雙臂搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與動態(tài)仿真分析

曹東江， 王 強(qiáng)， 王 寧

(航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710077)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)器人在生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，但目前應(yīng)用大多是單臂機(jī)器人獨(dú)自工作的情形。對于許多比較復(fù)雜、特殊的作業(yè)任務(wù)如搬運(yùn)重物、裝配和維修復(fù)雜工件等，單臂機(jī)器人仍代替不了技術(shù)工人來完成操作任務(wù)[1]。為了適應(yīng)這些高難度作業(yè)，一些學(xué)者開始著手研究通過兩個或多個操作臂協(xié)調(diào)操作來實(shí)現(xiàn)單臂機(jī)器人無法完成的任務(wù)[2]，這樣就產(chǎn)生了雙臂機(jī)器人。雙臂機(jī)器人模仿人類雙臂協(xié)作的生物學(xué)機(jī)理，具有靈活性高、適應(yīng)能力強(qiáng)、性價(jià)比高和可提高工作空間的利用率等優(yōu)點(diǎn)，可在一些特殊復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)[3]，對雙臂作業(yè)機(jī)器人的研究逐漸成為下一代機(jī)器人研究的熱點(diǎn)之一[4-5]。

目前世界各國已研發(fā)出多種雙臂作業(yè)機(jī)器人[4]，如瑞士ABB 公司開發(fā)的Yumi機(jī)器人雙臂各具有7個自由度，該機(jī)器人手臂末端裝備了柔性手爪，通過傳感器可以實(shí)現(xiàn)空間六維感知[6-7]；日本東北大學(xué)研制的空間雙臂機(jī)器人可捕獲空間漂浮物體；美國Rethink公司研制的Baxter，其雙臂各有7個自由度，單臂負(fù)載2.25 kg，可實(shí)現(xiàn)高精度運(yùn)動[8]。

國內(nèi)北京理工大學(xué)研發(fā)名為“匯童”的仿人雙臂機(jī)器人，配備傳感系統(tǒng)，突破了靈巧動作控制和自主協(xié)調(diào)反應(yīng)等關(guān)鍵技術(shù)[9-10]；首鋼莫托曼公司研制成功了雙機(jī)器人弧焊系統(tǒng)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)等在空間雙臂機(jī)器人的設(shè)計(jì)和參數(shù)優(yōu)化問題等方面進(jìn)行了有益的研究工作[11]。

當(dāng)前對雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)多集中在靈巧機(jī)械手，智能化高，可從事復(fù)雜作業(yè)，但是承載量小，結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜。結(jié)合實(shí)際需求，設(shè)計(jì)一種雙六自由度搬運(yùn)機(jī)械臂，采用雙臂協(xié)作，可有效減輕單個臂上所承受的力矩，增加機(jī)器人的承載能力，在末端夾手平移運(yùn)動的情況下工作,比兩個單臂機(jī)器人相應(yīng)動作的控制簡單[12]，且穩(wěn)定性好，在雙臂姿態(tài)相對變化的情況下，通過兩臂的較好配合能夠調(diào)整搬運(yùn)對象的姿態(tài)，適用于棒料搬運(yùn)、安裝、定位等操作。將該雙臂搬運(yùn)機(jī)器人固定于移動載具上，可以增加其活動空間和靈活性，通過配以視覺定位和測量系統(tǒng)，雙臂搬運(yùn)機(jī)器人可應(yīng)用于無人機(jī)小型導(dǎo)彈和炸彈(重量≤60 kg)的翼下掛裝或者復(fù)合掛架的掛裝，雙臂機(jī)器人可以將各種彈藥送往懸掛裝置，進(jìn)行準(zhǔn)確定位，實(shí)現(xiàn)自主彈藥掛裝，縮短無人機(jī)返程后二次起飛的準(zhǔn)備時間，節(jié)省人力，提高效率。

首先對雙臂搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并對其驅(qū)動方式、主要回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對機(jī)器人末端執(zhí)行器功能結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，建立機(jī)器人整體虛擬模型；然后給定機(jī)器人D-H參數(shù)，以LMS為仿真平臺，對機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)仿真，通過分析機(jī)器人運(yùn)動及關(guān)節(jié)曲線，驗(yàn)證了雙臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

1 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

相比于單臂機(jī)器人,雙臂機(jī)器人作為一個完整的機(jī)器人系統(tǒng),雙臂之間存在著依賴關(guān)系[12]。雙臂之間通過一個共同的聯(lián)接形成物理耦合,它們分享使用傳感數(shù)據(jù)，通過雙臂之間的協(xié)調(diào)控制、協(xié)調(diào)運(yùn)動[13]，完成一些復(fù)雜的工作任務(wù)。

