双臂机器人的现状与研究

张胡祯宇

摘 要：双臂机器人作为机器人中的重要类别，应用于各种领域。对于双臂机器人的研究可以从其机械结构，控制技术，动力学分析和驱动技术等方面着手。

关键词：自动控制技术;双臂机器人;应用;现状;研究

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）06-0051-03

0 引言

‘robot一词源自捷克语robota，意为强迫劳动。自1954年第一台机器人问世以来，工业机器人已经发展了半个多世纪，取得了巨大的进步和成功。随着计算机技术的飞速发展，机器人更加的智能化、模块化。在越来越多的地区，用于工业领域的机器人已经取代了人类的劳动力，这极大地提高了生产效率。机器人技术是电子、自动化、计算机技术等领域的集合体。它已广泛应用于工业、民用、军事、空间科学等各个领域[11]。

中国现在已成为世界机器人的最大市场。对工业机器人需求不断增加，追根溯源是由于国家政策支持下的制造业产业升级和劳动力成本上升。工业机器人在工业4.0阶段有着重要的意义，而机械臂作为工业机器人中的一种典型形式，值得我们进一步研究。随着时代的发展，单个机器人已经不能满足生产的需求[20]，多个机器人的协调协助工作显得愈发重要。而其中，双臂机器人显然可以作为多机器人工作研究的起点[3]。

1 应用

如今，机械臂已经应用在各式各样的场合。例如，给无人机装配可折叠机械臂后，无人机获得了能在狭窄沟渠捡拾东西的能力，单独的无人机是无法做到的;而在天宫二号[1]中也有机械臂的应用[16]，空间机械臂[22]可以代替航天员进行一系列舱外活动[21]，降低了人类在舱外工作的风险[17]。生活中，机械臂假肢不仅能为截肢者提供便利，还可以作为孩子们的娱乐玩具，进行自由组合或客制化。美国旧金山一家名为Cafe X的咖啡店，每小时能做100-120杯咖啡，而店中已经完全不需要人类帮助，而用机械臂冲泡咖啡;Miso Robotics和Cali Group两家美国公司合作开发了Flippy双臂协作机器人，用于汉堡制作。而在医疗行业，如今的机械臂可以用来进行精密手术，第三代国产骨科手术机器人“天玑”，最高操作精度甚至可达0.1mm。

可以看出，机器人广泛应用于各个領域，特别是在工业装配过程中。它们还可以作为精密的残疾人机器人助理，为显微外科目的工作，在核场址执行净化任务，我们还可以为残疾人配备先进的机器人助理，同时机器人也能为显微外科目的工作，在核场内执行净化任务，对废物舱进行补救和清洗，组装航天飞机，降低空间应用中的空间发射费用[18]，在危险工厂处理废物，或在工业中从事高精度产品制造等复杂任务[9]。因此，分析它们的动态行为和控制已成为许多研究的热门课题。

2 研究

工业机器人是一种“在两个或多个轴上可编程的驱动机构，具有一定程度的自主性，在其环境中移动，以执行预定的任务”。工业机器人有不同的类型和模型，可以分为M.W.Spong、S.Hutchinson和M.Vidyasagar，根据不同的标准，可按它们的动力源或关节的驱动方式、机械结构或运动结构、有效载荷容量、工作空间体积、它们的控制方法或它们的预定应用范围来分类。在许多工业应用中，机器人被用于操作一组任务，任务排序和机器人之间的移动对应用的整体性能有很大的影响。在许多工厂中，机器人的运动仍然是手动优化的[24]，这十分昂贵且容易出错。因此，许多研究人员致力于寻找机器人运动最优轨迹的自动计算算法[26]。这一方法被证明是相当复杂的，因为有几个因素，例如冗余运动学、避免碰撞、执行任务的可能性不明确、复杂的目标函数等。

双臂机器人较之单臂机器人有更明显的优势。双臂机器人可以同时操作单臂双倍的工作，总功率更高，也可同时达到两个不同位置进行分别操作，甚至多个机器人可以物理上实现物体传递。类似于电学中的并联电路，若其中一个机器人损坏，另外的机器仍然能够正常工作。不过相较于普通的单个机器人，它的避障算法显然要复杂许多[6]。工业生产中，导致装配任务性能不佳甚至失败的一个主要原因是常规机器人系统中使用的绝对运动控制。使用这种控制方式，目标物体必须精确地放置在固定的坐标系中，因此，只控制机器人末端执行器在底座框架中的绝对姿态来操作目标物体。同时，机器人末端执行器或目标物体位置的不确定性或误差会影响机器人的操作，例如机器人标定误差、缺乏连杆刚度和无法预测的目标运动等。

目前对双臂机器人的研究，还没有形成一套完整体系，但可从其机械结构，控制技术，动力学分析和驱动技术等方面着手[25]。大多机械臂采用六轴[23]，已经可以遍历空间的所有点，但再增加一轴后的冗余机械臂将会变得更加灵活。中科新松有限公司副总裁杨跞认为，冗余机械臂可以完成更复杂的运动，并且在到达目标点之后，在操作上第七轴更能够获得极大的灵活度。DwivedandEberhard在2006年提出了关于柔性机械手的最新综合回顾，其中描述了柔性机械手智能控制的动力学分析。

人机协作机器人为双臂，相较于单臂机器人，双臂机器人更加类似人体的双手[2]，符合实际人类的身体情况，能够完成更复杂的机械运动，如同时操作多个物体等，但相对的，对其中一个机械臂来说，另一只机械臂是可当做障碍物，因此操作双臂机器人的难度比之单臂机器人大大提高。总之，双臂机器人不仅仅是两个独立的单臂机械臂，而是有着信息交流的不可分割的整体[5]。

