1、調研報告題目：作者： 2015年3月1日目錄第一章 引言1第二章 國內外現狀22.1國外的研究現狀與發展22.2國內的研究現狀與發展3第三章 關鍵技術53.1雙臂教學機器人的運動學正解與逆解51）運動學正解52）運動學逆解53.2雙臂教學機器人仿真61）機構簡化62）手臂姿態規劃71）雙臂機器人結構特征及其運動特點82）從臂最優無碰撞軌跡的搜索113.4協調操作121）自由度約束132）工作空間的約束133）點位約束及軌跡約束134）力約束13第四章 經典應用14安裝14救援15修理16處理危險品18進行危險實驗19總結20參考文獻21第一章 引言多機器人的協同作業是制造業發展的必然要求，雙臂

2、機器人就是適應這一要求而開發出的一種新型機器人，相對于單臂機器人它可以大大增強機器人對復雜裝配任務的適應性，同時可以提高工作空間的利用效率。當前大多數工業機器人的應用是為單臂機器人獨自工作的能力準備的，這樣的機器人只適應于特定的產品和工作環境，并且依賴于所提供的專用設備和工具。這些傳統機器人，以六軸機械手臂為例，當初幾乎可以說是為了滿足焊接工作在空間中的運動而設計成的。事實上，當年機械手臂最主要的用途，就是替人類去完成類似焊接這一類最為辛苦的工作。一般地，單臂機器人只適合于剛性工件的操作，并受制于環境，隨著現代工業的發展和科學技術的進步，對于許多任務而言單臂操作是不夠的。因此，為了適應任務的復

3、雜性、智能性的不斷提高以及系統柔順性的要求而擴展為雙手協調控制。即由兩個單臂機器人相互協調、相互配合的去完成某種作業，但由于組成雙手協調控制系統的是兩個機器人它們不可能是兩個單手機器人的簡單組合，除了它們各自共同目標的控制實現外，它們相互間的協調控制以及對環境的適應性就成為組合的關鍵，這樣雙手協調控制機器人系統的進一步應用就受到了限制。而雙臂機器人能完成對于人來說易于實現的功能，它比雙手協調機器人更具有實用價值，它的高自律性以及學習性，能夠適應許多環境，使其在工業生產、危險處理、國防、航天航空等方面運用廣泛。第二章 國內外現狀2.1國外的研究現狀與發展國外對雙臂機器人的研究始于20世紀90年代

4、初,當時研究工作主要在雙臂的運動軌跡規劃(包括碰撞避免)、雙臂協調控制算法及操作力或力矩的控制等幾方面。對運動軌跡規劃的研究主要是基于多機器人在同一環境下工作而無碰撞展開的。這方面的研究工作通常分路徑規劃和軌跡規劃兩部分進行。部分學者對沿著特定路徑運動的機器人的雙臂控制問題進行了比較深入的研究，他們利用機器人的動力學方程建立了考慮機器人動力特性的最優軌跡規劃算法。此外通過運用計算機仿真手段來找到每步運動的最佳路線,達到解決碰撞避免問題。概括地講這些研究較好地解決了二維的運動軌跡規劃問題,但對三維空間和具有冗余度的雙臂運動軌跡規劃方法和策略研究甚少。雙臂協調控制是雙臂機器人研究中的熱點, 而且大

5、多數的研究也是以比照兩個單臂機器人一起工作時的協調控制為出發點的。雙臂協調控制包括手與工作執行位置之間的相對運動的控制和對保證目標軌跡連續性的控制。日本一些學者通過建立對協調操作性的評價,提出了相對可操作度和相對操作力度的操作指標,在此基礎上設計了滿足操作指標的工作位置與工作實際目標軌跡能分別指定的協調控制系統的新的控制算法。另外一些日本學者通過建立位置與力的混合控制理論,采用混合位置與力控制實驗方式找出保證雙臂協調控制的關節力或力矩的最佳效果。美國Sarkar等對兩臂操作一個巨大物體時的協調控制提出了一個新的理論框架,這一理論框架不僅給出了明確的目標運動的控制,而且也明確了在兩臂和目標之間通