1.1 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型雙臂結(jié)構(gòu)，其三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，是由10個轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)組成的雙六自由度搬運(yùn)機(jī)械臂。其機(jī)械臂結(jié)構(gòu)主要組成為：底座和腰部回轉(zhuǎn)部分、肩部回轉(zhuǎn)、大臂Ⅰ、大臂Ⅱ、大臂Ⅱ回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肘部、肘部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、肘部擺動關(guān)節(jié)、小臂、腕部、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和夾手等部分。其中，機(jī)械臂部分由10個驅(qū)動轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)組成，腰部回轉(zhuǎn)和肩部回轉(zhuǎn)為2個共用轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，雙臂各有4個回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，組成雙六自由度機(jī)械臂。兩個夾手部分采用梯形槽設(shè)計(jì)，各有一個自由轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)OH1和OH2，并無電機(jī)驅(qū)動，是額外的兩個隨動旋轉(zhuǎn)。雙臂搬運(yùn)機(jī)器人構(gòu)型示意圖如圖2所示。

圖1 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)模型

圖2 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人構(gòu)型示意圖

雙臂機(jī)器人位置定位由其前4個轉(zhuǎn)動環(huán)節(jié)(O，O1，O2x，O3x，x=1,2)確定，雖然其位置定位上關(guān)節(jié)數(shù)存在冗余，但是提高了雙臂定位的伸縮靈活性；而在姿態(tài)定位上，作為機(jī)器人單臂，采用2個姿態(tài)自由度(O4x,O5x，x=1,2)，這種結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的三自由度定姿結(jié)構(gòu)簡單，簡化了機(jī)器人腕部結(jié)構(gòu)，由于可以控制雙臂協(xié)調(diào)互動，機(jī)器人仍然可以在一定程度上調(diào)整末端搬運(yùn)對象的空間姿態(tài)，以適應(yīng)工作任務(wù)要求。

1.2 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動方式的確定

由于雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在工作時往往需要輸出較大的扭矩和較平穩(wěn)的運(yùn)動,結(jié)合電動機(jī)具有承受的扭矩小、輸出速度大的特點(diǎn)，雙臂機(jī)器人的各個關(guān)節(jié)驅(qū)動系統(tǒng)采用“伺服電動機(jī)+RV減速器”的驅(qū)動形式。

1.3 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1) 腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。

基座將雙臂搬運(yùn)機(jī)器人與地面或移動載具進(jìn)行固定，承載了機(jī)器人全部的重量，也是連接腰部的機(jī)構(gòu)，雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的腰部運(yùn)動設(shè)計(jì)為回轉(zhuǎn)形式，電機(jī)安裝在基座上方，通過RV減速器直接和腰部回轉(zhuǎn)殼體連接，電機(jī)輸出軸直接與RV減速器相連，帶動整個腰部在基座上旋轉(zhuǎn)工作，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人腰部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)

(2) 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人臂部驅(qū)動回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。

雙臂機(jī)器人臂部也稱臂部操作機(jī)，是機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)中重要的部件,它的作用是支撐肘部、腕部和手部,并將末端執(zhí)行器運(yùn)動到指定的位置上。雙臂機(jī)器人采用關(guān)節(jié)型側(cè)置式(擺式)臂部結(jié)構(gòu)確定機(jī)器人手部的位置和姿態(tài)，該結(jié)構(gòu)主要優(yōu)點(diǎn)是關(guān)節(jié)上、下臂的活動范圍大,使機(jī)器人的工作空間幾乎能成為一個球體[14],其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)器人臂部回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)圖

雙臂機(jī)器人臂部為對稱式雙臂結(jié)構(gòu)，大臂Ⅱ回轉(zhuǎn)處的電機(jī)和減速器安裝在大臂Ⅱ關(guān)節(jié)腔內(nèi)，電機(jī)輸出軸直接與RV減速器相連，驅(qū)動RV減速器帶動大臂Ⅱ及其之后的小臂和腕部運(yùn)動，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 機(jī)器人雙臂內(nèi)部傳動結(jié)構(gòu)圖

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人其余肩部、肘部、腕部等回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)和所述臂部驅(qū)動結(jié)構(gòu)類似，都是伺服電機(jī)驅(qū)動RV減速器間接帶動機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，這里不再贅述。

(3) 雙臂機(jī)器人末端執(zhí)行器。

末端執(zhí)行器是雙臂搬運(yùn)機(jī)器人直接進(jìn)行工作的部分,也叫末端夾持器、夾手。可因搬運(yùn)對象不同而設(shè)計(jì)不同的末端夾持器，這里以工作對象是長圓棒狀為例，機(jī)械臂末端的夾持器采用類似梯形槽的設(shè)計(jì)，可以方便地對棒料進(jìn)行卡位夾持，完成搬運(yùn)工作。梯形槽內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)安裝防滑材料，可以防止棒料在有小角度傾斜時出現(xiàn)滑動，通過轉(zhuǎn)軸將其安裝連接在機(jī)器人指端，形成回轉(zhuǎn)型夾手，該設(shè)計(jì)可以避免在搬運(yùn)類似棒料的任務(wù)中因兩個夾手凹槽方位不一致而引起干涉，并無電機(jī)驅(qū)動結(jié)構(gòu)，是額外的兩個隨動旋轉(zhuǎn)，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖6所示。搬運(yùn)棒料操作模型如圖7所示，在實(shí)際應(yīng)用中，在這兩個旋轉(zhuǎn)副中加入扭簧，使夾手接觸工件時隨工件轉(zhuǎn)動，脫離工件時能夠迅速回中。

