一種雙臂打磨機(jī)械手設(shè)計(jì)

李 懿，馬翔宇

( 西安航空學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 西安 710077)

鑒于單機(jī)械臂在功能上的局限性，雙臂作業(yè)機(jī)器人因其靈活性好、協(xié)調(diào)性強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)勢[1]受到越來越廣泛的關(guān)注。雙臂機(jī)器人最早在工業(yè)自動化生產(chǎn)線、社會服務(wù)等方面得到發(fā)展和應(yīng)用，近年來逐漸向空間作業(yè)、深海作業(yè)和危險(xiǎn)品處理等領(lǐng)域擴(kuò)展。而擬人雙臂機(jī)器人比普通的雙臂機(jī)器人具有更高的靈活性，更適合于特殊復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的操作任務(wù)需求。

雙臂作業(yè)機(jī)器人作為一個(gè)完整的機(jī)器人系統(tǒng)，根據(jù)其應(yīng)用，大致可分為三大類：擬人雙臂機(jī)器人、面向工廠生產(chǎn)任務(wù)的雙臂作業(yè)機(jī)器人、面向空間應(yīng)用的空間雙臂機(jī)器人[2]。日本比較具有代表性的雙臂服務(wù)機(jī)器人是ASIMO[3]。德國的機(jī)器人專家、工程師研發(fā)的雙臂機(jī)器人ARMAR是一款既能在車間執(zhí)行作業(yè)任務(wù)，又能在生活中給人類提供服務(wù)的雙臂機(jī)器人[4]。航空領(lǐng)域的空間雙臂機(jī)器人比較具有代表性的是NASA和GM合作研發(fā)的Robonaut 2[5]。國內(nèi)在雙臂機(jī)器人研究方面也取得了不少成就。黃強(qiáng)教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)研制了雙臂機(jī)器人“匯童”[6]。北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所基于空間艙內(nèi)的作業(yè)任務(wù)，設(shè)計(jì)了共存于一共享工作空間雙機(jī)器人的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺[7]。中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制了雙臂宜人機(jī)器人系統(tǒng)。北京工業(yè)大學(xué)通過模塊組成了雙臂機(jī)器人系統(tǒng)等[8]。

協(xié)調(diào)控制是雙臂機(jī)械手的重要性能指標(biāo)之一。目前，針對雙臂機(jī)器人系統(tǒng)的控制方法主要集中在主從純位置控制、主從位置/力控制以及位置/力補(bǔ)償控制方法、混合位置/力控制和阻抗控制方法等[9]。劉佳等[10]針對平面雙臂協(xié)調(diào)搬運(yùn)機(jī)械手的動力學(xué)建模問題，基于傳統(tǒng)的拉格朗日方程求解了平面多桿機(jī)械手動力學(xué)方程的一般表達(dá)式，且基于Udwadia-Kalaba方程，獲得雙臂協(xié)調(diào)機(jī)械手在預(yù)定軌跡下各桿所需附加力矩的解析表達(dá)式及系統(tǒng)的動力學(xué)方程。申浩宇等[11]針對冗余度雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)操作的避障規(guī)劃問題，提出了一種基于自運(yùn)動特性的避障算法。

本文針對人工鐵皮除銹這一問題，結(jié)合人體軀體的雙臂機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種仿人雙臂除銹機(jī)械手，分析研究雙臂機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程，并對機(jī)械手的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，依據(jù)西門子PLC控制特點(diǎn)及機(jī)械手工作流程，求解機(jī)械手的I/O分配表和PLC的梯形圖。

1 雙臂機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼材是各種工業(yè)使用最多的原材料，普通的鋼材可以通過不同的加工處理達(dá)到理想的材質(zhì)。然而，鋼材若保存不當(dāng)則會被空氣銹蝕，銹蝕的鋼材質(zhì)地變脆。日常產(chǎn)業(yè)選用機(jī)械除銹、化學(xué)除銹和手工除銹。手工除銹，即使用砂輪或鋼絲輪除銹。手工除銹一般是人持角磨機(jī)砂輪或者鋼絲輪打磨除銹，然后采用鹽酸除銹(或用硫酸加水)，再用干抹布擦拭晾干。由于手工除銹時(shí)會產(chǎn)生有害的灰塵、大量的噪聲，且對作業(yè)人員產(chǎn)生一定的危害，因此，本文設(shè)計(jì)了一種仿人雙臂機(jī)械手來代替手工除銹和清洗。

人類手臂是由骨骼和連接它們的關(guān)節(jié)構(gòu)成，關(guān)節(jié)有1個(gè)或多個(gè)自由度。人類手臂有7個(gè)自由度，其中肩關(guān)節(jié)為3個(gè)，肘關(guān)節(jié)為1個(gè)，手關(guān)節(jié)為3個(gè)，屬于冗余手臂。人類手臂由于有這樣的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置的情況下，可以通過旋轉(zhuǎn)肘關(guān)節(jié)來改變手臂的姿態(tài)，能回避障礙物。因此，人類手臂在靈活性和可靠性方面所表現(xiàn)出來的優(yōu)勢是無與倫比的。本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂為仿人雙臂，即像人一樣為雙臂結(jié)構(gòu)，較單臂而言，本文設(shè)計(jì)的雙臂可以起到固定作用，能通過控制系統(tǒng)使雙臂同步運(yùn)動打磨，其總體的運(yùn)動形式和人工打磨相似，但是可減少打磨帶來的副作用，在噴塑廠可以加工大批量鐵皮，實(shí)現(xiàn)流水線工作，在噴塑除銹領(lǐng)域有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖1中，鐵皮被放置在工作臺上，2條手臂夾持角磨機(jī)，大臂和小臂通過傳感裝置，控制氣壓馬達(dá)使活塞桿下降，使末端夾持的末端執(zhí)行器定位到工作起點(diǎn)，通過角磨機(jī)安裝軸里面的位移傳感器反饋位移，自動啟動肘部的電機(jī)。肩關(guān)節(jié)電機(jī)不動，小臂轉(zhuǎn)動直接帶動末端執(zhí)行器開始打磨工作，通過PLC設(shè)置電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使手部從事弧線往復(fù)運(yùn)動，即同一弧面往復(fù)打磨2次。打磨2次完畢后，小臂復(fù)位，大臂轉(zhuǎn)動使手臂收縮，準(zhǔn)備打磨下一弧面，然后大臂不動，小臂啟動繼續(xù)打磨，如此往復(fù)。