6、過控制在接觸時滾動運動的接觸位置。控制算法是一個消除了動態及解耦輸出的非線性反饋，這類雙臂協調控制的研究都是針對某一特定作業要求所提出的。雙臂操作力或力矩的研究主要是進行對目標的操作算法和優化控制力。有些日本學者運用模糊神經網絡的方法設計對目標的軌跡控制和操作力大小的控制,提出了用于主神經網絡控制器的Delta-Bar-Delta學習比率適應法；另一些日本學者在雙臂機械手對柔性薄板的操作控制研究中,首先基于柔性薄板的有限元模型運用Lagrange方程推導出了薄板的靜態變形與施加在薄板的彎曲應力之間的關系,然后設計了一個借助于對薄板施加的合力來操作薄板的運動以及借助于對薄板施加的內力來控制薄板變

7、形的控制算法,并通過工業機器人的實驗證明所提出的控制系統是有效的。日、美等國的研究人員憑借其先進的制造技術和手段以及雄厚的研究經費的支持,在對雙臂機器人的研究中,正著重對微機器人雙臂協調控制、雙臂柔性動作協調控制以及對柔性物體操作的雙臂協調控制等方面開展理論和實驗研究工作,以擴展機器人的工作能力和應用領域。2.2國內的研究現狀與發展國內對雙臂機器人的研究僅有十年左右的時間。由于我國制造業自動化技術水平和工業現代化水平與國外存在著較大的差距,就單臂機器人本身的研究，雖然已經有了一定的成果，但對雙臂機器人的研究還還不夠深入。受許多相關技術和研究條件的制約,目前國內對雙臂機器人的研究主要涉及運動軌跡

8、規劃、動力學以及協調控制等方面。運動軌跡規劃的研究主要是確定雙臂工作時的無碰撞路徑規劃以及協調運動。上海交大機器人研究所對雙臂機器人時間最優軌跡規劃問題作了深入研究,成功地運用動態規劃法對沿著特定路徑運動的雙臂機器人左、右臂進行了時間最優軌跡規劃,從而保證機器人左、右臂在無碰撞的前提下,實現時間最優運動。哈爾濱工業大學的研究人員以雙臂自由飛行空間機器人為背景的自主規劃運動控制研究，通過建立雙臂自由飛行空間機器人的運動學和動力學模型，得到微重力環境下該雙臂機器人的廣義雅可比矩陣來描述機械手末端速度和各關節角速度之間的關系，然后建立該雙臂機器人在浮游狀態下捕捉目標的任務規劃算法及路徑規劃算法，并通

9、過仿真系統驗證其理論的正確性和算法的可行性。信陽師院的研究人員在充分考慮雙臂機器人機構特性條件下，應用遞推算法建立雙臂機器人機構在協調運動的速度約束方程以提高數值計算速度實現雙臂機器人的實時控制。動力學及協調控制方面的研究主要是確定雙臂機器人在某位形狀態下沿指定方向的傳遞性能和傳力性能。國防科大的研究人員提出了速度可操作性測度和力可操作性測度概念用于指導確定雙臂機器人的最佳操作位姿。天津大學的研究人員針對受控多體系統提出了力約束的概念、力學描述及其性質，通過引入偏(角)速度和廣義力、Kane方程為基礎建立了具有力約束的受控多體系統動力學方程，并實現了動力學求解.燕山大學的研究人員討論了多機械手

10、協同系統的無內力抓取及相應的動載分配方法，以用于對多機械手協同操作系統的協調控制的進一步研究。第三章 關鍵技術3.1雙臂教學機器人的運動學正解與逆解1）運動學正解為了進行工作區域仿真，首先必須求運動學正解，即由手臂運動角度確定手臂末端位置。下面以左臂為例求機器人的運動學正解，右臂解法類似。圖.中的OA是左大臂,長為L1;AB是左小臂,長為L2。采用笛卡兒坐標系，O為原點,X軸水平向右,Y軸垂直向上。由圖1可知，若變量和已知，則點B的坐標即正解為:圖 12）運動學逆解為了驗證機器人的工作區域和傳動角的范圍,必須求機器人的運動學逆解。逆解主要應用在手臂某種運動軌跡的實現中，即從軌跡點反解出手臂關節

