一种双臂打磨机械手设计

李 懿，马翔宇

( 西安航空学院 机械工程学院， 西安 710077)

鉴于单机械臂在功能上的局限性，双臂作业机器人因其灵活性好、协调性强和可靠性高等优势[1]受到越来越广泛的关注。双臂机器人最早在工业自动化生产线、社会服务等方面得到发展和应用，近年来逐渐向空间作业、深海作业和危险品处理等领域扩展。而拟人双臂机器人比普通的双臂机器人具有更高的灵活性，更适合于特殊复杂作业环境的操作任务需求。

双臂作业机器人作为一个完整的机器人系统，根据其应用，大致可分为三大类：拟人双臂机器人、面向工厂生产任务的双臂作业机器人、面向空间应用的空间双臂机器人[2]。日本比较具有代表性的双臂服务机器人是ASIMO[3]。德国的机器人专家、工程师研发的双臂机器人ARMAR是一款既能在车间执行作业任务，又能在生活中给人类提供服务的双臂机器人[4]。航空领域的空间双臂机器人比较具有代表性的是NASA和GM合作研发的Robonaut 2[5]。国内在双臂机器人研究方面也取得了不少成就。黄强教授带领的团队研制了双臂机器人“汇童”[6]。北京航空航天大学机器人研究所基于空间舱内的作业任务，设计了共存于一共享工作空间双机器人的系统实验平台[7]。中国科学院沈阳自动化研究所研制了双臂宜人机器人系统。北京工业大学通过模块组成了双臂机器人系统等[8]。

协调控制是双臂机械手的重要性能指标之一。目前，针对双臂机器人系统的控制方法主要集中在主从纯位置控制、主从位置/力控制以及位置/力补偿控制方法、混合位置/力控制和阻抗控制方法等[9]。刘佳等[10]针对平面双臂协调搬运机械手的动力学建模问题，基于传统的拉格朗日方程求解了平面多杆机械手动力学方程的一般表达式，且基于Udwadia-Kalaba方程，获得双臂协调机械手在预定轨迹下各杆所需附加力矩的解析表达式及系统的动力学方程。申浩宇等[11]针对冗余度双臂机器人协调操作的避障规划问题，提出了一种基于自运动特性的避障算法。

本文针对人工铁皮除锈这一问题，结合人体躯体的双臂机构，设计了一种仿人双臂除锈机械手，分析研究双臂机械手的运动学方程，并对机械手的控制系统进行设计，依据西门子PLC控制特点及机械手工作流程，求解机械手的I/O分配表和PLC的梯形图。

1 双臂机械手结构设计

钢材是各种工业使用最多的原材料，普通的钢材可以通过不同的加工处理达到理想的材质。然而，钢材若保存不当则会被空气锈蚀，锈蚀的钢材质地变脆。日常产业选用机械除锈、化学除锈和手工除锈。手工除锈，即使用砂轮或钢丝轮除锈。手工除锈一般是人持角磨机砂轮或者钢丝轮打磨除锈，然后采用盐酸除锈(或用硫酸加水)，再用干抹布擦拭晾干。由于手工除锈时会产生有害的灰尘、大量的噪声，且对作业人员产生一定的危害，因此，本文设计了一种仿人双臂机械手来代替手工除锈和清洗。

人类手臂是由骨骼和连接它们的关节构成，关节有1个或多个自由度。人类手臂有7个自由度，其中肩关节为3个，肘关节为1个，手关节为3个，属于冗余手臂。人类手臂由于有这样的冗余性，在固定了指尖方向和手腕位置的情况下，可以通过旋转肘关节来改变手臂的姿态，能回避障碍物。因此，人类手臂在灵活性和可靠性方面所表现出来的优势是无与伦比的。本文设计的机械臂为仿人双臂，即像人一样为双臂结构，较单臂而言，本文设计的双臂可以起到固定作用，能通过控制系统使双臂同步运动打磨，其总体的运动形式和人工打磨相似，但是可减少打磨带来的副作用，在喷塑厂可以加工大批量铁皮，实现流水线工作，在喷塑除锈领域有一定的应用价值。

