摘 要：本文在討論了雙臂機(jī)器人的作用特點的基礎(chǔ)上，比較詳細(xì)地論述了國內(nèi)外對雙臂機(jī)器人研究的現(xiàn)狀及發(fā)展，并結(jié)合我國的實際情況提出了對雙臂機(jī)器人今后研究方面的幾點看法． 關(guān)鍵詞：雙臂機(jī)器人 研究+思考 1 引言（Introduction） 當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是為單臂機(jī)器人獨自工作的能力準(zhǔn)備的，這樣的機(jī)器人只適應(yīng)于特定的產(chǎn)品和工作環(huán)境，并且依賴于所提供的專用設(shè)備和工夾具．一般地，單臂機(jī)器人只適合于剛性工件的操作，并受制于環(huán)境．隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對于許多任務(wù)而言單臂操作是不夠的．因此，為了適應(yīng)任務(wù)的復(fù)雜性、智能性的不斷提高以及系統(tǒng)柔順性的要求而擴(kuò)展為雙手協(xié)調(diào)控制，即由兩個單臂機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、相互配合的去完成某種作業(yè)．但由于組成雙手協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的是兩個機(jī)器人，它們不可能是兩個單手機(jī)器人的簡單組合，除了它們各自共同目標(biāo)的控制實現(xiàn)外，它們相互問的協(xié)調(diào)控制以及對環(huán)境的適應(yīng)性就成為組合的關(guān)鍵．這樣雙手協(xié)調(diào)控制機(jī)器人系統(tǒng)的進(jìn)一步應(yīng)用就受到了限制．而雙臂機(jī)器人能完成對于人來說易于實現(xiàn)的功能．雙臂機(jī)器人比雙手協(xié)調(diào)機(jī)器人更具有實用價值． 2 雙臂機(jī)器人的作用特點（Action andcharacteristic of dual—arm robot） 雙臂機(jī)器人某種程度上可以比作兩個單臂機(jī)器人在一起工作的情況，當(dāng)把其它機(jī)器人的影響看作是一個未知源的干擾的時候，其中的一個機(jī)器人就獨立于另一個機(jī)器人．但雙臂機(jī)器人作為一個完整的機(jī)器人系統(tǒng)，雙臂之間存在著依賴關(guān)系．它們分享使用傳感數(shù)據(jù)，雙臂之間通過一個共同的聯(lián)接形成物理耦合，最重要的是兩臂的控制器之間的通信，使得一個臂對于另一個臂的反應(yīng)能夠作出對應(yīng)的動作、軌跡規(guī)劃和決策，也就是雙臂之間具有協(xié)調(diào)關(guān)系．這在某種程度上可以看作象我們?nèi)梭w雙臂的協(xié)調(diào)動作一樣．在一個軀體中的二個單臂相應(yīng)于兩個高水平的控制器，把所有動作的協(xié)調(diào)作為一個基準(zhǔn)，那么，我們自己雙臂的動作過程就包含著復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)、軀體反饋、視覺反饋、膚體接觸、滑移檢測以及腦力等在內(nèi)的數(shù)據(jù)源，并且用預(yù)先獲取的數(shù)據(jù)來確認(rèn)這～ 資料數(shù)據(jù)的儲存與處理能力．這正是雙臂機(jī)器人區(qū)別于兩個單臂機(jī)器人組合的關(guān)鍵． 雙臂機(jī)器人的作用特點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是在末端執(zhí)行器與臂之間無相對運(yùn)動的情況下工作，如雙臂搬運(yùn)象鋼棒這樣的劇性物體，比兩個單臂機(jī)器人的相應(yīng)動作的控制要簡單的多。二是在末端執(zhí)行器與臂之間有相對運(yùn)動的情況下通過兩臂間的較好配合能對柔性物體如薄板等進(jìn)行控制操作，而兩個單臂機(jī)器人要做到這一點是比較困難的．三是雙臂機(jī)器人工作能夠避免兩個單臂機(jī)器人在一起工作時產(chǎn)生的碰撞情況．四是雙臂機(jī)器人的兩臂能夠各自獨立工作用來對多目標(biāo)的操作與控制，如將螺帽放到螺釘上的配合操作． 雖然雙臂機(jī)器人是在單臂機(jī)器人的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，但由于雙臂機(jī)器人作用的特殊性，不能簡單地把對單臂機(jī)器人有關(guān)的研究結(jié)果搬到雙臂機(jī)器人上．因此，雙臂機(jī)器人的研究成為機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個十分重要內(nèi)容． 