基于Kinect的桌面型仿人雙臂機(jī)器人設(shè)計(jì)★

陳佳文，蘇齊光，王　卓

（重慶大學(xué)，重慶　400044）

引言

機(jī)械臂是一款囊括了可執(zhí)行結(jié)構(gòu)的機(jī)械裝置，存在的主要問(wèn)題資源：其一，通常狀況下，借助若干關(guān)節(jié)連接構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對(duì)精巧不易在短時(shí)間內(nèi)掌握；其二，在加工過(guò)程中，零配件購(gòu)置成本非常高，且部件打磨精度難以實(shí)現(xiàn)；其三，針對(duì)民用的機(jī)器臂少之又少，加之需要雙臂操作就更加難得一見(jiàn)。

在現(xiàn)有的機(jī)械臂設(shè)計(jì)中，比較有代表性的是一款專(zhuān)利號(hào)為201620105515.2的機(jī)械臂。借助平行四邊形和杠桿原理，以追求高穩(wěn)定性和可靠性為目標(biāo)，該方案將第一連接臂、第二連接臂、驅(qū)動(dòng)第一連接臂和第二連接臂運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及底座組件等部位的設(shè)計(jì)進(jìn)行了有效的簡(jiǎn)化，大體上使其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了；但該方案的劣勢(shì)也非常明顯：其結(jié)構(gòu)限制了工作自由度數(shù)量、工作范圍十分有限、缺乏擬人型的基礎(chǔ)、不適用于多用途民用機(jī)械臂的使用要求。

因此，本文以面向民用多用途為目標(biāo)，借助微電機(jī)驅(qū)動(dòng)提高了其運(yùn)動(dòng)靈活性能，設(shè)計(jì)為可視化的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有利于多用途場(chǎng)景的機(jī)械臂二次開(kāi)發(fā)，引進(jìn)了開(kāi)源控制系統(tǒng)代碼有原則地避開(kāi)了發(fā)明專(zhuān)利版權(quán)的限制，設(shè)計(jì)出一款囊括了雙臂能力和雙目視系統(tǒng)的雙臂仿人機(jī)械臂。這種新的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路是一款使用簡(jiǎn)單、適用范圍廣的桌面級(jí)機(jī)械臂方案，使該技術(shù)從工業(yè)領(lǐng)域延伸到民用領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上有力地增強(qiáng)了面向民用型擬人型機(jī)器人的工業(yè)化，延伸了面向民用型擬人型機(jī)器人的工業(yè)轉(zhuǎn)民用水平，有效地改良面向民用型擬人型機(jī)器人結(jié)構(gòu)[1]。

1　主要研究?jī)?nèi)容

1.1　機(jī)械臂機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示，該圖展示的是一款雙臂機(jī)械臂的設(shè)計(jì)整體示意圖。圖中代碼意義為：1、5、9是雙臂機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)腰座部位，2、6是雙臂機(jī)械臂的大臂部位，3、7是雙臂機(jī)械臂的小臂部位，4、8是雙臂機(jī)械臂的機(jī)械爪部位，10是雙臂機(jī)械臂的底座和若干電機(jī)部位。該機(jī)械臂為開(kāi)鏈11自由度結(jié)構(gòu)，11個(gè)自由度包括轉(zhuǎn)動(dòng)腰座1、5、9的轉(zhuǎn)動(dòng)，大臂2、6的擺動(dòng)，小臂3、7的擺動(dòng)，機(jī)械爪4、8的轉(zhuǎn)動(dòng)和夾取。大臂2一端連接到轉(zhuǎn)動(dòng)腰座1，另一端連接到小臂3，小臂3末端連接機(jī)械爪。根據(jù)圖3和圖4機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，大臂和小臂分別由若干平行四邊形結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)相關(guān)原動(dòng)件轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大臂和小臂做相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。

