一種雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉先明

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳518055）

一種雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉先明

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳518055）

設(shè)計(jì)的雙臂機(jī)器人采用并行結(jié)構(gòu)方式，雙臂之間應(yīng)用錐齒輪傳動原理進(jìn)行雙臂切換，通過光學(xué)技術(shù)控制雙臂旋轉(zhuǎn)位置及機(jī)器人的尋跡，并在直流電機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的抓取、搬運(yùn)、尋線等作業(yè).抓取臂部采用新型的合金鋁材，并通過有限元法的分析，在臂部應(yīng)力集中部位實(shí)施加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)，不僅降低其運(yùn)動負(fù)載，優(yōu)化了轉(zhuǎn)動慣量，而且增強(qiáng)了剛性，雙臂采用滾動軸承支承，雙臂切換平穩(wěn)準(zhǔn)確.實(shí)驗(yàn)表明，該機(jī)器人性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)可靠， 簡單易行.

雙臂機(jī)器人；自動化；精確換位

國外對雙臂機(jī)器人的研究始于20世紀(jì)90年代初，主要體現(xiàn)在雙臂的運(yùn)動軌跡規(guī)劃、雙臂協(xié)調(diào)控制算法及操作力或力矩的控制等方面[1].國內(nèi)雙臂機(jī)器人的研究起步較晚，僅有兩三年的時間，受相關(guān)技術(shù)和研究條件的制約，主要涉及運(yùn)動軌跡規(guī)劃、動力學(xué)以及協(xié)調(diào)控制等方面.

本文研究一種適合在一個工位上可對不同工件轉(zhuǎn)換的雙臂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動軌跡規(guī)劃、雙臂協(xié)調(diào)控制及力矩操控.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙臂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)[2]，主要包括行走部件和手形部件及雙臂旋轉(zhuǎn)驅(qū)動部件.行走部件包括底盤及可驅(qū)動底盤組件，手形部件設(shè)置于升降架上，包括二組機(jī)械臂組件，機(jī)械臂組件交錯設(shè)置，雙臂可在180°范圍內(nèi)，以同心軸方式進(jìn)行交替旋轉(zhuǎn)，底盤配有尋線傳感器，在升降機(jī)構(gòu)的上方設(shè)置有顏色傳感器，在控制器和軟件的作用下，按照設(shè)置的運(yùn)動軌跡尋線驅(qū)動，到達(dá)指定位置時，可破壞對方已放的物料而替換成自己的，實(shí)現(xiàn)不同位置的抓取、裝配.

圖1 雙臂機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

1.1 雙臂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)

雙臂機(jī)器人整體結(jié)如圖1所示，主要包括電源系統(tǒng)、機(jī)械傳動系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、直流系統(tǒng)、步進(jìn)驅(qū)動系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng).其中電源系統(tǒng)提供電機(jī)所需能源驅(qū)動車載機(jī)構(gòu)[3]，實(shí)現(xiàn)底盤的車輪驅(qū)動，在尋線傳感器控制下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動軌跡的規(guī)劃，按照不同的戰(zhàn)略，機(jī)器人可在比賽場地背景上尋線，到達(dá)某個預(yù)期位置，在顏色傳感器識別下，搭建裝配或破壞對方已有物料.與單臂機(jī)構(gòu)比較，雙臂機(jī)構(gòu)功能更為強(qiáng)大，它一次可搬運(yùn) 2個模塊，節(jié)省搬運(yùn)的時間，在賽事中無疑是制勝關(guān)鍵技巧之一.雙臂機(jī)構(gòu)是由雙臂轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)90°換向，在尋線傳感器作用下尋跡，在顏色傳感器的作用下實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)位置的準(zhǔn)確定位，可按賽事規(guī)則預(yù)設(shè)置若干個戰(zhàn)術(shù)方案儲存到控制器中，在竟賽中可按對方的戰(zhàn)術(shù)選擇對應(yīng)的戰(zhàn)略方案獲取勝利.

1.2 雙臂

雙臂結(jié)構(gòu)圖如圖2所示，左夾持臂和右夾持臂的端部均連接有鋼絲繩，在電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)動軸，繩索隨著轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn).當(dāng)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動軸也將同步正向轉(zhuǎn)動，繩索將纏繞于轉(zhuǎn)動軸上，使左夾持臂和右夾持臂的后端被拉緊而相向靠攏，與此同時，左夾持臂和右夾持臂的前端將張開，以便于夾持物品.反之，電機(jī)反轉(zhuǎn)繩索隨轉(zhuǎn)軸反向旋轉(zhuǎn)，繩索松弛，左夾持臂和右夾持臂的前端在彈簧的作用下將閉合，實(shí)現(xiàn)對物品的抓取.另一機(jī)械臂與此相同.

