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空中操作機(jī)器人：如何設(shè)計機(jī)械臂？

2022-06-06 10:30 作者:西湖大學(xué)空中機(jī)器人 0人讀過 | 我要投稿

在我們先前的文章當(dāng)中，我們介紹了空中作業(yè)能控制力的機(jī)械臂關(guān)節(jié)。那么作為空中作業(yè)重要部分的機(jī)械臂，在設(shè)計時應(yīng)該了解些什么呢？在過去的十多年里，空中作業(yè)機(jī)器人在高空工作區(qū)作業(yè)的能力快速發(fā)展，尤其在檢查和維護(hù)等任務(wù)中，帶來減成本和降風(fēng)險的好處。不難發(fā)現(xiàn)，空中作業(yè)搭載的機(jī)械臂，往往有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、響應(yīng)快、精度高等方面的特點(diǎn)。除此之外，設(shè)計機(jī)械臂時我們還需要掌握一些相關(guān)設(shè)計知識。接下來，我們淺談下在設(shè)計無人機(jī)搭載的機(jī)械臂需要了解的背景知識。

首先，來了解兩個專業(yè)術(shù)語：靈巧度（Dexterity）和順應(yīng)性（Compliance）[2]。

▌靈巧度

人們?yōu)榱藢C(jī)械臂的運(yùn)動學(xué)性能進(jìn)行定量分析，引入了靈巧度的概念，習(xí)慣上采用雅可比矩陣的條件數(shù)作為度量指標(biāo)進(jìn)行定量分析機(jī)械臂的靈巧度。機(jī)械臂的關(guān)節(jié)數(shù)目以及運(yùn)動學(xué)通常根據(jù)任務(wù)所需要的靈巧度進(jìn)行設(shè)計，從而得到任務(wù)所需機(jī)械臂的最小重量和關(guān)節(jié)的最小數(shù)目。

▌順應(yīng)性

所謂順應(yīng)是指機(jī)器人對外界環(huán)境變化適應(yīng)的能力，分為主動順應(yīng)和被動順應(yīng)。由于空中作業(yè)機(jī)械臂在與環(huán)境進(jìn)行交互時，其動態(tài)耦合產(chǎn)生的力可能會影響空中作業(yè)平臺的穩(wěn)定性。特別在室外環(huán)境下，飛行操作具有很多的不確定性。所以需要考慮空中作業(yè)機(jī)器人的順應(yīng)特性。

▌設(shè)計注意點(diǎn)

在設(shè)計空中作業(yè)的機(jī)械臂時，雖然需要考慮足夠的靈巧度來完成任務(wù)。比如，在需要末端與環(huán)境進(jìn)行定位和定向的任務(wù)時就需要設(shè)計冗余和超冗余機(jī)械臂[3]。但是，機(jī)械臂關(guān)節(jié)數(shù)目增加往往會帶來新問題。最明顯的，空中作業(yè)平臺的有限載荷容量（Payload Capacity）和飛行時間（Flight Time）均會減少。所以在設(shè)計機(jī)械臂時，我們需要根據(jù)任務(wù)從有效載荷重量、靈巧度水平、平臺可承受載荷等方面來考慮[1]。

由有效載荷重量確定的設(shè)計：在已知預(yù)定義的重量等設(shè)計任務(wù)。如抓取、搬運(yùn)以及安裝；
由靈巧度水平確定的設(shè)計：由于有的任務(wù)需要操作靈巧，這就需要考慮機(jī)械臂關(guān)節(jié)的數(shù)目。如末端進(jìn)行定位或定向的機(jī)械臂進(jìn)行插入和裝配任務(wù)；
由最大起飛重量確定的設(shè)計：當(dāng)用戶或應(yīng)用程序要求使用特定的空中平臺，這就限制了機(jī)載系統(tǒng)的重量和有效載荷容量受最大起飛重量。如由于安全原因，可能會規(guī)定空中作業(yè)機(jī)器人的最大總重量或最大尺寸。

而引入順應(yīng)性，可以通過慣性、阻尼和剛度為特征將機(jī)械臂的位置偏差與外力聯(lián)系起來，會更大程度使設(shè)計變得安全。在實(shí)際設(shè)計時，我們主要通過機(jī)械結(jié)構(gòu)[4]和軟件控制[5]進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。采用機(jī)械結(jié)構(gòu)時，往往直接在機(jī)械臂的關(guān)節(jié)或連桿中引入彈性元件。當(dāng)施加力超過標(biāo)準(zhǔn)范圍時，就有發(fā)生明顯變形。但是，大多數(shù)的機(jī)械臂都會使用集成精確力/力矩傳感器用以控制明顯的阻抗變化，如KUKA、Universal Robots和ABB等[1]。Seville大學(xué)學(xué)者就曾結(jié)合機(jī)械和軟件控制這兩種實(shí)現(xiàn)方式設(shè)計的輕質(zhì)雙臂，可以防止機(jī)械臂因沖擊或過載而損壞[6]。