3 國外的研究現(xiàn)狀與發(fā)展（Current situationand development abroad） 國外對雙臂機(jī)器人的研究始于90年代初，研究工作主要在雙臂的運(yùn)動軌跡規(guī)劃（包括碰撞避免）、雙臂協(xié)調(diào)控制算法及操作力或力矩的控制等幾方面．對運(yùn)動軌跡規(guī)劃的研究主要是基于多機(jī)器人在同一環(huán)境下工作而無碰撞展開的．這方面的研究工作通常分路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩部分進(jìn)行．部分學(xué)者對沿著特定路徑運(yùn)動的機(jī)器人的雙臂控制問題進(jìn)行了比較深入的研究．他們利用機(jī)器人的動力學(xué)方程建立了考慮機(jī)器人動力特性的最優(yōu)軌跡規(guī)劃算法．此外通過運(yùn)用計算機(jī)仿真手段來找到每步運(yùn)動的最佳路線，達(dá)到解決碰撞避免問題．概括地講這些研究較好地解決了二維的運(yùn)動軌跡規(guī)劃問題，但對三維空間和具有冗余度的雙臂運(yùn)動軌跡規(guī)劃方法和策略研究甚少． 雙臂坍調(diào)控制是雙臂機(jī)器人研究中的熱點，而且大多數(shù)的研究也是以比照兩個單臂機(jī)器人一起工作時的協(xié)調(diào)控制為出發(fā)點的．雙臂協(xié)調(diào)控制包括手與工作執(zhí)行位置之同的相對運(yùn)動的控制和對保證目標(biāo)軌跡連續(xù)性的控制．日本一些學(xué)者通過建立對坍調(diào)操作性的評價，提出了相對可操作度和相對操作力度的操作指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了滿足操作指標(biāo)的工作位置與工作實際目標(biāo)軌跡能分別指定的協(xié)調(diào)控制系繞的新的控制算法．另外一些日本學(xué)者通過建立位置與力的混合控制理論，采用混合位置與力控制實驗方式找出保證雙臂協(xié)調(diào)控制的關(guān)節(jié)力或力矩的最佳效果 美國Sarkar等對兩臂操作一個巨大物體時的協(xié)調(diào)控制提出了一個新的理論框架，這一理論框架不僅紿出了明確的目標(biāo)運(yùn)動的控制．而且也明確了在兩臂和目標(biāo)之間通過控制在接觸時滾動運(yùn)動的接觸位置．控制算法是一個消除了動態(tài)及解耦輸出的非線性反饋．這類雙臂協(xié)調(diào)控制的研究都是針對某一特定作業(yè)要求所提出的． 雙臂操作力或力矩的研究主要是進(jìn)行對目標(biāo)的操作算法和優(yōu)化控制力．有些日本學(xué)者運(yùn)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法設(shè)計對目標(biāo)的軌跡控制和操作力大小的控制，提出了用于主神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的Delta—Bar—Delta學(xué)習(xí)比率適應(yīng)法．另一些日本學(xué)者在雙臂機(jī)械手對柔性薄板的操作控制研究中，首先基于柔性薄板的有限元模型運(yùn)用Lagrange方程推導(dǎo)出了薄板的靜態(tài)變形與施加在薄板的彎曲應(yīng)力之問的關(guān)系，然后設(shè)計了一個借助于對薄板旋加的合力來操作薄板的運(yùn)動以及借助于對薄板施加的內(nèi)力來控制薄板變形的控制算法，并通過工業(yè)機(jī)器人的實驗證明所提出的控制系統(tǒng)是有效的． 日、美等國的研究人員憑借其先進(jìn)的制造技術(shù)和手段以及雄厚的研究經(jīng)費(fèi)的支持，在對雙臂機(jī)器人的研究中，正著重對微機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)控制、雙臂柔性動作協(xié)調(diào)控制以及對柔性物體操作的雙臂協(xié)調(diào)控制等方面開展理論和實驗研究工作，以擴(kuò)展機(jī)器人的工作能力和應(yīng)用領(lǐng)域． 4 國內(nèi)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展（Currentsituation and development in the home） 國內(nèi)對雙臂機(jī)器人的研究僅有兩三年的時間．由于我國制造業(yè)自動化技術(shù)水平和工業(yè)現(xiàn)代化水平與國外存在著較大的差距，就單臂機(jī)器人本身的研究還處在仿制和應(yīng)用起步階段．因此對雙臂機(jī)器人的研究還剛剮界人．