核電站水下機器人抓取規則研究

朱雅喬

（天津中德職業技術學院，天津　300350）

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核電站水下機器人抓取規則研究

朱雅喬

（天津中德職業技術學院，天津300350）

針對核電站水下機器人機械手抓取難點，綜合機器人運動學分析及機械手運動規劃的研究，探討并制定了機械手的抓取規則。抓取規則很好地克服了抓取過程中存在的難點，并通過實驗證明了該方法的理論意義及其應用價值。

水下機器人；運動學；抓取規則

核電站水下機器人需要完成異物抓取任務，由于核環境的特殊性，抓取可靠性至關重要。本文綜合機器人運動學分析及機械手運動規劃的研究，探討并制定機械手的抓取規則。抓取規則很好地克服了抓取過程中存在的難點，并通過實驗表明了規則的理論意義及其應用價值。

一、核電站水下機器人運動學分析

核電站水下機器人由四自由度機械手固定在一個移動本體上構成，本文建立了核電站水下機器人的運動學模型，獲得了四自由度機械手末端與機械手各關節角及移動本體轉角的關系，以及核電站水下機器人的最優位姿，為抓取規則制定打下基礎。

在建立核電站水下爬行機器人運動學模型前，作如下假設［1］：

（1）移動本體只在二維空間內移動；

（2）移動本體車輪與地面為點接觸，且為純滾動，不存在滑動；

（3）四自由度機械手剛性固聯在移動本體上；

圖1為核電站水下爬行機器人的運動學模型。如圖所示，移動本體質心——I；兩后輪中點——P；四自由度機械手末端點——E；固聯點——F；P點與質心I之間的距離——IL；I與點F之間的距離——FL；左右兩側輪之間的距離——2b；輪子半徑——r；平臺導向角——pθ，；左側驅動輪轉角——Lθ；右側驅動輪轉角——Rθ。

圖1　核電站水下機器人的運動學模型

兩后輪中心點P與驅動輪的線速度關系為（1V為左側驅動輪線速度；2V為右側驅動輪線速度；pV為P點線速度）：

坐標軸上P的速度為：

整理式（1）～（5）得：

同理式（5），IV分解為：

對式（7）化簡，得到：

由圖1可知，點F與點I在坐標系中的位置關為：

系

對式（9）進行求導變換，得到：

由式（5）、式（6）、式（7）、式（10），整理：得

由式（11），得到：

對式（12）進行求導變換，得到點E與點F三個方向的線速度關系：

對式（13）進行變換整理，得到其矩陣表示：

式中，

對式（14）進行整理，得：

在理想情況下，可以認為移動本體轉向是點P繞中心軸的旋轉，視為由于左右兩側驅動產生的速度差，實現本體的轉向。因此，式（15）反映了四自由度機械手末端E、機械手與移動本體固聯點F的速度與機器人各關節角以及移動本體轉角的速度關系。

二、機器人的操作性能分析

采用可操作度［2］來描述該機器人的靈活性，分析機器人整體的操作度，得到機器人的最優構形。

采用Matlab推導了核電站水下爬行機器人操作度，將符合要求的轉角代入式，求得不同位姿下的操作度。 θ

°時，移動本體改變四自由度機械手末端位姿的能力最大。為簡化計算，只取2θ、3θ兩個變量，每次以微小數值進行變化，記錄可操作度數值，得到核電站水下爬行機器人可操作度分布，如圖2所示。時，核電站水下爬行機器人出現最優位姿。此位形是核電站水下爬行機器人空間最優位姿，若考慮機器人抓取時，只需求取地面位姿即可。在機器人工作時應首先保證機器人不出現操作度為0的情況，其次應使機器人處于操作度大的位姿，便于控制、規劃。

圖2　　核電站水下機器人可操作度分布

三、核電站水下機器人的抓取規則

1.機械手抓取可操作性分析

機械手完成抓取任務還需要將機械手的運動傳遞給所抓物體。這個指標反映了機械手的靈活程度，本文通過可操作度來描述。10θ°=時移動本體改變四自由度機械手末端位姿的能力最大，通過對預抓取平面和預放置平面的操作度尋優，找到此時的位形即為最優預抓取（放置）位形。設距地面30mm的平面為預抓取平面，得到10θ°=，操作度變化曲線如圖3所示：

