馬利娜，王成軍

雙臂型巡檢清障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析與軌跡規(guī)劃

馬利娜1,2，王成軍1,2

（1. 深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001；2. 安徽理工大學(xué) 人工智能學(xué)院，安徽 淮南 232001）

針對(duì)機(jī)器人在巡檢領(lǐng)域的清障問題，以雙臂型巡檢清障機(jī)器人為研究對(duì)象?；贛DH法建立巡檢清障機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行相關(guān)驗(yàn)證；根據(jù)蒙特卡羅法分別畫出左右臂的工作空間點(diǎn)云圖，求解出雙臂協(xié)作工作空間的范圍；在CoppeliaSim軟件中建立巡檢清障機(jī)器人模型，并通過Lua腳本語言控制機(jī)器人進(jìn)行清障軌跡規(guī)劃。仿真結(jié)果表明該機(jī)器人滿足運(yùn)動(dòng)要求。

巡檢清障機(jī)器人；雙臂；運(yùn)動(dòng)學(xué)；工作空間；軌跡規(guī)劃

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，巡檢機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于運(yùn)輸、檢修、巡檢等環(huán)境中，在煤礦產(chǎn)業(yè)由勞動(dòng)化向機(jī)械化生產(chǎn)轉(zhuǎn)型中發(fā)揮著不可替代的作用。雙臂機(jī)器人模仿人類雙臂協(xié)作的生物機(jī)制，可在一些特殊復(fù)雜多變的環(huán)境中完成作業(yè)任務(wù)[1–2]，雙臂型巡檢清障機(jī)器人的研究已然成為研究熱點(diǎn)。曹彩霞等[3]對(duì)雙SCARA機(jī)器人采用DH法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；荊學(xué)東等[4]對(duì)雙臂服務(wù)機(jī)器人利用蒙特卡羅法進(jìn)行工作空間分析；萬正海等[5]對(duì)雙臂機(jī)器人關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃進(jìn)行分析；葛連正等[6]基于V-REP對(duì)六自由度機(jī)器人進(jìn)行軌跡規(guī)劃分析。課題組通過MDH法建立雙臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；使用蒙特卡羅法對(duì)雙臂工作空間進(jìn)行分析；在CoppeliaSim軟件中通過Lua腳本語言控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，為后續(xù)巡檢清障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制提供理論依據(jù)。

1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的建立

通過SolidWorks軟件裝配后的雙臂型巡檢清障機(jī)器人，如圖1所示。

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是根據(jù)機(jī)械臂連桿間幾何關(guān)系，目前建立連桿坐標(biāo)系的方法有旋量法[7]、T矩陣法、DH法[8]等，采用MDH法建立巡檢清障機(jī)器人雙臂的各連桿坐標(biāo)系，如圖2所示。以巡檢清障機(jī)器人右臂為例，連桿參數(shù)如表1所示。

圖1 巡檢清障機(jī)器人三維模型圖

圖2 巡檢清障機(jī)器人雙臂的MDH坐標(biāo)系

表1 巡檢清障機(jī)器人右臂的MDH參數(shù)表

2 巡檢清障機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

2.1 正運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

根據(jù)MDH法建立運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，按照右乘法則，將各連桿對(duì)應(yīng)的齊次變換矩陣依次相乘，給定關(guān)節(jié)角變量，求解操作臂末端坐標(biāo)系相對(duì)基坐標(biāo)系的位姿[9]。機(jī)械臂相鄰連桿之間的齊次變換矩陣[10]的一般表達(dá)式為：

巡檢清障機(jī)器人右臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

2.2 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解

2.3 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)驗(yàn)證

表2 右臂末端位姿所得逆解

3 工作空間分析

巡檢清障機(jī)器人的工作空間由左臂和右臂的可達(dá)工作空間共同決定。蒙特卡羅法[12]錯(cuò)誤！未找到引用源。是通過隨機(jī)數(shù)求取機(jī)器人工作空間，具備簡(jiǎn)單和計(jì)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，適用于求解各種關(guān)節(jié)機(jī)械臂的工作空間。

