王志強(qiáng)

摘要：雙臂工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)日趨復(fù)雜化、智能化背景下的主流發(fā)展趨勢(shì)，實(shí)用價(jià)值較為突出。文章以雙臂工業(yè)機(jī)器人為例，闡述了雙臂工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，論述了雙臂工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃方案，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。得出：所設(shè)計(jì)的雙臂機(jī)器人協(xié)作配合默契，可以滿足復(fù)雜工業(yè)生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：雙臂工業(yè)機(jī)器人;C空間;機(jī)械臂

前言：

當(dāng)前，工業(yè)機(jī)器人在醫(yī)學(xué)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域均發(fā)揮著顯著的作用。在各行業(yè)生產(chǎn)要求持續(xù)提升的背景下，工業(yè)機(jī)器人面臨的工作環(huán)境日益復(fù)雜，而現(xiàn)有單臂工業(yè)機(jī)器人無(wú)法達(dá)到復(fù)雜作業(yè)要求。因此，探討雙臂工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常突出的現(xiàn)實(shí)意義。

一、雙臂工業(yè)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙臂工業(yè)機(jī)器人的每一個(gè)機(jī)械臂由若干個(gè)緊湊的機(jī)械臂關(guān)節(jié)構(gòu)成，每一個(gè)機(jī)械臂關(guān)節(jié)則由1個(gè)結(jié)構(gòu)殼體、1個(gè)一體化關(guān)節(jié)組成[1]。具體如下：

如圖1所示，每一個(gè)關(guān)節(jié)均與電機(jī)相對(duì)應(yīng)，關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2、關(guān)節(jié)3、關(guān)節(jié)4為一體化關(guān)節(jié)，主要為中空結(jié)構(gòu)（螺釘+波發(fā)生器+減速器本體+密封圈裝+電機(jī)+螺釘+密封圈），中間預(yù)留空腔可以為機(jī)械臂電纜穿越提供空間，電纜結(jié)構(gòu)被大大簡(jiǎn)化，線纜、氣管穿越效率較高;而關(guān)節(jié)5、關(guān)節(jié)6則為差速機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，外形、尺寸與人外形類似，主要利用1根實(shí)心軸+2根空心軸完成傳動(dòng)任務(wù)，其中關(guān)節(jié)6運(yùn)動(dòng)由電機(jī)6控制，關(guān)節(jié)5運(yùn)動(dòng)則由電機(jī)6和電機(jī)5聯(lián)動(dòng)控制。

二、雙臂工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

1、建立C空間關(guān)鍵區(qū)域

C空間又可稱之為構(gòu)形空間，是運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)固定障礙物無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃首選方法。因現(xiàn)有雙臂工業(yè)機(jī)器人算法中對(duì)于左臂、右臂運(yùn)動(dòng)優(yōu)先級(jí)別規(guī)定無(wú)差異，即兩者均可根據(jù)任務(wù)要求在對(duì)應(yīng)的構(gòu)形空間內(nèi)完成無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。因此，可以將左臂的構(gòu)形空間構(gòu)建作為第一步。即選擇左臂的2個(gè)關(guān)節(jié)角，進(jìn)行左臂構(gòu)形空間2個(gè)坐標(biāo)變量的設(shè)置，同時(shí)將關(guān)節(jié)角取值范圍控制在0～2π之間，此時(shí)，左臂的C空間就是一個(gè)正方形，正方形的邊長(zhǎng)為2π。同理，可以進(jìn)行右臂構(gòu)形空間的構(gòu)建。同時(shí)考慮到構(gòu)形空間基礎(chǔ)上的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法表示為離線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法，無(wú)法滿足雙臂工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃需求，且在每一步機(jī)器人以最新位置反饋信息為依據(jù)進(jìn)行障礙物空間、自由空間重新構(gòu)建時(shí)所需運(yùn)算量較大。因此，可以引入構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域概念，即選擇構(gòu)形空間內(nèi)可以為雙臂工業(yè)機(jī)器人手臂在時(shí)間片tcycle內(nèi)到達(dá)的位置姿態(tài)的集合。此時(shí)，左臂在時(shí)刻t時(shí)的構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域表示為：

