn)矩條件下，本機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路下的裝置可以在抓取重量上限方面具有一定的優(yōu)勢[2]。

如圖4所示，舵機41通過聯(lián)軸器帶動機械爪的轉(zhuǎn)動，舵機42直接與機械爪的一指相連，在此基礎(chǔ)上帶動機械爪的夾取。

圖4　舵機示意圖

如圖5所示，步進電機轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸器92固連，聯(lián)軸器92又通過螺絲與底板93固連，底板93與轉(zhuǎn)動腰部中間通過推力軸承91保證兩者能相對轉(zhuǎn)動。這樣電機主軸保持相對靜止，通過電機主體部分帶動對稱板件94轉(zhuǎn)動，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)動腰部1、5與轉(zhuǎn)動腰部9結(jié)構(gòu)及原理一致。

1.2　嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人采用ARM（有時也可以通用Arduino）控制器，通過嵌入式的方式完成控制系統(tǒng)的設(shè)計。為突破現(xiàn)有專利版權(quán)的限制，本設(shè)計思路有別于常規(guī)方案，借助了大量開源代碼。通過視覺對目標位置的狀態(tài)提供準確的判斷，基于分層遞階控制的思想將雙處理器應(yīng)用于不同層次，分別實現(xiàn)雙臂協(xié)同運動規(guī)劃和雙臂運動的實時控制。本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人的控制結(jié)構(gòu)大體上包括兩部分：一方面，處理器整體上采用的是ARM9（有時也可以通用Cortex M3）；另一方面，在底層運動控制中，本設(shè)計采用的是Cortex M3或AVR微控制器作為輔助[3]。

1.3　Kinect視覺系統(tǒng)設(shè)計

應(yīng)用Kinect體感設(shè)備來實現(xiàn)人機交互，從而達到仿人目的。體感設(shè)備Kinect有左、中、右三個鏡頭，中間鏡頭是RGB彩色攝影機，用來采集彩色圖像；兩邊鏡頭則分別為紅外線發(fā)射器和紅外線CMOS攝影機所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，來采集深度數(shù)據(jù)，為實際意義上的“雙目”。應(yīng)用Kinect骨骼追蹤技術(shù)，建立人體各個關(guān)節(jié)坐標，可實現(xiàn)追蹤人體的20個關(guān)節(jié)的功能?？刂屏鞒虨椋篕inect與PC通過USB連接，由Kinect采集人體運動數(shù)據(jù)，機器人傳感器信號采集使用基于STM32的I/O板卡，mini computer接收無線模塊發(fā)過來的控制信息并執(zhí)行相應(yīng)指令，實現(xiàn)機器人全套動作控制。

2　本文機械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路的優(yōu)勢

雙手臂機械臂自由度多達11個。特別是為了減輕機械臂末端的重量，機械臂的電機大體上設(shè)計在機械臂的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)處，使得機械臂的機械結(jié)構(gòu)精巧，對傳動機構(gòu)的構(gòu)型與精度都要求較低。

雙機械臂本身囊括了雙機械臂協(xié)同工作特點，能實現(xiàn)更多的環(huán)境和工作需求。并且，改良后的結(jié)構(gòu)囊括了仿人性，更有利于民用多用途應(yīng)用環(huán)境的普遍應(yīng)用與接收。

本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人設(shè)計有一款雙臂協(xié)作的11自由度的桌面級機械臂方案，將常見的工業(yè)機器人技術(shù)轉(zhuǎn)向面向民用型擬人型機器人領(lǐng)域應(yīng)用，增強了面向民用型擬人型機器人的工業(yè)化，延伸了面向民用型擬人型機器人的工業(yè)轉(zhuǎn)民用水平[4]。

本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人設(shè)計有開源的雙臂雙目機器人方案，在特定條件下可以打破現(xiàn)有雙臂機器人的專利版權(quán)束縛，為多用途需求提供保障。

3　技術(shù)要點

為了使機械手臂能更加民用化，輕量化，本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人的微電機大體上安排在機械臂的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)處，使得機械臂的機械結(jié)構(gòu)精巧。在此基礎(chǔ)上減少了能量損失，能以較小的體積完成更重的工作要求。

為了更加適用于民用多用途應(yīng)用環(huán)境，本文設(shè)計的面向民用型擬人型機器人囊括了具有一定水準的仿人性，其囊括了雙臂，雙手，單腰結(jié)構(gòu)，能普遍適用于各種民用環(huán)境。

4　結(jié)語

以設(shè)計一款面向多用途的民用桌面型仿人機器人為前提條件，本文設(shè)計了一款囊括了雙臂型協(xié)同作業(yè)能力和視覺識別能力的雙目雙臂仿人機械臂。圍繞其機械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動及雙目型視覺系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容包括三點：一是囊括了多傳動方式、內(nèi)部可見的雙五自由度機械臂結(jié)構(gòu)安排；二是雙機械臂嵌入式控制系統(tǒng)及雙臂協(xié)同控制技術(shù)研究；三是雙目視覺系統(tǒng)安排與搭建。

[1]李賀立，楊冬，楊德志.雙臂機器人避關(guān)節(jié)極限與避奇異位形改良研究[J].科學技術(shù)與工程，2017（3）：98-104.

[2]張波，陳丹惠，陳儉.雙臂機器人多功能欠驅(qū)動手爪的研制[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（1）：69-70.

[3]周彤彤，劉更謙，李浩源.基于Kinect的雙臂機器人動作模擬與軌跡規(guī)劃[J].科學技術(shù)與工程，2017（7）：58-62.

[4]倪文彬，楊偉超.一款雙臂機器人離線運動規(guī)劃方法研究[J].制造技術(shù)與機床，2017（4）：5-28.