圖3　　預抓取平面操作度變化曲線

圖4　　預放置平面操作度變化曲線

θ2=-11.3°，θ3=156.85°時機械手在預抓取平面獲得最優位姿。同理如圖 4得到 θ2=-53.54°，θ3=-117.04°時機械手在預放置平面獲得最優位姿。核電站水下機器人需要完成形狀規則、重量輕的物體抓取任務，應該考慮機械手運動的傳遞。

2.機械手夾持力分析

機械手手爪夾緊力計算公式為［3］：

式中：

K——安全系數，通常取1.2～2

K2——動載系數，K2=1+a/g ，a為夾持異物在運動過程中的加速度，g為重力加速度

K3——方位系數，手爪夾持過程中的不同方位影響系數

G——工件重量

3.核電站水下機器人的抓取規則

（1）保證機械手在抓取平面抓取可操作度大，便于機械手向物體傳遞運動；

（2）保證機械手對稱開合，且兩指對稱開合與物體接觸點距離重心近，便于提高抓取成功率；

（3）保證抓取夾持力大于式（16）得出的所需最小夾持力，便于控制系統對于夾持力的控制；

（4）保證規劃路徑中機械手不出現奇異位形，避免造成控制復雜化，引起失控。機械手軌跡規劃及其位形顯示如圖5所示。

圖5　機械手軌跡規劃及其位形顯示

（5）保證機械手與物體一起運動過程中物體不會發生掉落。從式（16）中知，需要對2K系數中的加速度a進行約束。本文通過對機械手進行軌跡規劃，調節各路徑點的到達時間，保證各關節輸出轉矩小于額定轉矩，找出運動規劃過程的maxa，將其帶入式（16），結合方位系數得到機械手運動過程中的夾持力。如圖6-11表示了規劃中的軌跡，關節輸出力矩以及末端速度、加速度情況。

圖6　末端運動軌跡

圖7　末端位置

圖8　空氣關節力矩

圖9　靜水關節力矩

圖10　攪水關節力矩

圖11　末端速度加速度

四、抓取實驗

為了驗證抓取規則是否對抓取成功率和抓取效率起到提高作用，采用質量約1.5kg的膠質木棒小錘作為抓取異物，通過機器人在環境中自由抓取與按抓取模式下抓取規則指導抓取進行比較。

圖12　核電站水下機器人自由抓取

圖12所示機器人進行自由抓取。借助視覺幫助，機械手抓取一次用時約6-7分鐘，平均試抓3次才能將異物抓取。

圖13　核電站水下爬行機器人指導抓取

圖13所示機器人進行指導抓取。機器人通過超聲測距傳感器將移動本體運動到機械手可抓范圍內，移動本體位置使機器人距異物達到指定距離，張開手爪，快速將機器人進入預抓取模式，借助視覺幫助測定質心位置，虛擬現實系統計算軌跡以及夾持力大小并傳輸給控制系統，機械手進入抓取模式，一次抓取用時不到2分鐘，1次就能抓取成功。

五、結論

本文綜合機器人運動學分析以及機械手軌跡規劃的研究成果，制定了機械手抓取規則，從抓取實驗結果可以看出，自由抓取與操作人員的熟練程度有很大關系，而抓取規則指導抓取對提高機器人抓取效率和成功率都有很大幫助。

［1］胡坤.移動機械手運動學分析及仿真［D］.天津：河北工業大學，2006.

［2］Yoshikawa J.Manipulability of Robotic Mechanisms［J］.Int J.Robotics Research，1987，4（2）：3-9.

［3］李向陽，楊桂茂，安永辰.夾鉗式手部力分析及實驗研究［J］.哈爾濱工業大學學報，1985（A6）：18-21.

Research on Underwater Robot Grasp Rules in Nuclear Power Plant

ZHU Ya-qiao

(Tianjin Sino-German Vocational Technology College, Tianjin 300350, China)

According to underwater robot grasp difficulties in nuclear power plants，kinematic analysis of robot and manipulator grasp mode are explored and developed.Grasp rules can overcome the difficulties existing in the process of grasping.By grasping experiments，the robot is analyzed about how to complete grasp tasks more effectively.

underwater robot；kinematic；grasp rules（責任編輯 李建武）

TP242

A

1008—6129（2016）01—0068—05

2015—12—11

朱雅喬（1989—），天津人，天津中德職業技術學院航空航天與汽車學院，助教。