圖1 機(jī)械手傳動原理

執(zhí)行機(jī)構(gòu)基本參數(shù)為：

1) 手部負(fù)重2.51 kg(被抓取的對象為角磨機(jī))，直徑為60～80 mm；

2) 自由度數(shù)為4，沿Z軸上下，繞Z軸旋轉(zhuǎn)，沿X軸展開，繞X軸旋轉(zhuǎn)；

3) 坐標(biāo)型式：圓柱坐標(biāo)；

4) 最大工作半徑822.5 mm，最小工作半徑282 mm；

5) 工作對象：鐵皮(最大尺寸800×800)；

6) 手臂運(yùn)動參數(shù)

伸縮行程(X)：450 mm

伸縮速度：≤150 mm/s

升降行程(Z)：150 mm

升降速度：≤60 mm/s

回轉(zhuǎn)范圍(φ)：0～180°

回轉(zhuǎn)速度：≤70 mm/s

手腕運(yùn)動參數(shù)

回轉(zhuǎn)范圍(ω)：0～180

回轉(zhuǎn)速度：90 mm/s

手臂驅(qū)動方式：電氣(步進(jìn)電機(jī))驅(qū)動

手部驅(qū)動方式：氣壓驅(qū)動

控制方式：PLC控制

機(jī)械手主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)、驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、傳感裝置以及位置檢測裝置等組成。系統(tǒng)關(guān)系如圖2所示。機(jī)械臂工作流程如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)關(guān)系示意圖

圖3 機(jī)械臂工作流程

2 運(yùn)動學(xué)方程

從運(yùn)動學(xué)角度看，雙臂機(jī)械手打磨工件的關(guān)鍵在于如何根據(jù)作業(yè)的要求，確定出雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動的約束條件以及相應(yīng)的運(yùn)動控制規(guī)律；然后根據(jù)協(xié)調(diào)運(yùn)動關(guān)系，按主臂所規(guī)定的目標(biāo)軌跡，規(guī)劃出從臂的關(guān)節(jié)位置和速度，并進(jìn)一步推導(dǎo)出主臂與從臂關(guān)節(jié)加速度之間的關(guān)系。在規(guī)劃完畢后，主臂與從臂按照各自設(shè)計(jì)好的運(yùn)動路徑，以及相應(yīng)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行運(yùn)動，即可滿足相關(guān)的雙臂打磨要求。

末端執(zhí)行器的線速度和角速度與關(guān)節(jié)速度的關(guān)系可由雅克比矩陣J(qj)表示，即：

其中：J1(qj)為J(qj)的前3行，代表雅克比矩陣；Ja(qj)為J(qj)的后3行，代表姿態(tài)雅克比矩陣。

因雙臂機(jī)械手2個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)一致，現(xiàn)僅對其中1個(gè)在Matlab環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動仿真，依據(jù)工作需求對其進(jìn)行軌跡規(guī)劃，并求解機(jī)械手關(guān)節(jié)的位置角度及運(yùn)動角速度。在Matlab中建立可視化模型，如圖4所示。

圖4 機(jī)械手可視化模型

軌跡規(guī)劃參數(shù)為：

初始位姿：q0=[10,-20]*pi/180；

終止位姿：q1=[100,-80]*pi/180；

時(shí)間：t=2 s

求得兩關(guān)節(jié)的位置、速度曲線如圖5所示。

圖5 兩關(guān)節(jié)運(yùn)動角度、角速度分析

3 PLC控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于雙臂作業(yè)機(jī)械手的工作流程及順序，本文采用西門子S7-200 PLC進(jìn)行控制，I/O分配表見表1，仿真結(jié)果如圖6所示。如圖6所示，所設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)能滿足所設(shè)計(jì)的作業(yè)要求。

表1 I/O分配

圖6 西門子仿真電平

圖6中，0～t7時(shí)為PLC控制下左機(jī)械手的打磨作業(yè)流程，右機(jī)械手完成擦拭作業(yè)，左/右機(jī)械手控制作業(yè)流程一致，區(qū)別僅在于機(jī)械手末端的工具。其中： 0～t1表示啟動控制按鈕后，活塞桿就位的時(shí)間段；t1～t2表示小臂運(yùn)動至右限位時(shí)間；t2～t3表示活塞桿抬起時(shí)間段；t3～t4表示大臂彎曲時(shí)間段；t4～t5活塞桿重新就位過程；t5～t6表示小臂左轉(zhuǎn)作業(yè)時(shí)間；t6～t7表示活塞桿復(fù)位時(shí)間。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種雙臂機(jī)械手，并基于作業(yè)要求，對其結(jié)構(gòu)組成、系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了介紹?；贒-H算法，求解了雙臂機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程；并對所設(shè)計(jì)雙臂機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動學(xué)方程和PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，在一定程度上為雙臂機(jī)器人的技術(shù)研究提供了借鑒意義。