一种双臂机器人的设计与实现*

刘先明

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳518055）

一种双臂机器人的设计与实现*

刘先明

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳518055）

设计的双臂机器人采用并行结构方式，双臂之间应用锥齿轮传动原理进行双臂切换，通过光学技术控制双臂旋转位置及机器人的寻迹，并在直流电机的控制下实现机器人的抓取、搬运、寻线等作业.抓取臂部采用新型的合金铝材，并通过有限元法的分析，在臂部应力集中部位实施加强筋设计，不仅降低其运动负载，优化了转动惯量，而且增强了刚性，双臂采用滚动轴承支承，双臂切换平稳准确.实验表明，该机器人性能稳定，结构可靠， 简单易行.

双臂机器人；自动化；精确换位

国外对双臂机器人的研究始于20世纪90年代初，主要体现在双臂的运动轨迹规划、双臂协调控制算法及操作力或力矩的控制等方面[1].国内双臂机器人的研究起步较晚，仅有两三年的时间，受相关技术和研究条件的制约，主要涉及运动轨迹规划、动力学以及协调控制等方面.

本文研究一种适合在一个工位上可对不同工件转换的双臂机器人机械结构，实现其运动轨迹规划、双臂协调控制及力矩操控.

1 系统结构设计

双臂机器人机械结构[2]，主要包括行走部件和手形部件及双臂旋转驱动部件.行走部件包括底盘及可驱动底盘组件，手形部件设置于升降架上，包括二组机械臂组件，机械臂组件交错设置，双臂可在180°范围内，以同心轴方式进行交替旋转，底盘配有寻线传感器，在升降机构的上方设置有颜色传感器，在控制器和软件的作用下，按照设置的运动轨迹寻线驱动，到达指定位置时，可破坏对方已放的物料而替换成自己的，实现不同位置的抓取、装配.

图1 双臂机器人整体结构

1.1 双臂机器人的结构

双臂机器人整体结如图1所示，主要包括电源系统、机械传动系统、传感系统、直流系统、步进驱动系统和单片机控制系统.其中电源系统提供电机所需能源驱动车载机构[3]，实现底盘的车轮驱动，在寻线传感器控制下实现运动轨迹的规划，按照不同的战略，机器人可在比赛场地背景上寻线，到达某个预期位置，在颜色传感器识别下，搭建装配或破坏对方已有物料.与单臂机构比较，双臂机构功能更为强大，它一次可搬运 2个模块，节省搬运的时间，在赛事中无疑是制胜关键技巧之一.双臂机构是由双臂转换机构实现90°换向，在寻线传感器作用下寻迹，在颜色传感器的作用下实现对目标位置的准确定位，可按赛事规则预设置若干个战术方案储存到控制器中，在竟赛中可按对方的战术选择对应的战略方案获取胜利.

1.2 双臂

双臂结构图如图2所示，左夹持臂和右夹持臂的端部均连接有钢丝绳，在电机驱动转动轴，绳索随着转轴旋转.当电机正向转动，转动轴也将同步正向转动，绳索将缠绕于转动轴上，使左夹持臂和右夹持臂的后端被拉紧而相向靠拢，与此同时，左夹持臂和右夹持臂的前端将张开，以便于夹持物品.反之，电机反转绳索随转轴反向旋转，绳索松弛，左夹持臂和右夹持臂的前端在弹簧的作用下将闭合，实现对物品的抓取.另一机械臂与此相同.

图3 为双臂交错结构示意图，本结构采用步进电机驱动来实现双臂的换向旋转运动，并设有机械定位装置和传感器控制定位以实现精确的定位，提高换位精度和效率，双臂机械手置于转换机构的上方.

1.3 底盘

底盘结构图如图4所示，底盘下方设置有车轮组件，包括2个万向轮和2个驱动轮，底盘前方半圆弧部分是车载机构到达目标位置时导向.

底盘的下方安装多个红外传感器和寻线传感器及可分别控制左、右驱动轮的控制电路板，红外线传感器可对地面上的白色轨迹线进行识别[2]，通过设置红外传感器，装置通过读取红外传感器反馈回来的信号，以判断装置前部的中心偏离白线的程度，而后查纠偏表得出左、右驱动轮的速度增量，使左、右驱动轮在纠偏时转速逼近理想控制曲线，来实现非线性控制，以分别控制左、右驱动轮的速度差，使得装置能够快速平稳的沿着事先规划的白线行进.所谓理想的控制曲线就是根据人的经验得到的车体寻线过程中左、右轮的速度控制曲线.

图2 双臂结构图

图3 双臂交错结构示意图

图4 底盘结构

2 运动控制原理及实现

机器人系统控制图如图5所示，动力部分采用 1.5AH的铅酸蓄电池,单片机采用的是美国Parallax公司的BS40型，车载驱动电机采用德国MAXSON直流电机，其功率为70 W，并接上瑞士FAULHABER生产的MCBL3006/S型驱动器[2].电机调速采用其指令模式，即通过单片机串行口，输出ASCII码形式的指令码，给驱动器串口，以控制电机的运行[3].在该模式下，电机的速度由串口给定的目标值来确定.机械臂组件上升、下降、开爪与关爪、旋转换位等多个动作也采用同样类型直流减速电机控制，而机械手的提升采用宽同步带传动，以提高稳定性[4].机械手驱动电机有3个：一个电机驱动同步带传动机构实现机械手上升和下降；一个电机控制机械臂的张开和闭合；一个电机驱动锥齿轮组使两组机械臂转换位置.3个直流减速电机都可用一驱动电路驱动.