11、須運動的角度。在圖1中,若點B的坐標、L1和L2已知，則逆解為:式中：。3.2雙臂教學機器人仿真1）機構簡化為了實現仿真智能化，即手臂在仿真運動過程中能自動識別極限位置，必須對機器人的機體、手臂和四連桿機構進行簡化，以獲取相關位置參數。由于機器人的運動只是手臂的平面運動，因此上述各部件均可簡化成平面圖形，如圖2所示。機體的簡化：將機體簡化為球場形區域EFGHIJ,其中的矩形區域PQRS高于機體的其他部分。四連桿機構的簡化：左臂四連桿由大臂、外桿2個個關節圓、關節圓與大臂間的連桿組成、如圖3所示。考慮到四連桿中除大臂外其他桿件的橫向尺寸在仿真智能化中不起作用，故用直線代替；由于在仿真中需要四連桿

12、的關節參數，因此其關節以圓的形式給出。手臂的簡化：在仿真過程中需要的手臂參數主要是手臂的外四角參數，因此可將兩頭大中間小的手臂部件轉化成矩形部件，矩形的寬度是手臂寬度的最大值。圖 2圖 32）手臂姿態規劃手臂姿態規劃的主要任務是構造不同姿態的手臂。在利用運動學正解求出機器人手臂的關節點后，便可進行手臂姿態規劃，即由手臂的關節點求手臂所在矩形的四角坐標。手臂的姿態不同，四角坐標的求法也不同，對圖4所示姿態的左小臂，若已知軸線AB到MN邊的距離D0，關節點A到MM邊的距離D1關節點B到NN邊的距離D2和關節點坐標,則可依據幾何關系,求得手臂的四角坐標、為：圖 4當機器人執行任務時，兩個操作臂在同一

13、工作空間中同時運動，每一個操作臂均是另一操作臂的運動障礙物，它們之間存在著碰撞的可能。因此，它的無碰撞運動規劃具有其獨特的特點，給定雙臂機器人左、右臂末端的各自起點目標點，規劃出機器人雙臂無碰撞最優運動軌跡，以左臂為主臂，右臂為從臂，主臂相對從臂具有較高的運動優先權，從臂根據主臂規劃好的軌跡，進行碰撞檢測，然后應用A*法搜索出從臂的最優無碰撞運動軌跡。下面介紹雙臂機器人結構特征及其運動特點以及從臂最優無碰撞軌跡的搜索方法：1）雙臂機器人結構特征及其運動特點本文的研究對象為兩白由度SCARA型機器人，根據其結構特征和運動特點可以簡化如圖5，即兩個臂的運動都可以分別看成由XY平面內的兩個四邊形的運

14、動。圖 5 在XY平面中，四邊形可以表示為集合其中N是一個2X 4階矩陣，它的第i列是四邊形的外向單位法矢量;d是一個4維矢量，它的第i個元素是沿負的方向度量的從原點到垂直第i邊的矢量的長度;p;(i= 1,)是四邊形P邊上的一點當左上臂運動時，將其平面運動看作為由轉動和平動合成的，此時的四邊形表示為其中R( (t)是一個旋轉正交矩陣，q ( t)是p中參考點(取左上臂和左下臂問的關節處)的平移矢量其值為其中L如圖1, l1是左下臂的長度， (t)為左下臂的轉角。左下臂只有定軸轉動，故可以應用上述p(t)來表達左下臂，只是需要將q(t)去除。由于假定左臂為主臂，可以根據需要進行CP或PTP控制

15、，故R(（t)和q(t)是已知的，從而可以獲得任意時刻的左臂四邊形的位置。 在實際裝配工作中，為了避免碰撞的發生，要根據速度和加速度來選擇適當的安全距離，在本規劃方法中，將此距離放在左臂上，將左臂的四邊形向外擴大距離。即在計算中的d時，按放大了距離的四邊形來計算。對從臂的兩個四邊形的邊界分別進行離散化，從四邊形的一頂點開始沿長度和寬度方向以不大于的問距取點當到另一頂點的剩余長度不足一個間距時將點取在該頂點處然后從此頂點開始按上述方式繼續取點。在圖1所示坐標系下右上臂四邊形左側邊上一點的坐標可以表示為其中l1，是右下臂的長度,b是其寬度，I是右上臂左側邊界上一點距關節處頂點的距離，是右臂關的轉角