圖3 為雙臂交錯結(jié)構(gòu)示意圖，本結(jié)構(gòu)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)雙臂的換向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并設(shè)有機(jī)械定位裝置和傳感器控制定位以實(shí)現(xiàn)精確的定位，提高換位精度和效率，雙臂機(jī)械手置于轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的上方.

1.3 底盤

底盤結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，底盤下方設(shè)置有車輪組件，包括2個萬向輪和2個驅(qū)動輪，底盤前方半圓弧部分是車載機(jī)構(gòu)到達(dá)目標(biāo)位置時導(dǎo)向.

底盤的下方安裝多個紅外傳感器和尋線傳感器及可分別控制左、右驅(qū)動輪的控制電路板，紅外線傳感器可對地面上的白色軌跡線進(jìn)行識別[2]，通過設(shè)置紅外傳感器，裝置通過讀取紅外傳感器反饋回來的信號，以判斷裝置前部的中心偏離白線的程度，而后查糾偏表得出左、右驅(qū)動輪的速度增量，使左、右驅(qū)動輪在糾偏時轉(zhuǎn)速逼近理想控制曲線，來實(shí)現(xiàn)非線性控制，以分別控制左、右驅(qū)動輪的速度差，使得裝置能夠快速平穩(wěn)的沿著事先規(guī)劃的白線行進(jìn).所謂理想的控制曲線就是根據(jù)人的經(jīng)驗(yàn)得到的車體尋線過程中左、右輪的速度控制曲線.

圖2 雙臂結(jié)構(gòu)圖

圖3 雙臂交錯結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 底盤結(jié)構(gòu)

2 運(yùn)動控制原理及實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人系統(tǒng)控制圖如圖5所示，動力部分采用 1.5AH的鉛酸蓄電池,單片機(jī)采用的是美國Parallax公司的BS40型，車載驅(qū)動電機(jī)采用德國MAXSON直流電機(jī)，其功率為70 W，并接上瑞士FAULHABER生產(chǎn)的MCBL3006/S型驅(qū)動器[2].電機(jī)調(diào)速采用其指令模式，即通過單片機(jī)串行口，輸出ASCII碼形式的指令碼，給驅(qū)動器串口，以控制電機(jī)的運(yùn)行[3].在該模式下，電機(jī)的速度由串口給定的目標(biāo)值來確定.機(jī)械臂組件上升、下降、開爪與關(guān)爪、旋轉(zhuǎn)換位等多個動作也采用同樣類型直流減速電機(jī)控制，而機(jī)械手的提升采用寬同步帶傳動，以提高穩(wěn)定性[4].機(jī)械手驅(qū)動電機(jī)有3個：一個電機(jī)驅(qū)動同步帶傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手上升和下降；一個電機(jī)控制機(jī)械臂的張開和閉合；一個電機(jī)驅(qū)動錐齒輪組使兩組機(jī)械臂轉(zhuǎn)換位置.3個直流減速電機(jī)都可用一驅(qū)動電路驅(qū)動.

圖5 系統(tǒng)控制圖

在單片機(jī)的控制下[5]，在底盤前下端設(shè)有多個紅外傳感器間隔排列，且中央?yún)^(qū)域處的紅外傳感器的排列間距小于兩側(cè)區(qū)域處的紅外傳感器的排列間距.尋線傳感器組使用的白線檢測點(diǎn)的數(shù)量有限，實(shí)際上檢測到的位置反饋是離散的，而在任意時刻都可能有1或2個檢測點(diǎn)位于白線上方[6]，可以最大的一個偏離檢測點(diǎn)的優(yōu)先規(guī)則對傳感器組的 15個檢測點(diǎn)進(jìn)行編碼控制，本機(jī)構(gòu)中，共設(shè)置15個紅外傳感器，設(shè)置于底盤前端的下方，且于中央部分紅外傳感器放置較為密集，以使裝置行走穩(wěn)定性佳，越靠外，紅外傳感器放置越稀疏，以提高裝置的糾偏能力.

在升降機(jī)構(gòu)的上方設(shè)有顏色攝像頭.顏色攝像頭用于識別物品的顏色，并可根據(jù)指令將其夾起.機(jī)器人在程序控制下，沿著白色引導(dǎo)線，到達(dá)指定位置，通過升降機(jī)構(gòu)，把雙臂轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)提升到指定位置，其一機(jī)械臂組件通過張爪、收抓以夾取貨物，然后再根據(jù)編程，按引導(dǎo)線到達(dá)另一指定位置，通過轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)使該機(jī)械臂轉(zhuǎn)動 90°度，從而將該機(jī)械臂組件轉(zhuǎn)動到機(jī)械臂組件的一邊，與此同時，另一機(jī)械臂組件將轉(zhuǎn)動到指定位置即前方位置，通過提升，張爪、收抓以夾取另一貨物，然后再通過轉(zhuǎn)動裝置，轉(zhuǎn)動機(jī)械臂組件，把機(jī)械臂組件中的貨物裝載到指定位置，更換貨物，然后沿著尋導(dǎo)線，帶回更換的貨物，實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)與更換.

