摘要：雙臂機器人相比于單臂機器人可以完成更為復雜柔順的裝配任務，可以極大的提高工作空間的利用率，具有良好的應用前景，但前提是兩個單臂需要相互協調配合去完成給定任務，因此解決兩個操作臂之間的協調問題是雙臂機器人設計的重中之重。本文將面向兩種典型裝配任務中所遇到的運動協調計算量大、左右臂末端執行機構在作業過程中位姿不確定等問題提出了簡單易行的解決方案。

　　關鍵詞：雙臂機器人；實例；協調研究

　　1.雙臂機器人協調操作的約束關系

　　1.1約束關系的分類

　　為了實現雙臂協調作業任務，雙臂機器人兩個操作臂之間在時間和空間方面必須滿足一定的運動約束條件，需要求雙臂機器人在特定的時間以給定的位姿同時到達所裝配的位置，約束關系主要分為以下幾種。

　　（1）自由度約束

　　當機器人兩個操作臂搬運一剛體時形成了一個閉鏈結構，其自由度數隨著各關節運動的限制而減少，形成閉鏈結構后雙臂機器人自由度數為：

　　n=m1×6-mj×（6-jn）

　　其中，m1為機器人桿件數目；mj為機器人的關節數目；jn為關節自由度數目，一般情況下取1。

　　（2）工作空間的約束

　　由于要進行協調作業，首先得考慮機器人兩個操作臂可以同時到達的工作空間的重復區域，即共同可達空間。在此區域內，要考慮機器人操作臂之間以及機器人與外界環境的約束關系，對其進行無碰撞規劃，在保證操作人員人身安全的前提下準確快速完成作業任務。

　　（3）點位約束及軌跡約束

　　點位約束即雙臂機器人在進行協調裝配作業時要求機器人末端執行裝置在工作空間內任一給定位置和時間點以某種姿態完成裝配作業，點約束描述的為該機器人末端到達該點的約束關系，如位姿、速度以及時間等。而對于雙臂機器人共同搬運一剛體等作業任務時只須機器人末端執行裝置保持固定姿態以預定的運動軌跡進行運動，因此只需考慮雙臂機器人軌跡之間的約束關系。

　　（4）力約束

　　雙臂機器人作業時末端執行裝置必須在物體上施加一定的力才能抓持操作物，一般靠末端裝置與操作物之間的摩擦力來抓取物體。因此在完成作業過程中，不僅需要末端執行器到達預定裝配位置時所需的位姿約束要求，同時也需要力約束要求。此外除機器人本身所需力約束外，還要考慮當機器人與外界環境接觸時產生的力約束關系。

　　1.2雙臂機器人協調操作的運動學方程的建立

　　以上討論了雙臂機器人協調操作時所需的約束關系，下面將對雙臂機器人軸孔裝配所需建立的開鏈運動學方程進行研究。目前大多數對軸孔裝配的研究主要是針對單臂機器人的，即保持孔不動，通過末端執行器抓持軸進行軌跡規劃來完成作業任務。由上述對點約束的介紹可知雙臂機器人進行軸孔裝配時末端在某一時刻以給定姿態到達指定的位置進行裝配。這就需要考慮機器人到達該指定位置的約束關系，如位姿、時間、速度以及力約束等。

　　由運動學分析可知雙臂工業機器人完成軸孔裝配任務需解決以下兩個問題：首先根據裝配作業任務特點確定雙臂工業機器人協調操作時所產生的約束條件以及各關節變量隨時間的變化關系；然后根據主臂和從臂之間的運動約束方程由主臂目標軌跡規劃出從臂的關節位置和速度，并對主臂與從臂之間加速度關系進行推導，完成了對從臂的運動軌跡規劃。