圖1　雙臂機(jī)械臂示意圖

如下頁(yè)圖2所示，機(jī)架23通過(guò)兩個(gè)螺絲固連于底座平面。根據(jù)平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)可知，由于桿件23//桿件24，桿件24、25在同一三角構(gòu)件上，因此構(gòu)件24、25相對(duì)角度不變；桿件24//桿件33，在原動(dòng)件22轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，末端機(jī)構(gòu)33相對(duì)地面的角度始終保持不變。本方案采用的末端保持結(jié)構(gòu)弱化了六軸機(jī)械臂復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)構(gòu)造所帶來(lái)的繁瑣的運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程，創(chuàng)造性地將大臂小臂之間的運(yùn)動(dòng)提取出來(lái)單獨(dú)控制，達(dá)到了將結(jié)構(gòu)化繁為簡(jiǎn)的目的。

圖2　末端保持結(jié)構(gòu)機(jī)械臂

圖3　小臂設(shè)計(jì)示意圖

如下頁(yè)圖3所示，在桿件23//桿件34作用下，原動(dòng)件25與桿件34在平行四邊形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)作用下具有了同角速度。與常見(jiàn)的六軸機(jī)械臂將大臂、小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)置于自身關(guān)節(jié)部位相比，本機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路下的機(jī)械臂控制大臂、小臂轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)置于轉(zhuǎn)動(dòng)腰部上方，較大程度地減輕了電機(jī)負(fù)擔(dān)。在相同轉(zhuǎn)矩條件下，本機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路下的裝置可以在抓取重量上限方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[2]。

如圖4所示，舵機(jī)41通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)機(jī)械爪的轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)42直接與機(jī)械爪的一指相連，在此基礎(chǔ)上帶動(dòng)機(jī)械爪的夾取。

圖4　舵機(jī)示意圖

如圖5所示，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸與聯(lián)軸器92固連，聯(lián)軸器92又通過(guò)螺絲與底板93固連，底板93與轉(zhuǎn)動(dòng)腰部中間通過(guò)推力軸承91保證兩者能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣電機(jī)主軸保持相對(duì)靜止，通過(guò)電機(jī)主體部分帶動(dòng)對(duì)稱(chēng)板件94轉(zhuǎn)動(dòng)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)腰部轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)腰部1、5與轉(zhuǎn)動(dòng)腰部9結(jié)構(gòu)及原理一致。

1.2　嵌入式伺服控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人采用ARM（有時(shí)也可以通用Arduino）控制器，通過(guò)嵌入式的方式完成控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。為突破現(xiàn)有專(zhuān)利版權(quán)的限制，本設(shè)計(jì)思路有別于常規(guī)方案，借助了大量開(kāi)源代碼。通過(guò)視覺(jué)對(duì)目標(biāo)位置的狀態(tài)提供準(zhǔn)確的判斷，基于分層遞階控制的思想將雙處理器應(yīng)用于不同層次，分別實(shí)現(xiàn)雙臂協(xié)同運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和雙臂運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)控制。本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)大體上包括兩部分：一方面，處理器整體上采用的是ARM9（有時(shí)也可以通用Cortex M3）；另一方面，在底層運(yùn)動(dòng)控制中，本設(shè)計(jì)采用的是Cortex M3或AVR微控制器作為輔助[3]。

1.3　Kinect視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

應(yīng)用Kinect體感設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，從而達(dá)到仿人目的。體感設(shè)備Kinect有左、中、右三個(gè)鏡頭，中間鏡頭是RGB彩色攝影機(jī)，用來(lái)采集彩色圖像；兩邊鏡頭則分別為紅外線(xiàn)發(fā)射器和紅外線(xiàn)CMOS攝影機(jī)所構(gòu)成的3D結(jié)構(gòu)光深度感應(yīng)器，來(lái)采集深度數(shù)據(jù)，為實(shí)際意義上的“雙目”。應(yīng)用Kinect骨骼追蹤技術(shù)，建立人體各個(gè)關(guān)節(jié)坐標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)追蹤人體的20個(gè)關(guān)節(jié)的功能。控制流程為：Kinect與PC通過(guò)USB連接，由Kinect采集人體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，機(jī)器人傳感器信號(hào)采集使用基于STM32的I/O板卡，mini computer接收無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)過(guò)來(lái)的控制信息并執(zhí)行相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人全套動(dòng)作控制。