-1中，C左t，tcycle為左臂構(gòu)形空間關(guān)鍵 左2、 左1分別為左臂的兩個(gè)關(guān)鍵角; 左1'與 左2'、 左1"與 左2"分別為障礙物空間、自由空間左臂關(guān)鍵角。障礙物空間特指構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)工業(yè)機(jī)器人左臂不可達(dá)的位置姿態(tài)集合;自由空間則指構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)工業(yè)機(jī)器人左臂可達(dá)的位置姿態(tài)集合。同理可以進(jìn)行雙臂工業(yè)機(jī)器人右臂構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域的構(gòu)建，將機(jī)器人左臂與右臂實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)空間規(guī)劃轉(zhuǎn)化為構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域的實(shí)時(shí)構(gòu)建以及自由部分路徑搜索，順利完成雙臂工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃任務(wù)

2、實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃

在構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域構(gòu)建的基礎(chǔ)上，利用局部算法，結(jié)合運(yùn)動(dòng)目標(biāo)概念，綜合考慮雙臂工業(yè)機(jī)器人左臂末端當(dāng)前位置與目標(biāo)位置、右臂末端當(dāng)前位置與目標(biāo)位置，求解左臂與右臂構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域自由部分，將雙臂工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)化為工業(yè)機(jī)器人左臂、右臂在求得的自由部分依據(jù)特定目標(biāo)函數(shù)選取一定位置姿態(tài)作為下一個(gè)時(shí)間片段的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)[2]。同時(shí)考慮到右臂目標(biāo)函數(shù)為雙臂工業(yè)機(jī)器人右臂在位置姿態(tài)處手臂末端、右臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)存在的歐式距離處于較小數(shù)值，可以將每一個(gè)時(shí)間片段內(nèi)雙臂工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為4個(gè)環(huán)節(jié)。具體為：

第一步，選取右臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，以右臂末端當(dāng)前位置與目標(biāo)位置連線穿越左臂為節(jié)點(diǎn)，將左臂末端視為右臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，若兩者連線未穿越左臂，則右臂當(dāng)前運(yùn)動(dòng)目標(biāo)為右臂末端目標(biāo)位置。

第二步，進(jìn)行右臂構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域構(gòu)建。面向時(shí)間片段tcycle，利用右臂到達(dá)概率較高的幾個(gè)位置姿態(tài)P，進(jìn)行右臂構(gòu)形空間關(guān)鍵區(qū)域自由部分、障礙物部分的建立。

第三步，選擇右臂下一個(gè)時(shí)間段的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，進(jìn)行右臂目標(biāo)函數(shù)位置姿態(tài)構(gòu)建。

第四步，重復(fù)第一步、第二步、第三步，直到右臂運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)位置姿態(tài)。雙臂機(jī)器人左臂的實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與右臂相同。

三、雙臂工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真及結(jié)果

1、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

為了判定前期雙臂工業(yè)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃準(zhǔn)確性，利用Adams軟件，進(jìn)行雙臂工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[3]。即在Adams軟件內(nèi)，導(dǎo)入三維建模內(nèi)建立的機(jī)器人模型，并進(jìn)行材料屬性、關(guān)節(jié)約束條件、驅(qū)動(dòng)（源于MatlabRoboticsToolbox工具箱內(nèi)關(guān)節(jié)角度驅(qū)動(dòng)用TestData、Spline函數(shù)）地逐一添加。同時(shí)進(jìn)行仿真步數(shù)、仿真時(shí)間設(shè)置，分別為5000步、3.0s，設(shè)置完畢后進(jìn)行仿真。

2、仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，打開PostProcessor，觀察大小臂、末端關(guān)節(jié)仿真后得出的關(guān)節(jié)位置力矩、末端機(jī)構(gòu)滑動(dòng)力矩，判定給定路徑關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)是否存在碰撞或桿件干涉。得出結(jié)果如下：

總結(jié)：

綜上所述，作為一種新型裝配機(jī)器人，雙臂機(jī)器人可以滿足復(fù)雜裝配任務(wù)，但仍然存在無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃難題。因此，在合理設(shè)計(jì)雙臂工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，應(yīng)以雙臂機(jī)器人無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃為重點(diǎn)，在C空間建立的基礎(chǔ)上，完成雙臂機(jī)器人的實(shí)時(shí)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。并對(duì)雙臂機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，保證雙臂工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制精確性，為雙臂機(jī)器人應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)展提供依據(jù)。

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