一種雙臂機器人的設計與實現*

劉先明

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳518055）

一種雙臂機器人的設計與實現*

劉先明

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳518055）

設計的雙臂機器人采用并行結構方式，雙臂之間應用錐齒輪傳動原理進行雙臂切換，通過光學技術控制雙臂旋轉位置及機器人的尋跡，并在直流電機的控制下實現機器人的抓取、搬運、尋線等作業.抓取臂部采用新型的合金鋁材，并通過有限元法的分析，在臂部應力集中部位實施加強筋設計，不僅降低其運動負載，優化了轉動慣量，而且增強了剛性，雙臂采用滾動軸承支承，雙臂切換平穩準確.實驗表明，該機器人性能穩定，結構可靠， 簡單易行.

雙臂機器人；自動化；精確換位

國外對雙臂機器人的研究始于20世紀90年代初，主要體現在雙臂的運動軌跡規劃、雙臂協調控制算法及操作力或力矩的控制等方面[1].國內雙臂機器人的研究起步較晚，僅有兩三年的時間，受相關技術和研究條件的制約，主要涉及運動軌跡規劃、動力學以及協調控制等方面.

本文研究一種適合在一個工位上可對不同工件轉換的雙臂機器人機械結構，實現其運動軌跡規劃、雙臂協調控制及力矩操控.

1 系統結構設計

雙臂機器人機械結構[2]，主要包括行走部件和手形部件及雙臂旋轉驅動部件.行走部件包括底盤及可驅動底盤組件，手形部件設置于升降架上，包括二組機械臂組件，機械臂組件交錯設置，雙臂可在180°范圍內，以同心軸方式進行交替旋轉，底盤配有尋線傳感器，在升降機構的上方設置有顏色傳感器，在控制器和軟件的作用下，按照設置的運動軌跡尋線驅動，到達指定位置時，可破壞對方已放的物料而替換成自己的，實現不同位置的抓取、裝配.

圖1 雙臂機器人整體結構

1.1 雙臂機器人的結構

雙臂機器人整體結如圖1所示，主要包括電源系統、機械傳動系統、傳感系統、直流系統、步進驅動系統和單片機控制系統.其中電源系統提供電機所需能源驅動車載機構[3]，實現底盤的車輪驅動，在尋線傳感器控制下實現運動軌跡的規劃，按照不同的戰略，機器人可在比賽場地背景上尋線，到達某個預期位置，在顏色傳感器識別下，搭建裝配或破壞對方已有物料.與單臂機構比較，雙臂機構功能更為強大，它一次可搬運 2個模塊，節省搬運的時間，在賽事中無疑是制勝關鍵技巧之一.雙臂機構是由雙臂轉換機構實現90°換向，在尋線傳感器作用下尋跡，在顏色傳感器的作用下實現對目標位置的準確定位，可按賽事規則預設置若干個戰術方案儲存到控制器中，在竟賽中可按對方的戰術選擇對應的戰略方案獲取勝利.

1.2 雙臂

雙臂結構圖如圖2所示，左夾持臂和右夾持臂的端部均連接有鋼絲繩，在電機驅動轉動軸，繩索隨著轉軸旋轉.當電機正向轉動，轉動軸也將同步正向轉動，繩索將纏繞于轉動軸上，使左夾持臂和右夾持臂的后端被拉緊而相向靠攏，與此同時，左夾持臂和右夾持臂的前端將張開，以便于夾持物品.反之，電機反轉繩索隨轉軸反向旋轉，繩索松弛，左夾持臂和右夾持臂的前端在彈簧的作用下將閉合，實現對物品的抓取.另一機械臂與此相同.

圖3 為雙臂交錯結構示意圖，本結構采用步進電機驅動來實現雙臂的換向旋轉運動，并設有機械定位裝置和傳感器控制定位以實現精確的定位，提高換位精度和效率，雙臂機械手置于轉換機構的上方.

