董智軍

摘要：近年來，人工智能和移動機器人領域的快速發(fā)展帶來了越來越多的好處，大到無人駕駛車輛、醫(yī)療服務型機器人，小到智能手機、智能穿戴設備等都與人類生活息息相關。隨著科技進步和生產力的提高，在科研領域中多機器人協(xié)作已成為當今多智能體研究領域的熱點。相較于單一智能體系統(tǒng)，多智能體協(xié)作有著區(qū)域覆蓋面廣、環(huán)境適應性強、任務執(zhí)行率高等特點，在該領域中受到廣泛研究人員的青睞。在工業(yè)場景中，協(xié)作機器人正被用于制造業(yè)，例如移動機器人在物流倉庫中有序配送。盡管如此，機器人協(xié)作在民用領域中仍然存在著巨大的挑戰(zhàn)，例如，它們需要與人類進行交互并在未知環(huán)境中部署。在民用應用中，搜索與救援是一個關鍵場景，其中異構機器人的協(xié)作有可能通過更快的響應時間來拯救生命。在搜救（searchandrescue，SAR）行動中，多機器人協(xié)作也可以顯著提高搜救人員的效率，加快對受害者的搜索。首先，確定搜救范圍并利用無人機做初步探測，實時繪制環(huán)境地圖，同時對搜救行動進行實時監(jiān)測，或建立緊急情況下的通訊網(wǎng)絡，最后利用無人車進行路徑規(guī)劃、物資運載等。因此，異構機器人組合——UAV/UGV的空地協(xié)同系統(tǒng)能夠為搜救和探索行動提供更大的優(yōu)勢。

關鍵詞：協(xié)作機器人;空間展開機構;微重力裝配;測量輔助裝配

引言

目前，展開機構常用的重力卸載方法有氣浮支撐法、氣球吊掛法、導軌滑車吊掛法等。氣浮支撐法主要適用于展開軌跡復雜和展開空間較大的機構，其優(yōu)點是重力卸載效果好，不引入摩擦力，缺點是占用空間大，管路布局復雜。氣球吊掛法適用于展開機構較小，運動軌跡較短，重力相對較小的情況，優(yōu)點是系統(tǒng)搭建過程簡單方便，缺點是氣球穩(wěn)定性較差，因為受空氣阻力的影響，氣球運動較機構滯后，機構鎖定后氣球仍在晃動。導軌滑車吊掛法是目前應用最廣泛的重力卸載方式，適用范圍較廣，既可用于小型展開機構，也可用于中大型展開機構，其優(yōu)點是占用空間相對較小、操作簡便、技術成熟，缺點是引入了導軌滑車的摩擦力，卸載效率較低。

1.一體化關節(jié)模塊設計

一體化關節(jié)驅動機器人完成各種動作，是協(xié)作機器人的核心部件，一體化關節(jié)由永磁同步電機、諧波減速機、編碼器、驅動器及加工的殼體零件等集成，如圖4所示。協(xié)作機器人關節(jié)伺服系統(tǒng)采用包括位置、速度和電流在內的三環(huán)控制結構。能對電壓、電機電流、速度、轉子位置等進行檢測，具有過流、過欠壓、過速等故障報警功能，通過CAN總線與機器人控制器通訊，獲取上位機的控制指令，并上報系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)。

2.桁架鉸鏈空間位姿精確調整

桁架鉸鏈作為保證空間展開機構順利完成展開動作的關鍵核心組件，要求其在三個坐標軸方向上裝配位置偏差≤0.2mm。傳統(tǒng)的手工裝配方式在綜合考慮重力卸載和裝配精度的情況下需要反復調試，該過程費時費力，質量一致性難以保證。采用協(xié)作機器人輔助裝配的方式，可以提高裝配過程的自動化和智能化水平，但目前串聯(lián)式協(xié)作機器人的絕對定位精度普遍較低。采用的UR-5機器人，其重復定位精度為0.03mm，而其絕對定位精度約為2mm，因此無法直接用于空間展開機構桁架鉸鏈的裝配。為滿足裝配精度要求，有必要對桁架鉸鏈的位姿偏差進行在線補償。具體為，構建協(xié)作機器人的運動學模型并對其求解，建立機器人空間位姿與6個關節(jié)變量的映射關系。通過激光跟蹤儀測量桁架鉸鏈特征點，解算出桁架鉸鏈的實時位姿。通過對比實時位姿與理論位姿，建立誤差模型并標定出機器人6個關節(jié)變量的誤差值，從而實現(xiàn)誤差的在線補償，最終達到桁架鉸鏈空間位姿精確調整的目的。