图5 系统控制图

在单片机的控制下[5]，在底盘前下端设有多个红外传感器间隔排列，且中央区域处的红外传感器的排列间距小于两侧区域处的红外传感器的排列间距.寻线传感器组使用的白线检测点的数量有限，实际上检测到的位置反馈是离散的，而在任意时刻都可能有1或2个检测点位于白线上方[6]，可以最大的一个偏离检测点的优先规则对传感器组的 15个检测点进行编码控制，本机构中，共设置15个红外传感器，设置于底盘前端的下方，且于中央部分红外传感器放置较为密集，以使装置行走稳定性佳，越靠外，红外传感器放置越稀疏，以提高装置的纠偏能力.

在升降机构的上方设有颜色摄像头.颜色摄像头用于识别物品的颜色，并可根据指令将其夹起.机器人在程序控制下，沿着白色引导线，到达指定位置，通过升降机构，把双臂转换机构提升到指定位置，其一机械臂组件通过张爪、收抓以夹取货物，然后再根据编程，按引导线到达另一指定位置，通过转换机构使该机械臂转动 90°度，从而将该机械臂组件转动到机械臂组件的一边，与此同时，另一机械臂组件将转动到指定位置即前方位置，通过提升，张爪、收抓以夹取另一货物，然后再通过转动装置，转动机械臂组件，把机械臂组件中的货物装载到指定位置，更换货物，然后沿着寻导线，带回更换的货物，实现货物的搬运与更换.

3 提高精度的方法

欲减小电路反馈电阻的功耗，最直接的方法就是降低反馈电阻的阻值，在电流相同的情况下[7]，根据电阻功耗公式可知：电阻阻值能降低多少比例，功耗亦能降低多少比例.但是，反馈电阻的阻值减小意味着反馈的电压值不足，电路将无法工作.因此需要设计一个放大电路，在减小反馈电阻阻值的同时，保证反馈的电压大小不变，在反馈电压电路中采用差分放大电路处理后，其驱动电路的反馈通路损耗降低明显[8]，总输出效率提高了约3.5%，可靠性增强，并采用参数自整定模糊PID控制算法，而PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量.模糊自整定PID控制器以被控对象的反馈值与目标值的误差e和误差变化率ec作为输入，用模糊推理的方法对PID的参数Kp、Ki、Kd进行参数自整定，可以满足不同时刻的e和ec对PID参数整定的要求.利用模糊规则在线对PID参数进行修改，便构成了自整定模糊PID控制器.有效地降低了超调量，超调量是指输出量的最大值减去稳态值，与稳态值之比的百分数，超调量只与阻尼比有关.对于 RLC二阶系统，阻尼比ξ=L/2R*sqrt(1/(LC))，ξ越大，超调量越小，缩短了电机启动的时间，并将每个 L298芯片的两路输出并联，得到连续多出一倍的电流输出，从而增大驱动力，提高电机的控制精度.

4 结 语

本文设计的双臂机器人机械结构，具有新、巧、妙特征的多工位抓取物件功能，在单片机控制下，实现了机器人寻线、位置识别、物料抓取、搬运、投放装配等作业.将该机构引入到教学或技能大赛中，可改变过去实验过于抽象，不够直观，赛事中主动性差，创造性和趣味性低的不足，有利于激发学生的学习兴趣，培养和提高学生的动手能力和创造力.

［1］ 周骥平，颜景平，陈文家.双臂机器人研究的现状与思考［J］.机器人（ROBOT），2001（03）：23-27.

［2］ 刘先明.锂电池自动抛投机构及检测的设计［J］.郧阳师范高等专科学校学报，2009，29（3）：58-59.

［3］ 何跃军，陈伟，刘先明.搬运机器人驱动系统的设计与实现［J］.微特电机，2008（04）：32-45.

［4］ 王战中，王文龙，靳超松，等.具有固定重力补偿的机器人控制研究［J］.机械设计与制造，2015（3）：54-58.

［5］ 刘超颖，彭发展，王战中，等.基于MATLAB的非球型手腕6R喷漆机器人手臂参数优化设计［J］.机械设计与制造，2010（11）：146-147.

［6］ 袁丽，田国会，李国栋.NAO机器人的视觉伺服物品抓取操作［J］.山东大学学报（工学版），2014（03）：57-63.

［7］ 史恩秀，陈敏敏，李俊，等.基于蚁群算法的移动机器人全局路径规划方法研究［J］.农业机械学报，2014（06）：53-57.

［8］ 蒋美云，郭雷，钟宜星.基于任务分解的机器人路径规划导航［J］.计算机与现代化，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

*项目来源：深圳职业技术学院自然科学研究重点项目（项目编号：601622K21004）

刘先明（1959-），男，湖北十堰人，高级工程师，研究领域：机械工程及工程材料.