雙臂機器人的現(xiàn)狀與研究

張胡禎宇

摘 要：雙臂機器人作為機器人中的重要類別，應用于各種領域。對于雙臂機器人的研究可以從其機械結構，控制技術，動力學分析和驅動技術等方面著手。

關鍵詞：自動控制技術;雙臂機器人;應用;現(xiàn)狀;研究

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）06-0051-03

0 引言

‘robot一詞源自捷克語robota，意為強迫勞動。自1954年第一臺機器人問世以來，工業(yè)機器人已經發(fā)展了半個多世紀，取得了巨大的進步和成功。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，機器人更加的智能化、模塊化。在越來越多的地區(qū)，用于工業(yè)領域的機器人已經取代了人類的勞動力，這極大地提高了生產效率。機器人技術是電子、自動化、計算機技術等領域的集合體。它已廣泛應用于工業(yè)、民用、軍事、空間科學等各個領域[11]。

中國現(xiàn)在已成為世界機器人的最大市場。對工業(yè)機器人需求不斷增加，追根溯源是由于國家政策支持下的制造業(yè)產業(yè)升級和勞動力成本上升。工業(yè)機器人在工業(yè)4.0階段有著重要的意義，而機械臂作為工業(yè)機器人中的一種典型形式，值得我們進一步研究。隨著時代的發(fā)展，單個機器人已經不能滿足生產的需求[20]，多個機器人的協(xié)調協(xié)助工作顯得愈發(fā)重要。而其中，雙臂機器人顯然可以作為多機器人工作研究的起點[3]。

1 應用

如今，機械臂已經應用在各式各樣的場合。例如，給無人機裝配可折疊機械臂后，無人機獲得了能在狹窄溝渠撿拾東西的能力，單獨的無人機是無法做到的;而在天宮二號[1]中也有機械臂的應用[16]，空間機械臂[22]可以代替航天員進行一系列艙外活動[21]，降低了人類在艙外工作的風險[17]。生活中，機械臂假肢不僅能為截肢者提供便利，還可以作為孩子們的娛樂玩具，進行自由組合或客制化。美國舊金山一家名為Cafe X的咖啡店，每小時能做100-120杯咖啡，而店中已經完全不需要人類幫助，而用機械臂沖泡咖啡;Miso Robotics和Cali Group兩家美國公司合作開發(fā)了Flippy雙臂協(xié)作機器人，用于漢堡制作。而在醫(yī)療行業(yè)，如今的機械臂可以用來進行精密手術，第三代國產骨科手術機器人“天璣”，最高操作精度甚至可達0.1mm。

可以看出，機器人廣泛應用于各個領域，特別是在工業(yè)裝配過程中。它們還可以作為精密的殘疾人機器人助理，為顯微外科目的工作，在核場址執(zhí)行凈化任務，我們還可以為殘疾人配備先進的機器人助理，同時機器人也能為顯微外科目的工作，在核場內執(zhí)行凈化任務，對廢物艙進行補救和清洗，組裝航天飛機，降低空間應用中的空間發(fā)射費用[18]，在危險工廠處理廢物，或在工業(yè)中從事高精度產品制造等復雜任務[9]。因此，分析它們的動態(tài)行為和控制已成為許多研究的熱門課題。

2 研究

工業(yè)機器人是一種“在兩個或多個軸上可編程的驅動機構，具有一定程度的自主性，在其環(huán)境中移動，以執(zhí)行預定的任務”。工業(yè)機器人有不同的類型和模型，可以分為M.W.Spong、S.Hutchinson和M.Vidyasagar，根據不同的標準，可按它們的動力源或關節(jié)的驅動方式、機械結構或運動結構、有效載荷容量、工作空間體積、它們的控制方法或它們的預定應用范圍來分類。在許多工業(yè)應用中，機器人被用于操作一組任務，任務排序和機器人之間的移動對應用的整體性能有很大的影響。在許多工廠中，機器人的運動仍然是手動優(yōu)化的[24]，這十分昂貴且容易出錯。因此，許多研究人員致力于尋找機器人運動最優(yōu)軌跡的自動計算算法[26]。這一方法被證明是相當復雜的，因為有幾個因素，例如冗余運動學、避免碰撞、執(zhí)行任務的可能性不明確、復雜的目標函數(shù)等。