图1中，铁皮被放置在工作台上，2条手臂夹持角磨机，大臂和小臂通过传感装置，控制气压马达使活塞杆下降，使末端夹持的末端执行器定位到工作起点，通过角磨机安装轴里面的位移传感器反馈位移，自动启动肘部的电机。肩关节电机不动，小臂转动直接带动末端执行器开始打磨工作，通过PLC设置电机的正反转，使手部从事弧线往复运动，即同一弧面往复打磨2次。打磨2次完毕后，小臂复位，大臂转动使手臂收缩，准备打磨下一弧面，然后大臂不动，小臂启动继续打磨，如此往复。

图1 机械手传动原理

执行机构基本参数为：

1) 手部负重2.51 kg(被抓取的对象为角磨机)，直径为60～80 mm；

2) 自由度数为4，沿Z轴上下，绕Z轴旋转，沿X轴展开，绕X轴旋转；

3) 坐标型式：圆柱坐标；

4) 最大工作半径822.5 mm，最小工作半径282 mm；

5) 工作对象：铁皮(最大尺寸800×800)；

6) 手臂运动参数

伸缩行程(X)：450 mm

伸缩速度：≤150 mm/s

升降行程(Z)：150 mm

升降速度：≤60 mm/s

回转范围(φ)：0～180°

回转速度：≤70 mm/s

手腕运动参数

回转范围(ω)：0～180

回转速度：90 mm/s

手臂驱动方式：电气(步进电机)驱动

手部驱动方式：气压驱动

控制方式：PLC控制

机械手主要由执行机构、驱动系统、控制系统、传感装置以及位置检测装置等组成。系统关系如图2所示。机械臂工作流程如图3所示。

图2 系统关系示意图

图3 机械臂工作流程

2 运动学方程

从运动学角度看，双臂机械手打磨工件的关键在于如何根据作业的要求，确定出双臂协调运动的约束条件以及相应的运动控制规律；然后根据协调运动关系，按主臂所规定的目标轨迹，规划出从臂的关节位置和速度，并进一步推导出主臂与从臂关节加速度之间的关系。在规划完毕后，主臂与从臂按照各自设计好的运动路径，以及相应的运动参数进行运动，即可满足相关的双臂打磨要求。

末端执行器的线速度和角速度与关节速度的关系可由雅克比矩阵J(qj)表示，即：

其中：J1(qj)为J(qj)的前3行，代表雅克比矩阵；Ja(qj)为J(qj)的后3行，代表姿态雅克比矩阵。

因双臂机械手2个机械臂结构一致，现仅对其中1个在Matlab环境下进行运动仿真，依据工作需求对其进行轨迹规划，并求解机械手关节的位置角度及运动角速度。在Matlab中建立可视化模型，如图4所示。

图4 机械手可视化模型

轨迹规划参数为：

初始位姿：q0=[10,-20]*pi/180；

终止位姿：q1=[100,-80]*pi/180；

时间：t=2 s

求得两关节的位置、速度曲线如图5所示。

图5 两关节运动角度、角速度分析

3 PLC控制系统设计

鉴于双臂作业机械手的工作流程及顺序，本文采用西门子S7-200 PLC进行控制，I/O分配表见表1，仿真结果如图6所示。如图6所示，所设计的PLC控制系统能满足所设计的作业要求。

表1 I/O分配

图6 西门子仿真电平

图6中，0～t7时为PLC控制下左机械手的打磨作业流程，右机械手完成擦拭作业，左/右机械手控制作业流程一致，区别仅在于机械手末端的工具。其中： 0～t1表示启动控制按钮后，活塞杆就位的时间段；t1～t2表示小臂运动至右限位时间；t2～t3表示活塞杆抬起时间段；t3～t4表示大臂弯曲时间段；t4～t5活塞杆重新就位过程；t5～t6表示小臂左转作业时间；t6～t7表示活塞杆复位时间。

4 结束语

本文设计了一种双臂机械手，并基于作业要求，对其结构组成、系统构成进行了介绍。基于D-H算法，求解了双臂机械手的运动学方程；并对所设计双臂机械手的结构设计、运动学方程和PLC控制系统进行了详细阐述，在一定程度上为双臂机器人的技术研究提供了借鉴意义。