　　機器人兩個操作臂運動規劃完畢后，設置好相應的運動參數進行協調運動即可實現軸孔裝配作業。

　　2.面向兩種典型工況雙臂SCARA機器人實例應用研究

　　2.1雙臂機器人識別物體方法

　　本文擬根據雙臂機器人作業任務的特點，模擬人眼對目標物體的識別方法，采用了一種基于模型知識庫的物體識別方法。該物體識別方法分為樣板匹配法、結構模式識別法以及統計模式識別法等，本文采用樣板匹配法對物體進行識別。即在機器人系統中建立了一個存有一些典型的被操作物二維模型的模型知識庫，該知識庫包含螺母、螺栓、小型工件、軸孔、箱體等一些規則物體，將經過全局攝像機識別的物體圖像與模型庫內物體進行比較類似度，如果識別成功即可進行下一步操作，否則執行任務失敗。避免了機器人盲目搜索目標物體，提高了機器人的智能化以及工作效率。本文將運用全局視覺檢測法和局部視覺檢測法相結合來確定目標物體的具體位置，從而可以對機器人進行精確地軌跡規劃。全局視覺檢測到的視野可以覆蓋工作空間以及外部環境，能夠提供更多信息對雙臂機器人進行避障運動規劃。但全局視覺檢測只能大概確定目標物體的位置，還需局部視覺系統對位姿進行調整。全局視覺采用二維CDD攝像機確定目標物體的X方向和Y方向的位姿，機器人規劃系統可直接運用此位姿向量對機器人進行規劃。當機器人抓持操作物進行協調操作時，采用局部視覺檢測法檢測出的六維位姿向量直接應用于雙臂機器人的規劃系統，將規劃結果輸入到機器人控制器即可完成對雙臂機器人運動規劃的控制。

　　2.2用于軸孔裝配的雙臂工業機器人

　　當前工業上用于軸孔裝配的機器人大多是有六自由度機械手，若是將雙臂機器人用于軸孔裝配中，通常是在雙臂機器人末端加機械手或簡易夾持裝置，上述方案通常需要對雙臂機器人的協調問題做大量的計算工作，這樣會增加工業機器人在使用過程中的復雜性，重新設定新的工況時就會顯得更為復雜。現提出一種新型的用于軸孔裝配的雙臂工業機器人，簡化了雙臂機器人末端機構設計的復雜性，同時減少計算量。

　　將雙臂工業機器人的兩個臂并不放置在一個水平面內，軸孔裝配過程中軸、孔零部件的中軸線均垂直于水平面，通過在機器人末端添加吸附或夾持裝置實現對零件的搬運，通過吸附或夾持裝置與滑移運動副的配合實現對軸孔零件的裝配。由于通過本方案實現裝配的軸、孔零部件軸線始終是平行的，這樣就避免了對機器人末端位姿的協調計算工作，只需保證軸、孔零部件的位置協調操作。

　　2.3用于對稱圓盤類裝配的雙臂工業機器人

　　對稱圓盤類裝配可應用于特定的工業零件以及產品包裝。現提出一種新型的用于對稱圓盤類裝配的雙臂工業機器人用于實現上述裝配工作。兩臂末端安裝用于夾持待裝配零件的簡易夾持裝置，并保持該簡易機械手的方向與小臂平行并固定，如上述分析，雙臂機器人末端的位姿協調是雙臂機器人的協調工作中的難點，大大增加了計算的復雜性，而如同上圖的雙臂工業機器人中，在保持兩個小臂初始位置平行，并保持左右臂的各自大小臂有相同運動規律，就能夠保持兩小臂保持平行。

　　由于簡易機械手的方向與小臂平行并固定，在運動的過程中，兩簡易機械手也會保持平行，這樣就保證了末端位姿協調。對于對稱圓盤這種特殊構型，在實現完全裝配之前兩零件不會發生水平方向的接觸，同時也避免了在水平方向的相互抵觸。因此該方案能夠很好實現對稱圓盤類裝配工作，并且能夠很好的適應不同的工作要求，能夠在很大程度上提高工作效率。

　　參考文獻

　　[1]李江道.空間機械臂機電一體化關節的設計與控制[D].上海交通大學，2012.

　　[2]方紅根，楊軍.基于模塊化關節輕型機械臂的研制[J].上海電氣技術，2011，04(4):41-46.

　　作者張大江

　　推薦閱讀：機器人雜志征收論文字體要求