1979年，国外引入了视觉伺服，以区别于一种新的控制方法。该技术将视觉信息融合到机器人通常的控制回路中，这种控制系统不仅是一个简单的反馈系统，而且是高速图像处理、运动学、控制理论和实时计算等多个领域融合的结果。结合传感器融合技术，研究了许多基于视觉的控制器，实现了工业、外科和空间的融合，以及军事用途。基于运动学的方法可以精确地控制机械手的速度。动态视觉伺服直接提供基于视觉反馈和非线性机器人动力学的关节输入。视觉传感器可以表示为一组传感器，而不仅仅是简单的视觉反馈。利用单视觉传感器，在不需要改变传感器位置的情况下，通过增强图像处理软件，可在同一时间内完成多个测量扫描[7]。

机械臂的路径规划有很多方法[13]，如模拟退火算法、人工势场法，蚁群算法、神经网络算法等，但没有哪一种算法是完美的。例如RRT[19]（快速探索随机树）[12]，所得路径不佳，一般不是最优路径[15]。因此对路径规划方法的研究与改进必不可少[14]。

无论怎样，人们希望机器人能够实现完全自动化，逐步达到自主运行，且能适应各种恶劣的环境。由于机器人动力学模型中存在非线性和不确定性，自适应控制被认为是机械机器人控制器设计的一种有效方法。推动这些发展还需要更深入的研究[8]。我们当前和未来的挑战是有效应对国际竞争力和消费者行为，并利用新技术的优势，按照新的原则设计工业机器人，以便在许多领域和行业中使用，提高性能，降低成本，与工人交流。有专家指出，由于工业过程的日益复杂，适应需求的日益增长，智能工业机器人系统正吸引着越来越多的人的关注[10]。

3 结语

本文给出了双臂机器人的应用现状与研究，值得欣慰的是，我国近期机器人制造有所水平提高，具体表现在我国进口工业机器人价格下降，而出口单价上升。我们应该继续深入研究，掌握核心技术，在与美国的贸易战中取得优势[4]，双臂机器人作为其中应用广泛的一大类，还有许多技术问题有待解决完善，这些都值得我们去付出时间与精力。

参考文献

[1] 刘宏，李志奇，刘伊威，等.天宫二号机械手关键技术及在轨试验[J].中国科学：技术科学，2018（12）：1313-1320.

[2] 彭惠民.新一代工业机器人的开发[J].铁道机车车辆工人，2007（03）：31.

[3] 刘立.双臂协作机器人引领中国机器人新纪元[J].机器人产业，2017（01）：46-49.

[4] 赵杰.国产工业机器人研究热点[J].测控技术，2018，37（10）：1-2.

[5] 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，2001（02）：175-177.

[6] 顾新兴，孙燕朴，冯纯伯.多机器人协调系统研究综述[J].系统工程与电子技术，1994（12）：9-20.

[7] M.T. Hussein，A review on vision-based control of flexible manipulators，2015.

[8] T. C. HSIA，ADAPTIVE CONTROL OF ROBOT MANIPULATORS -，4 REVIEW.

[9] H.N. Rahimia and M. Nazemizadehb，Dynamic analysis and intelligent control techniques for flexible manipulators： a review.

[10] Mariana Ratiu1 ， Mariana Adriana Prichici，Industrial robot trajectory optimization- a review.

[11] Yujin Zhanga，Vision Servo of Industrial Robot： A Review.

[12] 何兆楚，何元烈，曾碧.RRT与人工势场法结合的机械臂避障规划[J].工业工程，2017，20（02）：56-63.

[13] 杨明江.移动机械臂在未知环境下的运动规划应用系统[D].广东工业大学，2018.

[14] 疏杨.六自由度模块化机械臂路径规划仿真系统研究与实现[D].安徽理工大学，2018.

[15] 曹毅，郭梦诗，刘海洲.基于改进RRT算法的串联机械臂避障空间路径规划（英文）[J].机床与液压，2018，46（18）：70-76.

[16] 齐志刚，黄攀峰，刘正雄，韩冬.空间冗余机械臂路径规划方法研究[J/OL].自动化学报：1-8[2019-03-05].

[17] 吴伟仁，周建亮，王保丰，刘传凯.嫦娥三号“玉兔号”巡视器遙操作中的关键技术[J].中国科学：信息科学，2014，44（04）：425-440.

[18] 张海涛，唐立才，张敬鹏，景海龙.空间机械臂双臂协调操作路径规划算法[J].控制工程，2015，22（06）：1028-1033.

[19] 孙丰财，张亚楠，史旭华.改进的快速扩展随机树路径规划算法[J].传感器与微系统，2017，36（09）：129-131+135.

[20] 谢龙.冗余机械臂动态避障规划[D].浙江大学，2018.

[21] 税海涛.空间机器人目标捕获的运动规划研究[D].国防科学技术大学，2010.

[22] 顾晓勤，刘延柱.空间机械臂动力学与控制研究进展[J].力学进展，1997（04）：26-32.

[23] 杨明远，孙汉旭，贾庆轩，陈钢.七自由度空间机械臂避障路径规划方法[J].航天器工程，2011，20（04）：65-71.

[24] 王俊龙，张国良，羊帆，敬斌.改进人工势场法的机械臂避障路径规划[J].计算机工程与应用，2013，49（21）：266-270.

[25] 李大明，饶炜，胡成威，王耀兵，唐自新，王友渔.空间站机械臂关键技术研究[J].载人航天，2014，20（03）：238-242.

[26] 王兆光.六自由度机械臂避障路径规划研究[D].西南交通大学，2018.