1.3 底盤

底盤結構圖如圖4所示，底盤下方設置有車輪組件，包括2個萬向輪和2個驅動輪，底盤前方半圓弧部分是車載機構到達目標位置時導向.

底盤的下方安裝多個紅外傳感器和尋線傳感器及可分別控制左、右驅動輪的控制電路板，紅外線傳感器可對地面上的白色軌跡線進行識別[2]，通過設置紅外傳感器，裝置通過讀取紅外傳感器反饋回來的信號，以判斷裝置前部的中心偏離白線的程度，而后查糾偏表得出左、右驅動輪的速度增量，使左、右驅動輪在糾偏時轉速逼近理想控制曲線，來實現非線性控制，以分別控制左、右驅動輪的速度差，使得裝置能夠快速平穩的沿著事先規劃的白線行進.所謂理想的控制曲線就是根據人的經驗得到的車體尋線過程中左、右輪的速度控制曲線.

圖2 雙臂結構圖

圖3 雙臂交錯結構示意圖

圖4 底盤結構

2 運動控制原理及實現

機器人系統控制圖如圖5所示，動力部分采用 1.5AH的鉛酸蓄電池,單片機采用的是美國Parallax公司的BS40型，車載驅動電機采用德國MAXSON直流電機，其功率為70 W，并接上瑞士FAULHABER生產的MCBL3006/S型驅動器[2].電機調速采用其指令模式，即通過單片機串行口，輸出ASCII碼形式的指令碼，給驅動器串口，以控制電機的運行[3].在該模式下，電機的速度由串口給定的目標值來確定.機械臂組件上升、下降、開爪與關爪、旋轉換位等多個動作也采用同樣類型直流減速電機控制，而機械手的提升采用寬同步帶傳動，以提高穩定性[4].機械手驅動電機有3個：一個電機驅動同步帶傳動機構實現機械手上升和下降；一個電機控制機械臂的張開和閉合；一個電機驅動錐齒輪組使兩組機械臂轉換位置.3個直流減速電機都可用一驅動電路驅動.

圖5 系統控制圖

在單片機的控制下[5]，在底盤前下端設有多個紅外傳感器間隔排列，且中央區域處的紅外傳感器的排列間距小于兩側區域處的紅外傳感器的排列間距.尋線傳感器組使用的白線檢測點的數量有限，實際上檢測到的位置反饋是離散的，而在任意時刻都可能有1或2個檢測點位于白線上方[6]，可以最大的一個偏離檢測點的優先規則對傳感器組的 15個檢測點進行編碼控制，本機構中，共設置15個紅外傳感器，設置于底盤前端的下方，且于中央部分紅外傳感器放置較為密集，以使裝置行走穩定性佳，越靠外，紅外傳感器放置越稀疏，以提高裝置的糾偏能力.

在升降機構的上方設有顏色攝像頭.顏色攝像頭用于識別物品的顏色，并可根據指令將其夾起.機器人在程序控制下，沿著白色引導線，到達指定位置，通過升降機構，把雙臂轉換機構提升到指定位置，其一機械臂組件通過張爪、收抓以夾取貨物，然后再根據編程，按引導線到達另一指定位置，通過轉換機構使該機械臂轉動 90°度，從而將該機械臂組件轉動到機械臂組件的一邊，與此同時，另一機械臂組件將轉動到指定位置即前方位置，通過提升，張爪、收抓以夾取另一貨物，然后再通過轉動裝置，轉動機械臂組件，把機械臂組件中的貨物裝載到指定位置，更換貨物，然后沿著尋導線，帶回更換的貨物，實現貨物的搬運與更換.