16、。右上臂邊界上其它離散點以及右下臂邊界上的離散點可以類似得出。2）從臂最優無碰撞軌跡的搜索考慮從臂的二維關節空間，并將其等分成m*n部分，每一部分的長寬分別，即需要說明的是，在進行關節空間劃分時，要參照關節額定上限角速度，使得機器人轉動時，在時間段內每次最多可到達如圖6所示的8個鄰接坐標點。圖 6假設在開始工作時，主臂和從臂不處在相互碰撞位置。整個算法分為碰撞檢測和最優無碰撞軌跡的搜索兩個部分，碰撞檢測的步驟為：（1）取上述從臂離散的關節空間中8個鄰接坐標點中的一個的關節坐標值；（2）以此關節坐標值按與3式4式基本相似的公式可得到這個關節空間鄰接坐標點，再從臂上各個劃分點的相應的笛卡兒坐標值；

17、（3）將獲得的這些笛卡兒坐標值再代入1式和2式，判斷1式不等式的不等號的左邊的值是否大于0；（4）如果對從臂上各劃分點，步驟（3）中的值是大于0的，則這些點均不在主臂四邊形內。由前述從臂四邊形邊界上的這些劃分方法保證了從臂四邊形邊界上的所有點都不在主臂的四邊形邊界，即此關節位置的主從臂不相互碰撞。相反，如果對從臂上各劃分點，步驟（3）中的值有任一個小于或等于0，則說明這一點在主臂四邊形內，也就是說在此關節位置主臂和從臂相碰撞；（5）對關節空間中8個鄰接坐標點其余的點分別執行步驟（1）-（4）進行碰撞檢測。通過碰撞檢測可以得到從臂下一步運動可能與主臂碰撞的關節位置和不發生碰撞的位置。發生碰撞的位

18、置是不可取的位置，不發生碰撞的位置是下一步的可能運動位置。在上述離散的關節空間中，由于同一從臂關節位置與下一步運動不發生碰撞的位置常常不止一個，需要對其進行選擇。本算法采用人工智能中的 *搜索算法，*搜索算法不斷利用節點發生器產生節點，并不斷利用代價函數 f（c）選擇從起始點到目標節點所要經過最優節點。本算法中選代價函數為f（c）=g(c)+h(c)其中:f(c)表示節點c的代價函數;g(c)表示從起始點到c點所需要的時間;h(c)表示從c點到目標點的直線距離,其值不大于h*(c)。3.4協調操作 為了實現機器人雙臂或多臂協調作業，機器人間必須在時間和空間兩個方面同時滿足一定的約束關系。對單機

19、器人來說，其約束關系比較簡單，主要受其自身和環境的限制，而對于多機器人而言，約束關系將變得復雜，其約束關系主要分為以下幾方面：1）自由度約束 當兩手搬運一剛體時，整個系統形成閉鏈系統，其自由度數銳減，閉鏈后的自由度數為n=m1*6-m2*(6-j)其中，m1為機器人連桿數;m2為機器人關節數。j為關節的自由度數，通常情況下為1。2）工作空間的約束 由于要進行協調作業，所以必須考慮機器人共同的可達空間。在可達空間內，要考慮機器人間以及機器人與環境的約束關系。3）點位約束及軌跡約束 在機器人的協調作業中，某些作業要求點位約束，如雙機器人的裝配作業，它要求機器人在特定的時間以某種姿態到達指定的位置。

20、這就要求考慮機器人到達該點的約束關系，如位置、姿態、時間及速度等。而有些作業則要求考慮機器人的軌跡約束關系，如雙機器人共同搬運一剛體或為了完成某一特定任務。機器人在運動期間要求手爪保持一定姿態且跟蹤某一固定的軌跡。4）力約束在某些情況下，多機器人僅靠手爪點接觸的摩擦力來抓取物體。為了操縱物體，必須在物體上施加一定的力。因此在運動過程中，不僅需要位置與姿態保持一定的約束關系，同時要有一定的力作用在物體上。此外，當操縱對象與環境接觸時，還要考慮與環境接觸所產生力的約束關系。第四章 經典應用隨著工業機器人發展的深度和廣度以及機器人智能水平的提高，工業機器人已在眾多領域得到了應用。此前，工業機器人已廣

