雙臂工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)設計與運動的探究

王志強

摘要：雙臂工業(yè)機器人是工業(yè)生產(chǎn)日趨復雜化、智能化背景下的主流發(fā)展趨勢，實用價值較為突出。文章以雙臂工業(yè)機器人為例，闡述了雙臂工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計，論述了雙臂工業(yè)機器人的運動軌跡規(guī)劃方案，并進行了運動學仿真。得出：所設計的雙臂機器人協(xié)作配合默契，可以滿足復雜工業(yè)生產(chǎn)要求。

關鍵詞：雙臂工業(yè)機器人;C空間;機械臂

前言：

當前，工業(yè)機器人在醫(yī)學、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領域均發(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)機器人面臨的工作環(huán)境日益復雜，而現(xiàn)有單臂工業(yè)機器人無法達到復雜作業(yè)要求。因此，探討雙臂工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計具有非常突出的現(xiàn)實意義。

一、雙臂工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)設計

雙臂工業(yè)機器人的每一個機械臂由若干個緊湊的機械臂關節(jié)構(gòu)成，每一個機械臂關節(jié)則由1個結(jié)構(gòu)殼體、1個一體化關節(jié)組成[1]。具體如下：

如圖1所示，每一個關節(jié)均與電機相對應，關節(jié)1、關節(jié)2、關節(jié)3、關節(jié)4為一體化關節(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+螺釘+密封圈），中間預留空腔可以為機械臂電纜穿越提供空間，電纜結(jié)構(gòu)被大大簡化，線纜、氣管穿越效率較高;而關節(jié)5、關節(jié)6則為差速機構(gòu)聯(lián)動，外形、尺寸與人外形類似，主要利用1根實心軸+2根空心軸完成傳動任務，其中關節(jié)6運動由電機6控制，關節(jié)5運動則由電機6和電機5聯(lián)動控制。

二、雙臂工業(yè)機器人的運動軌跡規(guī)劃

1、建立C空間關鍵區(qū)域

C空間又可稱之為構(gòu)形空間，是運動物體相對固定障礙物無碰撞運動規(guī)劃首選方法。因現(xiàn)有雙臂工業(yè)機器人算法中對于左臂、右臂運動優(yōu)先級別規(guī)定無差異，即兩者均可根據(jù)任務要求在對應的構(gòu)形空間內(nèi)完成無碰撞運動。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個關節(jié)角，進行左臂構(gòu)形空間2個坐標變量的設置，同時將關節(jié)角取值范圍控制在0～2π之間，此時，左臂的C空間就是一個正方形，正方形的邊長為2π。同理，可以進行右臂構(gòu)形空間的構(gòu)建。同時考慮到構(gòu)形空間基礎上的運動規(guī)劃算法表示為離線運動規(guī)劃算法，無法滿足雙臂工業(yè)機器人實時無碰撞運動規(guī)劃需求，且在每一步機器人以最新位置反饋信息為依據(jù)進行障礙物空間、自由空間重新構(gòu)建時所需運算量較大。因此，可以引入構(gòu)形空間關鍵區(qū)域概念，即選擇構(gòu)形空間內(nèi)可以為雙臂工業(yè)機器人手臂在時間片tcycle內(nèi)到達的位置姿態(tài)的集合。此時，左臂在時刻t時的構(gòu)形空間關鍵區(qū)域表示為：

-1中，C左t，tcycle為左臂構(gòu)形空間關鍵 左2、 左1分別為左臂的兩個關鍵角; 左1'與 左2'、 左1"與 左2"分別為障礙物空間、自由空間左臂關鍵角。障礙物空間特指構(gòu)形空間關鍵區(qū)域內(nèi)工業(yè)機器人左臂不可達的位置姿態(tài)集合;自由空間則指構(gòu)形空間關鍵區(qū)域內(nèi)工業(yè)機器人左臂可達的位置姿態(tài)集合。同理可以進行雙臂工業(yè)機器人右臂構(gòu)形空間關鍵區(qū)域的構(gòu)建，將機器人左臂與右臂實時運動空間規(guī)劃轉(zhuǎn)化為構(gòu)形空間關鍵區(qū)域的實時構(gòu)建以及自由部分路徑搜索，順利完成雙臂工業(yè)機器人實時無碰撞運動規(guī)劃任務