采用蒙特卡羅法對(duì)巡檢清障機(jī)器人的工作空間進(jìn)行仿真分析，根據(jù)左右臂的關(guān)節(jié)角，及各關(guān)節(jié)有相應(yīng)的角度范圍約束，結(jié)合正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程和在其約束內(nèi)隨機(jī)取值，得到末端執(zhí)行器位置空間坐標(biāo)值的集合即機(jī)器人的工作空間，繪制巡檢清障機(jī)器人工作空間點(diǎn)云圖如圖3所示，協(xié)作工作空間為巡檢清障機(jī)器人左右臂工作空間疊加部分。

圖3 巡檢清障機(jī)器人工作空間

4 清障軌跡規(guī)劃

以巡檢清障機(jī)器人雙臂協(xié)作完成清障作業(yè)運(yùn)動(dòng)到指定狀態(tài)為例，在CoppeliaSim軟件中建立巡檢清障機(jī)器人模型，并通過 Lua腳本語言控制機(jī)器人，雙臂初始狀態(tài)及目標(biāo)狀態(tài)如表3所示。

表3 巡檢清障機(jī)器人雙臂狀態(tài)

規(guī)劃的巡檢清障機(jī)器人雙臂路徑通過機(jī)械臂正運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算出的末端軌跡如圖4所示，對(duì)機(jī)械臂清障作業(yè)過程進(jìn)行無干涉軌跡規(guī)劃后，以 50 ms為間隔生成總時(shí)長(zhǎng)3 s，其中關(guān)節(jié)角度隨時(shí)間變化如圖 5所示，由圖5可以看出，規(guī)劃的路徑平滑無突變，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，同時(shí)說明巡檢清障機(jī)器人雙臂各連桿設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。

圖4 雙臂末端軌跡

圖5 關(guān)節(jié)角速度隨時(shí)間變化圖

圖6 基于任務(wù)的雙臂軌跡規(guī)劃

5 結(jié)論

基于MDH法建立了巡檢清障機(jī)器人雙臂正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程及運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的正確性。采用蒙特卡羅法求解巡檢清障機(jī)器人的協(xié)作工作空間，驗(yàn)證了其工作空間滿足機(jī)器人清障的空間需求。在CoppeliaSim軟件中建立巡檢清障機(jī)器人模型，再通過 Lua腳本語言控制機(jī)器人進(jìn)行清障軌跡規(guī)劃，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的巡檢清障機(jī)器人能夠有效完成清障等工作要求。

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Kinematics Analysis and Trajectory Planning of Dual-armed Obstacle-clearing Inspection Robot

MA Li-na1,2，WANG Cheng-jun1,2

(1. State Key Laboratory of Mining Response and Disaster Prevention and Control in Deep Coal Mines, Huainan Anhui 232001, China; 2. School of Artificial Intelligence, Anhui University of Science and Technology, Huainan Anhui 232001, China)

For the problem of obstacle clearing in inspection robots, a dual-armed obstacle-clearing inspection robot is taken as the research object. The kinematics equation of the obstacle-clearing inspection robot is established based on modified Denavit-Hartenberg method, and is verified by mathematical derivation and simulation experiments. The point cloud maps of the working space of the left and right arms are drawn respectively, and the range of the working space of the two arms is solved according to the Monte Carlo method. The model of obstacle-clearing inspection robot is established in CoppeliaSim, and the robot is controlled by Lua script language for obstacle clearing trajectory planning.

obstacle-clearing inspection robot; dual arm; kinematics; range of working space; trajectory planning

2022-04-14

深部煤礦采動(dòng)響應(yīng)與災(zāi)害防控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（SKLMRDPC19ZZ01）

馬利娜(1997—)，女，陜西榆林人，碩士研究生，研究方向：機(jī)器智能與人機(jī)融合。

A

2095-9249（2022）03-0078-05

〔責(zé)任編校：陳楠楠〕