圖6 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

圖7 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)棒料操作模型

2 雙臂機(jī)器人動態(tài)仿真分析

將雙臂搬運(yùn)機(jī)器人三維模型各個部件導(dǎo)入到LMS Virtual.Lab Motion 3D仿真平臺中，在各個部件的關(guān)節(jié)連接處建立坐標(biāo)系，創(chuàng)建關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副，并添加約束與驅(qū)動[15]。根據(jù)前述雙臂機(jī)器人結(jié)構(gòu)，共需要12個旋轉(zhuǎn)副參與運(yùn)轉(zhuǎn)，其中，前10個旋轉(zhuǎn)運(yùn)動副由電機(jī)和減速器直接驅(qū)動控制，用于實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的位姿變化，后2個旋轉(zhuǎn)副用于實(shí)現(xiàn)工件沿豎直中心軸方向的旋轉(zhuǎn)。其建模結(jié)果如圖8所示。

圖8 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在LMS.motion中模型

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人D-H參數(shù)如表1所示，機(jī)器人D-H坐標(biāo)系如圖9所示，為使圖面簡潔，對稱的雙臂只畫出了右臂坐標(biāo)系。

表1 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人D-H參數(shù)表

圖9 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人D-H坐標(biāo)系

主要設(shè)計(jì)性能參數(shù)如下。

① 最大工作半徑：1800 mm；

② 最大舉升高度：1500 mm；

③ 末端有效負(fù)載：≤60 kg；

④ 機(jī)械臂重量：≤600 kg。

為了顯示雙臂機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)，設(shè)計(jì)機(jī)器人動態(tài)工作過程，使機(jī)器人經(jīng)歷6個關(guān)鍵位姿點(diǎn)O、A、B、C、D、E，整個工作過程是機(jī)器人“托舉棒料—中間搬運(yùn)移動—在目標(biāo)位置定位安裝(經(jīng)歷關(guān)鍵點(diǎn)需要調(diào)整到符合該點(diǎn)位姿)”幾個簡單動作的任務(wù)流程。 確定好關(guān)鍵點(diǎn)末端姿態(tài)之后，通過雙臂機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)可以確定機(jī)器人各個關(guān)節(jié)軸的角度位置，綜合利用關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃和直角坐標(biāo)軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行任務(wù)軌跡規(guī)劃[16]，整個工作任務(wù)行程時間為40 s，通過把Matlab中的運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入LMS中，驅(qū)動機(jī)器人運(yùn)動，其末端軌跡曲線如圖10所示，機(jī)器人各關(guān)鍵點(diǎn)在LMS中的姿態(tài)如圖11所示。

圖10 雙臂機(jī)器人工作任務(wù)末端軌跡圖

圖11 雙臂機(jī)器人在O、A、B、C、D、E各關(guān)鍵點(diǎn)姿態(tài)

根據(jù)LMS仿真處理數(shù)據(jù)，可以得出運(yùn)動規(guī)劃中關(guān)節(jié)1和關(guān)節(jié)2角位移曲線(如圖12所示)、機(jī)器人左臂4個關(guān)節(jié)角位移曲線(如圖13所示)、機(jī)器人右臂4個關(guān)節(jié)角位移曲線(如圖14所示)。由數(shù)據(jù)曲線可以看出，各個關(guān)節(jié)運(yùn)動平滑，運(yùn)行無卡滯，通過設(shè)定不同位姿的關(guān)鍵點(diǎn)，檢測雙臂能夠協(xié)調(diào)運(yùn)動，有效控制負(fù)載的姿態(tài)，使雙臂搬運(yùn)機(jī)器人能夠適應(yīng)搬運(yùn)棒料及棒狀彈藥等更多的工作情況。

圖12 關(guān)節(jié)1、關(guān)節(jié)2角位移曲線

圖13 左臂4個關(guān)節(jié)角位移曲線

圖14 右臂4個關(guān)節(jié)角位移曲線

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種雙臂搬運(yùn)機(jī)器人，采用雙臂協(xié)作，可增加機(jī)器人的承載能力和操作靈活性，適用于棒料搬運(yùn)、安裝、定位等操作。通過回轉(zhuǎn)梯型槽夾持器的設(shè)計(jì)，避免了在搬運(yùn)棒料的過程中兩個夾手凹槽方位不一致而引發(fā)干涉的情況，整體結(jié)構(gòu)靈活緊湊，能滿足機(jī)器人在各個方向上接近和搬運(yùn)目標(biāo)物的要求。

對雙臂搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行動態(tài)仿真分析，通過設(shè)置運(yùn)動軌跡上各種姿態(tài)的關(guān)鍵點(diǎn)，驗(yàn)證了雙臂機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上可以適應(yīng)工作任務(wù)過程中各種姿態(tài)的調(diào)整，并且各個關(guān)節(jié)運(yùn)動平滑、無卡滯，反映了機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性和操作的靈活性。設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和其動態(tài)分析成果對后期的雙臂機(jī)器人動力學(xué)分析和控制技術(shù)研究具有一定的參考價(jià)值。