3 提高精度的方法

欲減小電路反饋電阻的功耗，最直接的方法就是降低反饋電阻的阻值，在電流相同的情況下[7]，根據(jù)電阻功耗公式可知：電阻阻值能降低多少比例，功耗亦能降低多少比例.但是，反饋電阻的阻值減小意味著反饋的電壓值不足，電路將無法工作.因此需要設(shè)計(jì)一個放大電路，在減小反饋電阻阻值的同時，保證反饋的電壓大小不變，在反饋電壓電路中采用差分放大電路處理后，其驅(qū)動電路的反饋通路損耗降低明顯[8]，總輸出效率提高了約3.5%，可靠性增強(qiáng)，并采用參數(shù)自整定模糊PID控制算法，而PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器，它將給定值r(t)與實(shí)際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量.模糊自整定PID控制器以被控對象的反饋值與目標(biāo)值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID的參數(shù)Kp、Ki、Kd進(jìn)行參數(shù)自整定，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數(shù)整定的要求.利用模糊規(guī)則在線對PID參數(shù)進(jìn)行修改，便構(gòu)成了自整定模糊PID控制器.有效地降低了超調(diào)量，超調(diào)量是指輸出量的最大值減去穩(wěn)態(tài)值，與穩(wěn)態(tài)值之比的百分?jǐn)?shù)，超調(diào)量只與阻尼比有關(guān).對于 RLC二階系統(tǒng)，阻尼比ξ=L/2R*sqrt(1/(LC))，ξ越大，超調(diào)量越小，縮短了電機(jī)啟動的時間，并將每個 L298芯片的兩路輸出并聯(lián)，得到連續(xù)多出一倍的電流輸出，從而增大驅(qū)動力，提高電機(jī)的控制精度.

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的雙臂機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有新、巧、妙特征的多工位抓取物件功能，在單片機(jī)控制下，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人尋線、位置識別、物料抓取、搬運(yùn)、投放裝配等作業(yè).將該機(jī)構(gòu)引入到教學(xué)或技能大賽中，可改變過去實(shí)驗(yàn)過于抽象，不夠直觀，賽事中主動性差，創(chuàng)造性和趣味性低的不足，有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)和提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)造力.

［1］ 周驥平，顏景平，陳文家.雙臂機(jī)器人研究的現(xiàn)狀與思考［J］.機(jī)器人（ROBOT），2001（03）：23-27.

［2］ 劉先明.鋰電池自動拋投機(jī)構(gòu)及檢測的設(shè)計(jì)［J］.鄖陽師范高等專科學(xué)校學(xué)報，2009，29（3）：58-59.

［3］ 何躍軍，陳偉，劉先明.搬運(yùn)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.微特電機(jī)，2008（04）：32-45.

［4］ 王戰(zhàn)中，王文龍，靳超松，等.具有固定重力補(bǔ)償?shù)臋C(jī)器人控制研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2015（3）：54-58.

［5］ 劉超穎，彭發(fā)展，王戰(zhàn)中，等.基于MATLAB的非球型手腕6R噴漆機(jī)器人手臂參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2010（11）：146-147.

［6］ 袁麗，田國會，李國棟.NAO機(jī)器人的視覺伺服物品抓取操作［J］.山東大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2014（03）：57-63.

［7］ 史恩秀，陳敏敏，李俊，等.基于蟻群算法的移動機(jī)器人全局路徑規(guī)劃方法研究［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2014（06）：53-57.

［8］ 蔣美云，郭雷，鐘宜星.基于任務(wù)分解的機(jī)器人路徑規(guī)劃導(dǎo)航［J］.計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2014（08）：16-20.

The Design and Implementation of a Dual-Arm Robot

LIU Xianming
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

A parallel structure is applied in the design of a dual-arm robot. The bevel gear transmission allows the arms to switch easily. Optical technology is used to control the rotation position of the arms and the tracing of the robots. Under the control of a direct-current generator, the robot can achieve grabbing, carrying and do several other works. A new type of alloy aluminum is applied to make the arms. Through the analysis of finite element method (fem), the reinforced design in the arm stress concentration area can reduce the arms’exercise load, optimize its moment of inertia, and enhance itshardness.With a rolling bearing, the arms can switch smoothly and accurately. The experiments show that this robot is stable in performance, reliable in structure and simple in operation.

dual-arm robot; automation; accurate transposition

TP2

A

1672-0318（2016）05-0013-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.05.003

2016-04-20

*項(xiàng)目來源：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號：601622K21004）

劉先明（1959-），男，湖北十堰人，高級工程師，研究領(lǐng)域：機(jī)械工程及工程材料.