受許多相關(guān)技術(shù)和研究條件的制約，目前國內(nèi)對雙臂機(jī)器人的研究主要涉及運(yùn)動軌跡規(guī)劃、動力學(xué)以及協(xié)調(diào)控制等方面． 運(yùn)動軌跡規(guī)劃的研究主要是確定雙臂工作時的無碰撞路徑規(guī)劃以及協(xié)調(diào)運(yùn)動．上海交大機(jī)器人研究所對雙臂機(jī)器人時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃問題作了深︿研究，成功地運(yùn)用動態(tài)規(guī)劃法對措著特定路徑運(yùn)動的雙臂機(jī)器人左、右臂進(jìn)行了時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃，從而保證機(jī)器人左、右臂在無碰撞的前提下，實現(xiàn)時間最優(yōu)運(yùn)動．哈爾濱工業(yè)大學(xué)的研究人員以雙臂自由飛行空間機(jī)器人為背景的自主規(guī)劃運(yùn)動控制研究．通過建立雙臂自由飛行空問機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，得到微重力環(huán)境下該雙臂機(jī)器人的廣義雅可比矩陣來描述機(jī)械手末端速度和各關(guān)節(jié)角速度之問的關(guān)系，然后建立該雙臂機(jī)器人在浮游狀態(tài)下捕捉目標(biāo)的任務(wù)規(guī)劃算法及路徑規(guī)劃算法，井通過仿真系統(tǒng)驗證其理論的正確性和算法的可行性．信陽師院的研究人員在充分考慮雙臂機(jī)器人機(jī)構(gòu)特性條件下，應(yīng)用遞推算法建立雙臂機(jī)器人機(jī)構(gòu)在協(xié)調(diào)運(yùn)動的速度約束方程以提高數(shù)值計算速度實現(xiàn)雙臂機(jī)器人的實時控制． 動力學(xué)及協(xié)調(diào)控制方面的研究主要是確定雙臂機(jī)器人在某位形狀態(tài)下沿指定方向的傳遞性能和傳力性能．國防科大的研究人員提出了速度可操作性測度和力可操作性測度概念用于指導(dǎo)確定雙臂機(jī)器人的最佳操作位姿．天津大學(xué)的研究人員針對受控多體系統(tǒng)提出了力約束的概念、力學(xué)描述及其性質(zhì)．通過引人偏（角）速度和廣義力，Kane方程為基礎(chǔ)建立了具有力約束的受控多體系統(tǒng)動力學(xué)方程，并實現(xiàn)了動力學(xué)求解．燕山大學(xué)的研究人員討論了多機(jī)械手協(xié)同系統(tǒng)的無內(nèi)力抓取及相應(yīng)韻動載分配方法，以用于對多機(jī)械手協(xié)同操作系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制的進(jìn)一步研究． 5 對雙臂機(jī)器人研究的幾點看法（A fewviews for research of dual—arm robot） 就國內(nèi)外對雙臂機(jī)器人研究的現(xiàn)狀而言，雙臂機(jī)器人的研究還處在起步階段．大多數(shù)的研究都是建立在低自由度的雙機(jī)械手或兩個單臂機(jī)器人一起工作的條件下的，并且對雙臂悱調(diào)的控制研究大多是針對某一特定工作狀況下所進(jìn)行的理論探討，尚缺乏對從軟硬件整個系統(tǒng)方面的綜合考慮．因此，作為最接近于模仿人的動作的自動化機(jī)器，對雙臂機(jī)器人今后的研究提出如下幾點看法： （1）雙臂機(jī)器人作為多學(xué)科構(gòu)成的綜合系統(tǒng)．應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)化方法尋求組成雙臂機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、電子電氣系統(tǒng)等的最佳匹配方法和實現(xiàn)手段，以滿足理論研究的需求． （2）對雙臂機(jī)器人的軌跡規(guī)劃和位姿控制應(yīng)采用動態(tài)規(guī)劃方法研究在三維空間的運(yùn)動特性和動力學(xué)特性．特別是碰撞避免問題． （3）雙臂協(xié)調(diào)控制及其算法研究應(yīng)建立在高自由度條件下，對其協(xié)調(diào)控制機(jī)理、實時控制、反饋手段和方式多作探討． （4）柔性操作是雙臂機(jī)器人工作的一大特點，因此對于雙臂機(jī)器人的柔性控制，特別是在具有冗余度條件下的柔性控制如何從多解或無數(shù)解中找出對目標(biāo)的最適控制． （5）如何通過攝像獲取的目標(biāo)圖象有效地轉(zhuǎn)化為對目標(biāo)操作所需的信息包括它的處理能力、速度和獲取的精度． （6）驅(qū)動源的特性對雙臂機(jī)器人操作力或力矩的影響，如何優(yōu)化電子電氣線路以滿足雙臂機(jī)器人操作時的力或力矩的特性要求．