雙臂機器人較之單臂機器人有更明顯的優(yōu)勢。雙臂機器人可以同時操作單臂雙倍的工作，總功率更高，也可同時達到兩個不同位置進行分別操作，甚至多個機器人可以物理上實現(xiàn)物體傳遞。類似于電學中的并聯(lián)電路，若其中一個機器人損壞，另外的機器仍然能夠正常工作。不過相較于普通的單個機器人，它的避障算法顯然要復雜許多[6]。工業(yè)生產中，導致裝配任務性能不佳甚至失敗的一個主要原因是常規(guī)機器人系統(tǒng)中使用的絕對運動控制。使用這種控制方式，目標物體必須精確地放置在固定的坐標系中，因此，只控制機器人末端執(zhí)行器在底座框架中的絕對姿態(tài)來操作目標物體。同時，機器人末端執(zhí)行器或目標物體位置的不確定性或誤差會影響機器人的操作，例如機器人標定誤差、缺乏連桿剛度和無法預測的目標運動等。

目前對雙臂機器人的研究，還沒有形成一套完整體系，但可從其機械結構，控制技術，動力學分析和驅動技術等方面著手[25]。大多機械臂采用六軸[23]，已經可以遍歷空間的所有點，但再增加一軸后的冗余機械臂將會變得更加靈活。中科新松有限公司副總裁楊躒認為，冗余機械臂可以完成更復雜的運動，并且在到達目標點之后，在操作上第七軸更能夠獲得極大的靈活度。DwivedandEberhard在2006年提出了關于柔性機械手的最新綜合回顧，其中描述了柔性機械手智能控制的動力學分析。

人機協(xié)作機器人為雙臂，相較于單臂機器人，雙臂機器人更加類似人體的雙手[2]，符合實際人類的身體情況，能夠完成更復雜的機械運動，如同時操作多個物體等，但相對的，對其中一個機械臂來說，另一只機械臂是可當做障礙物，因此操作雙臂機器人的難度比之單臂機器人大大提高?？傊?，雙臂機器人不僅僅是兩個獨立的單臂機械臂，而是有著信息交流的不可分割的整體[5]。

1979年，國外引入了視覺伺服，以區(qū)別于一種新的控制方法。該技術將視覺信息融合到機器人通常的控制回路中，這種控制系統(tǒng)不僅是一個簡單的反饋系統(tǒng)，而且是高速圖像處理、運動學、控制理論和實時計算等多個領域融合的結果。結合傳感器融合技術，研究了許多基于視覺的控制器，實現(xiàn)了工業(yè)、外科和空間的融合，以及軍事用途。基于運動學的方法可以精確地控制機械手的速度。動態(tài)視覺伺服直接提供基于視覺反饋和非線性機器人動力學的關節(jié)輸入。視覺傳感器可以表示為一組傳感器，而不僅僅是簡單的視覺反饋。利用單視覺傳感器，在不需要改變傳感器位置的情況下，通過增強圖像處理軟件，可在同一時間內完成多個測量掃描[7]。

機械臂的路徑規(guī)劃有很多方法[13]，如模擬退火算法、人工勢場法，蟻群算法、神經網絡算法等，但沒有哪一種算法是完美的。例如RRT[19]（快速探索隨機樹）[12]，所得路徑不佳，一般不是最優(yōu)路徑[15]。因此對路徑規(guī)劃方法的研究與改進必不可少[14]。

無論怎樣，人們希望機器人能夠實現(xiàn)完全自動化，逐步達到自主運行，且能適應各種惡劣的環(huán)境。由于機器人動力學模型中存在非線性和不確定性，自適應控制被認為是機械機器人控制器設計的一種有效方法。推動這些發(fā)展還需要更深入的研究[8]。我們當前和未來的挑戰(zhàn)是有效應對國際競爭力和消費者行為，并利用新技術的優(yōu)勢，按照新的原則設計工業(yè)機器人，以便在許多領域和行業(yè)中使用，提高性能，降低成本，與工人交流。有專家指出，由于工業(yè)過程的日益復雜，適應需求的日益增長，智能工業(yè)機器人系統(tǒng)正吸引著越來越多的人的關注[10]。

3 結語

本文給出了雙臂機器人的應用現(xiàn)狀與研究，值得欣慰的是，我國近期機器人制造有所水平提高，具體表現(xiàn)在我國進口工業(yè)機器人價格下降，而出口單價上升。我們應該繼續(xù)深入研究，掌握核心技術，在與美國的貿易戰(zhàn)中取得優(yōu)勢[4]，雙臂機器人作為其中應用廣泛的一大類，還有許多技術問題有待解決完善，這些都值得我們去付出時間與精力。

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