双臂机器人协调操作研究

　　摘要：双臂机器人相比于单臂机器人可以完成更为复杂柔顺的装配任务，可以极大的提高工作空间的利用率，具有良好的应用前景，但前提是两个单臂需要相互协调配合去完成给定任务，因此解决两个操作臂之间的协调问题是双臂机器人设计的重中之重。本文将面向两种典型装配任务中所遇到的运动协调计算量大、左右臂末端执行机构在作业过程中位姿不确定等问题提出了简单易行的解决方案。

　　关键词：双臂机器人；实例；协调研究

　　1.双臂机器人协调操作的约束关系

　　1.1约束关系的分类

　　为了实现双臂协调作业任务，双臂机器人两个操作臂之间在时间和空间方面必须满足一定的运动约束条件，需要求双臂机器人在特定的时间以给定的位姿同时到达所装配的位置，约束关系主要分为以下几种。

　　（1）自由度约束

　　当机器人两个操作臂搬运一刚体时形成了一个闭链结构，其自由度数随着各关节运动的限制而减少，形成闭链结构后双臂机器人自由度数为：

　　n=m1×6-mj×（6-jn）

　　其中，m1为机器人杆件数目；mj为机器人的关节数目；jn为关节自由度数目，一般情况下取1。

　　（2）工作空间的约束

　　由于要进行协调作业，首先得考虑机器人两个操作臂可以同时到达的工作空间的重复区域，即共同可达空间。在此区域内，要考虑机器人操作臂之间以及机器人与外界环境的约束关系，对其进行无碰撞规划，在保证操作人员人身安全的前提下准确快速完成作业任务。

　　（3）点位约束及轨迹约束

　　点位约束即双臂机器人在进行协调装配作业时要求机器人末端执行装置在工作空间内任一给定位置和时间点以某种姿态完成装配作业，点约束描述的为该机器人末端到达该点的约束关系，如位姿、速度以及时间等。而对于双臂机器人共同搬运一刚体等作业任务时只须机器人末端执行装置保持固定姿态以预定的运动轨迹进行运动，因此只需考虑双臂机器人轨迹之间的约束关系。

　　（4）力约束

　　双臂机器人作业时末端执行装置必须在物体上施加一定的力才能抓持操作物，一般靠末端装置与操作物之间的摩擦力来抓取物体。因此在完成作业过程中，不仅需要末端执行器到达预定装配位置时所需的位姿约束要求，同时也需要力约束要求。此外除机器人本身所需力约束外，还要考虑当机器人与外界环境接触时产生的力约束关系。

　　1.2双臂机器人协调操作的运动学方程的建立

　　以上讨论了双臂机器人协调操作时所需的约束关系，下面将对双臂机器人轴孔装配所需建立的开链运动学方程进行研究。目前大多数对轴孔装配的研究主要是针对单臂机器人的，即保持孔不动，通过末端执行器抓持轴进行轨迹规划来完成作业任务。由上述对点约束的介绍可知双臂机器人进行轴孔装配时末端在某一时刻以给定姿态到达指定的位置进行装配。这就需要考虑机器人到达该指定位置的约束关系，如位姿、时间、速度以及力约束等。

　　由运动学分析可知双臂工业机器人完成轴孔装配任务需解决以下两个问题：首先根据装配作业任务特点确定双臂工业机器人协调操作时所产生的约束条件以及各关节变量随时间的变化关系；然后根据主臂和从臂之间的运动约束方程由主臂目标轨迹规划出从臂的关节位置和速度，并对主臂与从臂之间加速度关系进行推导，完成了对从臂的运动轨迹规划。

　　机器人两个操作臂运动规划完毕后，设置好相应的运动参数进行协调运动即可实现轴孔装配作业。

　　2.面向两种典型工况双臂SCARA机器人实例应用研究

　　2.1双臂机器人识别物体方法

　　本文拟根据双臂机器人作业任务的特点，模拟人眼对目标物体的识别方法，采用了一种基于模型知识库的物体识别方法。该物体识别方法分为样板匹配法、结构模式识别法以及统计模式识别法等，本文采用样板匹配法对物体进行识别。即在机器人系统中建立了一个存有一些典型的被操作物二维模型的模型知识库，该知识库包含螺母、螺栓、小型工件、轴孔、箱体等一些规则物体，将经过全局摄像机识别的物体图像与模型库内物体进行比较类似度，如果识别成功即可进行下一步操作，否则执行任务失败。避免了机器人盲目搜索目标物体，提高了机器人的智能化以及工作效率。本文将运用全局视觉检测法和局部视觉检测法相结合来确定目标物体的具体位置，从而可以对机器人进行精确地轨迹规划。全局视觉检测到的视野可以覆盖工作空间以及外部环境，能够提供更多信息对双臂机器人进行避障运动规划。但全局视觉检测只能大概确定目标物体的位置，还需局部视觉系统对位姿进行调整。全局视觉采用二维CDD摄像机确定目标物体的X方向和Y方向的位姿，机器人规划系统可直接运用此位姿向量对机器人进行规划。当机器人抓持操作物进行协调操作时，采用局部视觉检测法检测出的六维位姿向量直接应用于双臂机器人的规划系统，将规划结果输入到机器人控制器即可完成对双臂机器人运动规划的控制。

　　2.2用于轴孔装配的双臂工业机器人

　　当前工业上用于轴孔装配的机器人大多是有六自由度机械手，若是将双臂机器人用于轴孔装配中，通常是在双臂机器人末端加机械手或简易夹持装置，上述方案通常需要对双臂机器人的协调问题做大量的计算工作，这样会增加工业机器人在使用过程中的复杂性，重新设定新的工况时就会显得更为复杂。现提出一种新型的用于轴孔装配的双臂工业机器人，简化了双臂机器人末端机构设计的复杂性，同时减少计算量。

　　将双臂工业机器人的两个臂并不放置在一个水平面内，轴孔装配过程中轴、孔零部件的中轴线均垂直于水平面，通过在机器人末端添加吸附或夹持装置实现对零件的搬运，通过吸附或夹持装置与滑移运动副的配合实现对轴孔零件的装配。由于通过本方案实现装配的轴、孔零部件轴线始终是平行的，这样就避免了对机器人末端位姿的协调计算工作，只需保证轴、孔零部件的位置协调操作。

　　2.3用于对称圆盘类装配的双臂工业机器人

　　对称圆盘类装配可应用于特定的工业零件以及产品包装。现提出一种新型的用于对称圆盘类装配的双臂工业机器人用于实现上述装配工作。两臂末端安装用于夹持待装配零件的简易夹持装置，并保持该简易机械手的方向与小臂平行并固定，如上述分析，双臂机器人末端的位姿协调是双臂机器人的协调工作中的难点，大大增加了计算的复杂性，而如同上图的双臂工业机器人中，在保持两个小臂初始位置平行，并保持左右臂的各自大小臂有相同运动规律，就能够保持两小臂保持平行。

　　由于简易机械手的方向与小臂平行并固定，在运动的过程中，两简易机械手也会保持平行，这样就保证了末端位姿协调。对于对称圆盘这种特殊构型，在实现完全装配之前两零件不会发生水平方向的接触，同时也避免了在水平方向的相互抵触。因此该方案能够很好实现对称圆盘类装配工作，并且能够很好的适应不同的工作要求，能够在很大程度上提高工作效率。

　　参考文献

　　[1]李江道.空间机械臂机电一体化关节的设计与控制[D].上海交通大学，2012.

　　[2]方红根，杨军.基于模块化关节轻型机械臂的研制[J].上海电气技术，2011，04(4):41-46.

　　作者张大江

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