圖3 基于線性伺服的柔性肘關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)[4]

在過去的十多年，空中作業(yè)機(jī)器人搭載機(jī)械臂種類逐漸豐富，如圖5所示。面對多種多樣的機(jī)械臂，我們在設(shè)計時應(yīng)該怎樣選擇機(jī)械臂構(gòu)型？下面我們來簡單了解下，如何去選擇機(jī)械臂設(shè)計構(gòu)型。

絕大部分情況下，人們會選擇單臂形式的空中機(jī)器人，但也會有少部分人會選用雙臂，甚至三臂。雙臂系統(tǒng)的靈巧度和作業(yè)能力可以使其完成單臂無法完成的任務(wù)，這個時候就要選擇雙臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。比如，在抓取操縱桿或管等長物體、轉(zhuǎn)動閥門[7]、合作裝配等工作時，雙臂就要比單臂更方便。值得一提的是，多臂系統(tǒng)增加了有效載荷容量，擴(kuò)展了空中作業(yè)機(jī)器人的有效工作空間，并且多個臂形成的反作用力矩會互相抵消。但是，引入反作用力矩時，往往會采用一些傳動機(jī)構(gòu)，這時就需要重心位置靠近平臺底部去減少慣性的影響。比如，delta機(jī)械臂就采用了并聯(lián)機(jī)構(gòu)來減少慣性帶來的影響，需要注意的是，delta機(jī)械臂與串聯(lián)機(jī)械臂比起來，其工作范圍會大大減少。在涉及與表面力相互作用任務(wù)時，需要設(shè)計帶有單連桿和線性執(zhí)行器的機(jī)械臂。在考慮機(jī)械臂和平臺之間距離增加的任務(wù)時，通常會引進(jìn)長距離雙臂，并且底部多采用被動關(guān)節(jié)，這樣可以保證接近目標(biāo)物時可以提高操縱任務(wù)的安全性。

視頻2 搭載雙臂的無人機(jī)[8]（視頻詳情請點(diǎn)擊下方知乎鏈接）

小結(jié)

在文章中，我們介紹了空中作業(yè)機(jī)器人的靈巧度和順應(yīng)性以及二者在設(shè)計空中作業(yè)的機(jī)械臂的應(yīng)用，還簡單介紹如何選擇機(jī)械臂的設(shè)計構(gòu)型。當(dāng)然，隨著任務(wù)的多樣化和復(fù)雜化，空中作業(yè)機(jī)器人的形式絕不會限于以上所講，我們需要帶著發(fā)展的眼光去看待這一新興產(chǎn)物?？罩凶鳂I(yè)，未來可期，讓我們拭目以待吧！

參考資料

[1] A. Ollero, M. Tognon, A. Suarez, D. Lee and A. Franchi. Past, Present, and Future of Aerial Robotic Manipulators, in IEEE Transactions on Robotics, Feb. 2022.

[2] 熊有倫. 機(jī)器人學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社,1993.

[3] T. W. Danko and P. Y. Oh. A hyper-redundant manipulator for mobile manipulating unmanned aerial vehicles,” in Proc. Int. Conf. Unmanned Aircr. Syst. 2013.

[4] A. Suarez, G. Heredia, and A. Ollero. Lightweight compliant arm for aerial manipulation. in Proc. IEEE/RSJ Int. Conf. Intell. Robots Syst. 2015.

[5] A. Suarez, G. Heredia, and A. Ollero. Physical-virtual impedance control in ultralightweight and compliant dual-arm aerial manipulators. IEEE Robot. Automat. Lett. Jul. 2018.

[6] A. Suarez, G. Heredia, and A. Ollero. Design of an anthropomorphic, compliant, and lightweight dual arm for aerial manipulation, IEEE Access, May. 2018.

[7] M. Orsag, C. Korpela, S. Bogdan and P. Oh. Valve turning using a dual-arm aerial manipulator. Proc. Int. Conf. Unmanned Aircr. Syst. 2014.

[8] Alejandro Suarez, Antonio Enrique Jimenez-Cano, Victor Manuel Vega, Guillermo Heredia, Angel Rodriguez-Casta?o, Anibal Ollero. Design of a lightweight dual arm system for aerial manipulation. Mechatronics. 2018.