張胡禎宇

摘 要：雙臂機(jī)器人作為機(jī)器人中的重要類別，應(yīng)用于各種領(lǐng)域。對(duì)于雙臂機(jī)器人的研究可以從其機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制技術(shù)，動(dòng)力學(xué)分析和驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面著手。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制技術(shù);雙臂機(jī)器人;應(yīng)用;現(xiàn)狀;研究

中圖分類號(hào)：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）06-0051-03

0 引言

‘robot一詞源自捷克語robota，意為強(qiáng)迫勞動(dòng)。自1954年第一臺(tái)機(jī)器人問世以來，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)發(fā)展了半個(gè)多世紀(jì)，取得了巨大的進(jìn)步和成功。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)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(lǐng)域的機(jī)器人已經(jīng)取代了人類的勞動(dòng)力，這極大地提高了生產(chǎn)效率。機(jī)器人技術(shù)是電子、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)技術(shù)等領(lǐng)域的集合體。它已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、民用、軍事、空間科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域[11]。

中國現(xiàn)在已成為世界機(jī)器人的最大市場。對(duì)工業(yè)機(jī)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(chǎn)業(yè)升級(jí)和勞動(dòng)力成本上升。工業(yè)機(jī)器人在工業(yè)4.0階段有著重要的意義，而機(jī)械臂作為工業(yè)機(jī)器人中的一種典型形式，值得我們進(jìn)一步研究。隨著時(shí)代的發(fā)展，單個(gè)機(jī)器人已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的需求[20]，多個(gè)機(jī)器人的協(xié)調(diào)協(xié)助工作顯得愈發(fā)重要。而其中，雙臂機(jī)器人顯然可以作為多機(jī)器人工作研究的起點(diǎn)[3]。

1 應(yīng)用

如今，機(jī)械臂已經(jīng)應(yīng)用在各式各樣的場合。例如，給無人機(jī)裝配可折疊機(jī)械臂后，無人機(jī)獲得了能在狹窄溝渠撿拾東西的能力，單獨(dú)的無人機(jī)是無法做到的;而在天宮二號(hào)[1]中也有機(jī)械臂的應(yīng)用[16]，空間機(jī)械臂[22]可以代替航天員進(jìn)行一系列艙外活動(dòng)[21]，降低了人類在艙外工作的風(fēng)險(xiǎn)[17]。生活中，機(jī)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(jìn)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(shí)能做100-120杯咖啡，而店中已經(jīng)完全不需要人類幫助，而用機(jī)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(jī)器人，用于漢堡制作。而在醫(yī)療行業(yè)，如今的機(jī)械臂可以用來進(jìn)行精密手術(shù)，第三代國產(chǎn)骨科手術(shù)機(jī)器人“天璣”，最高操作精度甚至可達(dá)0.1mm。

可以看出，機(jī)器人廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)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(jī)器人助理，為顯微外科目的工作，在核場址執(zhí)行凈化任務(wù)，我們還可以為殘疾人配備先進(jìn)的機(jī)器人助理，同時(shí)機(jī)器人也能為顯微外科目的工作，在核場內(nèi)執(zhí)行凈化任務(wù)，對(duì)廢物艙進(jìn)行補(bǔ)救和清洗，組裝航天飛機(jī)，降低空間應(yīng)用中的空間發(fā)射費(fèi)用[18]，在危險(xiǎn)工廠處理廢物，或在工業(yè)中從事高精度產(chǎn)品制造等復(fù)雜任務(wù)[9]。因此，分析它們的動(dòng)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(jī)器人是一種“在兩個(gè)或多個(gè)軸上可編程的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有一定程度的自主性，在其環(huán)境中移動(dòng)，以執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)”。工業(yè)機(jī)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(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，可按它們的動(dòng)力源或關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式、機(jī)械結(jié)構(gòu)或運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、有效載荷容量、工作空間體積、它們的控制方法或它們的預(yù)定應(yīng)用范圍來分類。在許多工業(yè)應(yīng)用中，機(jī)器人被用于操作一組任務(wù)，任務(wù)排序和機(jī)器人之間的移動(dòng)對(duì)應(yīng)用的整體性能有很大的影響。在許多工廠中，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仍然是手動(dòng)優(yōu)化的[24]，這十分昂貴且容易出錯(cuò)。因此，許多研究人員致力于尋找機(jī)器人運(yùn)動(dòng)最優(yōu)軌跡的自動(dòng)計(jì)算算法[26]。這一方法被證明是相當(dāng)復(fù)雜的，因?yàn)橛袔讉€(gè)因素，例如冗余運(yùn)動(dòng)學(xué)、避免碰撞、執(zhí)行任務(wù)的可能性不明確、復(fù)雜的目標(biāo)函數(shù)等。