3 提高精度的方法

欲減小電路反饋電阻的功耗，最直接的方法就是降低反饋電阻的阻值，在電流相同的情況下[7]，根據電阻功耗公式可知：電阻阻值能降低多少比例，功耗亦能降低多少比例.但是，反饋電阻的阻值減小意味著反饋的電壓值不足，電路將無法工作.因此需要設計一個放大電路，在減小反饋電阻阻值的同時，保證反饋的電壓大小不變，在反饋電壓電路中采用差分放大電路處理后，其驅動電路的反饋通路損耗降低明顯[8]，總輸出效率提高了約3.5%，可靠性增強，并采用參數自整定模糊PID控制算法，而PID調節器是一種線性調節器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)的偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)通過線性組合構成控制量.模糊自整定PID控制器以被控對象的反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID的參數Kp、Ki、Kd進行參數自整定，可以滿足不同時刻的e和ec對PID參數整定的要求.利用模糊規則在線對PID參數進行修改，便構成了自整定模糊PID控制器.有效地降低了超調量，超調量是指輸出量的最大值減去穩態值，與穩態值之比的百分數，超調量只與阻尼比有關.對于 RLC二階系統，阻尼比ξ=L/2R*sqrt(1/(LC))，ξ越大，超調量越小，縮短了電機啟動的時間，并將每個 L298芯片的兩路輸出并聯，得到連續多出一倍的電流輸出，從而增大驅動力，提高電機的控制精度.

4 結 語

本文設計的雙臂機器人機械結構，具有新、巧、妙特征的多工位抓取物件功能，在單片機控制下，實現了機器人尋線、位置識別、物料抓取、搬運、投放裝配等作業.將該機構引入到教學或技能大賽中，可改變過去實驗過于抽象，不夠直觀，賽事中主動性差，創造性和趣味性低的不足，有利于激發學生的學習興趣，培養和提高學生的動手能力和創造力.

［1］ 周驥平，顏景平，陳文家.雙臂機器人研究的現狀與思考［J］.機器人（ROBOT），2001（03）：23-27.

［2］ 劉先明.鋰電池自動拋投機構及檢測的設計［J］.鄖陽師范高等專科學校學報，2009，29（3）：58-59.

［3］ 何躍軍，陳偉，劉先明.搬運機器人驅動系統的設計與實現［J］.微特電機，2008（04）：32-45.

［4］ 王戰中，王文龍，靳超松，等.具有固定重力補償的機器人控制研究［J］.機械設計與制造，2015（3）：54-58.

［5］ 劉超穎，彭發展，王戰中，等.基于MATLAB的非球型手腕6R噴漆機器人手臂參數優化設計［J］.機械設計與制造，2010（11）：146-147.

［6］ 袁麗，田國會，李國棟.NAO機器人的視覺伺服物品抓取操作［J］.山東大學學報（工學版），2014（03）：57-63.

［7］ 史恩秀，陳敏敏，李俊，等.基于蟻群算法的移動機器人全局路徑規劃方法研究［J］.農業機械學報，2014（06）：53-57.

［8］ 蔣美云，郭雷，鐘宜星.基于任務分解的機器人路徑規劃導航［J］.計算機與現代化，2014（08）：16-20.

The Design and Implementation of a Dual-Arm Robot

LIU Xianming
（School of Mechanical and Electrical Engineering, Shenzhen Polytechnic, Shenzhen, Guangdong 518055, China）

A parallel structure is applied in the design of a dual-arm robot. The bevel gear transmission allows the arms to switch easily. Optical technology is used to control the rotation position of the arms and the tracing of the robots. Under the control of a direct-current generator, the robot can achieve grabbing, carrying and do several other works. A new type of alloy aluminum is applied to make the arms. Through the analysis of finite element method (fem), the reinforced design in the arm stress concentration area can reduce the arms’exercise load, optimize its moment of inertia, and enhance itshardness.With a rolling bearing, the arms can switch smoothly and accurately. The experiments show that this robot is stable in performance, reliable in structure and simple in operation.

dual-arm robot; automation; accurate transposition

TP2

A

1672-0318（2016）05-0013-04

10.13899/j.cnki.szptxb.2016.05.003

2016-04-20

*項目來源：深圳職業技術學院自然科學研究重點項目（項目編號：601622K21004）

劉先明（1959-），男，湖北十堰人，高級工程師，研究領域：機械工程及工程材料.