3.空地協(xié)作系統(tǒng)中各智能體的角色和作用

UAV和UGV的特性使二者具有很強的互補性，不同角色與功能的組合使這類空地協(xié)作系統(tǒng)更有前景?首先，在捕捉地面特征時（例如，移動的行人?障礙等），作為執(zhí)行器的UGV通常受到速度?環(huán)境遮擋及交通流等限制，而作為傳感器的UAV則能快速部署，尋找到目標?其次，由于無人機具有高空多自由度作業(yè)的優(yōu)勢，它們的通信能力（例如，北斗/GNSS準確定位?低延時的視頻或數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋┍萓GV更難被障礙物阻斷，而UGV受到周圍較高建筑物的影響，容易丟失外部定位信號，也會因自身較低的高度丟失定位信號?因此，位于不同位置的UAV可以作為通信橋梁將UGV與自身間接聯(lián)系起來，確定UGV在真實環(huán)境下的定位?再次，由于自身能量的限制，UAV僅能執(zhí)行短途航行等任務，而作為載體的UGV則具有較大的載荷能力

4.傳感器設計的應用

為最大程度減小關節(jié)尺寸，降低關節(jié)整體質量，采用一體化設計理念，將關節(jié)輸出軸與傳感器設計為一體。扭矩傳感器的內輪緣與諧波減速器的輸出端柔輪通過諧波壓圈螺栓連接，扭矩傳感器的外輪緣與軸承基座連接，傳感器的末端與絕對值編碼器轉子連接，便于對關節(jié)進行位置控制;同時，采用交叉滾子軸承進行支撐，有效避免軸向力與徑向力對扭矩傳感器的干擾，提高傳感器測量的準確性與可靠性;最后通過輸出轉接件將運動傳遞至下一關節(jié)。基于一體化設計理念，利用輸出軸設計了一款針對新型協(xié)作機器人關節(jié)的扭矩傳感器，未增加關節(jié)尺寸。對傳感器彈性體建立了力學模型、數(shù)學優(yōu)化模型、三維仿真模型，利用響應面法對傳感器結構參數(shù)進行了優(yōu)化，從而提高傳感器的靈敏度，確保足夠的安全性。結果驗證，優(yōu)化效果可靠性比較高，傳感器擬合線性度誤差0.75%，滿量程時粘貼區(qū)域平均應變?yōu)?159×10-6，安全裕度2.5。同時，本文所采用的分析與優(yōu)化方法也適用于其他尺寸和類型的傳感器。

5.柔性協(xié)作機器人的應用

柔性協(xié)作機器人要考慮現(xiàn)實生產作業(yè)環(huán)境，因此必須是一個支持數(shù)據(jù)傳遞與人機配合的環(huán)境，也因此柔性協(xié)作機器人與傳統(tǒng)協(xié)作機器人的設計初始思路便截然不同，前者的設計不能僅考慮動力學、機械設計，還要加入人機配合設計、安全性設計、動力感知，以及一些情感化行為等方面的設計。在柔性機器人的制作過程中，珞石采用了虛擬樣機仿真平臺，將機械臂放入虛擬樣機，通過控制器可以看到機器人鋼體，在柔性協(xié)作的環(huán)境下，給機器一些模擬的力的感知與視覺感知，觀察機械臂在場景中如何運動。通過虛擬樣機仿真平臺，可以大幅降低試制成本，加速機器人的開發(fā)周期。另外，還有熱仿真分析平臺，為了避免機器人運動過熱造成機器人故障以及性能下降等問題，加強機器人對環(huán)境溫度的適應性，熱仿真分析平臺可以仿真優(yōu)化機器人散熱與極限運行工況，通過熱仿真分析，為機器人及控制柜提供溫度解決方案前期驗證。

結束語

著眼于協(xié)作帶電操作機器人的廣泛應用需求，本文將協(xié)作機器人應用于高壓帶電操作中，實現(xiàn)了機器人伺服電機、減速器、控制器、操作系統(tǒng)等全部核心部件和關鍵技術的自主可控，通過機器人性能測試，現(xiàn)場高壓帶電作業(yè)試驗，驗證了機器人的各項性能完全滿足高壓帶電操作機器人的要求，為高壓帶電操作機器人的推廣和應用打下了堅實的基礎。

參考文獻：

[1]楊鋒，胡逸波，劉貢平，韓冰，方強，魏燕定.基于協(xié)作機器人的飛機總裝駕駛方向盤操縱曲線測試[J].科學技術與工程，2021，21（15）：6506-6512.

[2]侯志剛，張云海，胡斌，方寶晟，徐從旺，崔華飛.協(xié)作機器人抓握式柔性夾持器設計[J].現(xiàn)代制造工程，2021（05）：47-52.

[3]王暢，王國輝，施智平，關永，張倩穎，邵振洲.協(xié)作機器人逆運動學形式化建模與驗證[J].小型微型計算機系統(tǒng)，2021，42（07）：1353-1359.

[4]譚東旭.基于仿生行為的多水下機器人自主協(xié)作策略[D].沈陽理工大學，2021.

[5]黃玉林，陳乃建，范振，張來偉.基于人機協(xié)作的機器人柔順示教及再現(xiàn)[J].濟南大學學報（自然科學版），2021，35（02）：108-114.