21、泛應用于汽車及汽車零部件制造業、機械加工行業、電子電氣行業、橡膠及塑料工業、食品工業、木材與家具制造業等領域中。現在的機器人應用范圍越來越廣，特別是雙臂機器人以其獨特的性能廣泛用于安裝、救援、修理、處理危險品、進行危險實驗等領域中，雙臂機器人的應用不僅節約了人力物力，而且增加了產品的可靠性和提高了實驗的安全性，其發展必定給個人及社會帶來巨大的利益。安裝不管是以前還是現在以前機器人總是能幫人類完成許多的安裝工作，例如機器人擰螺絲、機器人安汽車門、機器人扣啤酒蓋等簡單操作，但諸如手機電腦內部精密器件、一些高精度儀器的安裝，普通的單臂機器人尚且不能完成。這些就需要雙臂機器人來操作，雙臂機器人作為一個

22、完整的機器人系統，雙臂之間存在著依賴關系。它們分享使用傳感數據，雙臂之間通過一個共同的聯接形成物理耦合，最重要的是兩臂的控制器之間的通信，使得一個臂對與另一個臂的反應能夠作出對應的動作、軌跡規劃和決策，也就是雙臂之問具有協調關系。這使得雙臂機器人的操作更加精準、更加高效，能夠完成許多單臂機器人不能完成的工作，如手機電腦硬盤的安裝、航空器件的安裝等。1雙臂機器人正在安裝硬盤架救援救援機器人為救援而采取先進科學技術研制的機器人，如地震救援機器人，它是一種專門用于大地震后挖掘的機器人。蘆山地震發生后,應國家地震應急救援搜救中心邀請,來自江蘇新沂的志愿企業把剛剛研制成功下線的雙動力只能雙臂手救援機器人

23、搬運到了災區前線參加救援任務。這是中國獨立研究的雙臂機器人，它通過雙手臂協調作業，能夠完成對坍塌物的剪切、分解和分離，實現最大效率搶救人員、財物。并能進行生命探測、圖像傳輸、故障自診等。這是該設備第一次用于抗震救災的實戰。 2大型雙臂機器人參與蘆山地震救援修理如今，人類在太空的活動越來越多，將有大量的空間艙內和艙外任務如大型空間站的建筑、維護及服務;空間設備的維修;衛星的捕捉及維修等。.這些大量而危險的工作不可能僅靠宇航員去完成，采用空間機器人協助或代替宇航員的工作在經濟性和安全性方面都具有重要的意義。目前太空的修理及維護工作大部分還是由人來完成，只有少數可以由地面指揮機器人完成，這不僅浪費了

24、人力物力，還大大降低了效率。但是隨著雙臂機器人研究的深入及運用的擴展，它的能力也漸漸探入太空中，如今已經有許多雙臂機器人投入到太空飛船的維護及修理中。其中美國國家航空航天局（NASA）和俄羅斯聯邦航天局（RKA）所研究的雙臂機器人更是引領世界，其中俄羅斯最新機器人-SAR-401，將承擔國際空間站90%的工作。3 SAR-401智能雙臂機器人4 NASA空間站雙操作臂機器人處理危險品在世界上許多戰亂國家中，到處都散布著未爆炸的各種彈藥以及各種化學武器。例如，海灣戰爭后的科威特，就像一座隨時可能爆炸的彈藥庫，敘利亞和伊朗擁有的大量化學武器，隨時都有可能致死成千上萬。在伊科邊境一萬多平方公里的地區

25、內，有16個國家制造的25萬顆地雷，85萬發炮彈，以及多國部隊投下的布雷彈及子母彈的2500萬顆子彈，其中至少有20沒有爆炸。而且直到現在，在許多國家中甚至還殘留有一次大戰和二次大戰中未爆炸的炸彈和地雷。目前處理爆炸物的機器人主要是履帶式的，但雙臂機器人也發展迅速，它被廣泛用于處理化學物品中，能夠避免人類直接接觸，安全可靠。5雙臂機器人處理危險品進行危險實驗經過數十年的發展機器人不僅可以進行修理安裝，還能進行許多危險實驗，例如汽車碰撞試驗、危險化學實驗等。其中研究成果最為突出的是由日本自電機巨頭安川株式會社和日本國立先進工業技術（AIST）研發一款新型機器人Mahoro。它可以代替人類成為實驗室的操作人員。Mahoro雙臂機器人擁有7個關節，這樣可以讓它像人類那樣靈活，使用各種精密儀器Mahoro完全可以在實驗室全自動化得運行，并且還可以比人類操作更快、更精確地完成研究任務。另外，它還可以完成一些具有危