2、實時無碰撞運動規(guī)劃

在構(gòu)形空間關鍵區(qū)域構(gòu)建的基礎上，利用局部算法，結(jié)合運動目標概念，綜合考慮雙臂工業(yè)機器人左臂末端當前位置與目標位置、右臂末端當前位置與目標位置，求解左臂與右臂構(gòu)形空間關鍵區(qū)域自由部分，將雙臂工業(yè)機器人實時無碰撞運動規(guī)劃簡單轉(zhuǎn)化為工業(yè)機器人左臂、右臂在求得的自由部分依據(jù)特定目標函數(shù)選取一定位置姿態(tài)作為下一個時間片段的運動設計[2]。同時考慮到右臂目標函數(shù)為雙臂工業(yè)機器人右臂在位置姿態(tài)處手臂末端、右臂當前運動目標存在的歐式距離處于較小數(shù)值，可以將每一個時間片段內(nèi)雙臂工業(yè)機器人的實時無碰撞運動規(guī)劃為4個環(huán)節(jié)。具體為：

第一步，選取右臂當前運動目標，以右臂末端當前位置與目標位置連線穿越左臂為節(jié)點，將左臂末端視為右臂當前運動目標，若兩者連線未穿越左臂，則右臂當前運動目標為右臂末端目標位置。

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

第三步，選擇右臂下一個時間段的運動目標，進行右臂目標函數(shù)位置姿態(tài)構(gòu)建。

第四步，重復第一步、第二步、第三步，直到右臂運動到目標位置姿態(tài)。雙臂機器人左臂的實時無碰撞運動規(guī)劃與右臂相同。

三、雙臂工業(yè)機器人的運動學仿真及結(jié)果

1、運動學仿真

為了判定前期雙臂工業(yè)機器人實時無碰撞運動規(guī)劃準確性，利用Adams軟件，進行雙臂工業(yè)機器人的運動學仿真[3]。即在Adams軟件內(nèi)，導入三維建模內(nèi)建立的機器人模型，并進行材料屬性、關節(jié)約束條件、驅(qū)動（源于MatlabRoboticsToolbox工具箱內(nèi)關節(jié)角度驅(qū)動用TestData、Spline函數(shù)）地逐一添加。同時進行仿真步數(shù)、仿真時間設置，分別為5000步、3.0s，設置完畢后進行仿真。

2、仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)束后，打開PostProcessor，觀察大小臂、末端關節(jié)仿真后得出的關節(jié)位置力矩、末端機構(gòu)滑動力矩，判定給定路徑關節(jié)運動時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器人，雙臂機器人可以滿足復雜裝配任務，但仍然存在無碰撞運動規(guī)劃難題。因此，在合理設計雙臂工業(yè)機器人結(jié)構(gòu)的基礎上，應以雙臂機器人無碰撞運動規(guī)劃為重點，在C空間建立的基礎上，完成雙臂機器人的實時無碰撞運動規(guī)劃。并對雙臂機器人的運動規(guī)劃結(jié)構(gòu)進行分析，保證雙臂工業(yè)機器人運動控制精確性，為雙臂機器人應用范圍進一步擴展提供依據(jù)。

參考文獻：

[1]陳靖.工業(yè)機器人技術應用與發(fā)展[J].電子元器件與信息技術，2020（09）：41-42.

[2]劉寶紅，溫可，何永義.基于初步建模仿真的雙臂SCARA機器人設計分析方法[J].計量與測試技術，2018（10）：89-92.

[3]劉子貴.雙臂機器人的軌跡規(guī)劃研究與仿真[J].中國科技產(chǎn)業(yè)，2021（05）：41-45.