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

目前對(duì)雙臂機(jī)器人的研究，還沒有形成一套完整體系，但可從其機(jī)械結(jié)構(gòu)，控制技術(shù)，動(dòng)力學(xué)分析和驅(qū)動(dòng)技術(shù)等方面著手[25]。大多機(jī)械臂采用六軸[23]，已經(jīng)可以遍歷空間的所有點(diǎn)，但再增加一軸后的冗余機(jī)械臂將會(huì)變得更加靈活。中科新松有限公司副總裁楊躒認(rèn)為，冗余機(jī)械臂可以完成更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，并且在到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)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(guān)于柔性機(jī)械手的最新綜合回顧，其中描述了柔性機(jī)械手智能控制的動(dòng)力學(xué)分析。

人機(jī)協(xié)作機(jī)器人為雙臂，相較于單臂機(jī)器人，雙臂機(jī)器人更加類似人體的雙手[2]，符合實(shí)際人類的身體情況，能夠完成更復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，如同時(shí)操作多個(gè)物體等，但相對(duì)的，對(duì)其中一個(gè)機(jī)械臂來說，另一只機(jī)械臂是可當(dāng)做障礙物，因此操作雙臂機(jī)器人的難度比之單臂機(jī)器人大大提高?？傊p臂機(jī)器人不僅僅是兩個(gè)獨(dú)立的單臂機(jī)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(shù)將視覺信息融合到機(jī)器人通常的控制回路中，這種控制系統(tǒng)不僅是一個(gè)簡單的反饋系統(tǒng)，而且是高速圖像處理、運(yùn)動(dòng)學(xué)、控制理論和實(shí)時(shí)計(jì)算等多個(gè)領(lǐng)域融合的結(jié)果。結(jié)合傳感器融合技術(shù)，研究了許多基于視覺的控制器，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)、外科和空間的融合，以及軍事用途?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)的方法可以精確地控制機(jī)械手的速度。動(dòng)態(tài)視覺伺服直接提供基于視覺反饋和非線性機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的關(guān)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(qiáng)圖像處理軟件，可在同一時(shí)間內(nèi)完成多個(gè)測量掃描[7]。

機(jī)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(jī)樹）[12]，所得路徑不佳，一般不是最優(yōu)路徑[15]。因此對(duì)路徑規(guī)劃方法的研究與改進(jìn)必不可少[14]。

無論怎樣，人們希望機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)完全自動(dòng)化，逐步達(dá)到自主運(yùn)行，且能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境。由于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型中存在非線性和不確定性，自適應(yīng)控制被認(rèn)為是機(jī)械機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)的一種有效方法。推動(dòng)這些發(fā)展還需要更深入的研究[8]。我們當(dāng)前和未來的挑戰(zhàn)是有效應(yīng)對(duì)國際競爭力和消費(fèi)者行為，并利用新技術(shù)的優(yōu)勢，按照新的原則設(shè)計(jì)工業(yè)機(jī)器人，以便在許多領(lǐng)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(fù)雜，適應(yīng)需求的日益增長，智能工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)正吸引著越來越多的人的關(guān)注[10]。

3 結(jié)語

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

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