2　本文機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路的優(yōu)勢(shì)

雙手臂機(jī)械臂自由度多達(dá)11個(gè)。特別是為了減輕機(jī)械臂末端的重量，機(jī)械臂的電機(jī)大體上設(shè)計(jì)在機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)處，使得機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧，對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型與精度都要求較低。

雙機(jī)械臂本身囊括了雙機(jī)械臂協(xié)同工作特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)更多的環(huán)境和工作需求。并且，改良后的結(jié)構(gòu)囊括了仿人性，更有利于民用多用途應(yīng)用環(huán)境的普遍應(yīng)用與接收。

本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人設(shè)計(jì)有一款雙臂協(xié)作的11自由度的桌面級(jí)機(jī)械臂方案，將常見(jiàn)的工業(yè)機(jī)器人技術(shù)轉(zhuǎn)向面向民用型擬人型機(jī)器人領(lǐng)域應(yīng)用，增強(qiáng)了面向民用型擬人型機(jī)器人的工業(yè)化，延伸了面向民用型擬人型機(jī)器人的工業(yè)轉(zhuǎn)民用水平[4]。

本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人設(shè)計(jì)有開(kāi)源的雙臂雙目機(jī)器人方案，在特定條件下可以打破現(xiàn)有雙臂機(jī)器人的專(zhuān)利版權(quán)束縛，為多用途需求提供保障。

3　技術(shù)要點(diǎn)

為了使機(jī)械手臂能更加民用化，輕量化，本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人的微電機(jī)大體上安排在機(jī)械臂的肩關(guān)節(jié)與肘關(guān)節(jié)處，使得機(jī)械臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)精巧。在此基礎(chǔ)上減少了能量損失，能以較小的體積完成更重的工作要求。

為了更加適用于民用多用途應(yīng)用環(huán)境，本文設(shè)計(jì)的面向民用型擬人型機(jī)器人囊括了具有一定水準(zhǔn)的仿人性，其囊括了雙臂，雙手，單腰結(jié)構(gòu)，能普遍適用于各種民用環(huán)境。

4　結(jié)語(yǔ)

以設(shè)計(jì)一款面向多用途的民用桌面型仿人機(jī)器人為前提條件，本文設(shè)計(jì)了一款囊括了雙臂型協(xié)同作業(yè)能力和視覺(jué)識(shí)別能力的雙目雙臂仿人機(jī)械臂。圍繞其機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)及雙目型視覺(jué)系統(tǒng)的主要研究?jī)?nèi)容包括三點(diǎn)：一是囊括了多傳動(dòng)方式、內(nèi)部可見(jiàn)的雙五自由度機(jī)械臂結(jié)構(gòu)安排；二是雙機(jī)械臂嵌入式控制系統(tǒng)及雙臂協(xié)同控制技術(shù)研究；三是雙目視覺(jué)系統(tǒng)安排與搭建。

[1]李賀立，楊冬，楊德志.雙臂機(jī)器人避關(guān)節(jié)極限與避奇異位形改良研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017（3）：98-104.

[2]張波，陳丹惠，陳儉.雙臂機(jī)器人多功能欠驅(qū)動(dòng)手爪的研制[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2017（1）：69-70.

[3]周彤彤，劉更謙，李浩源.基于Kinect的雙臂機(jī)器人動(dòng)作模擬與軌跡規(guī)劃[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2017（7）：58-62.

[4]倪文彬，楊偉超.一款雙臂機(jī)器人離線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方法研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2017（4）：5-28.