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自动升降辅助器

汽车装配中重载运输与操纵的智能伴侣

近年来，随着机器人在交通运输业制造业中的参与急剧增加，60%以上的汽车装配任务仍由人工完成^[1]。汽车装配线面临着许多挑战，如工具和零件的显著变化、任务的灵活化、环境的非结构化和动态化，这些都阻碍了通过传统的机器人工作单元直接实现自动化。虽然人与机器人的协作为将机器人系统集成到汽车装配中提供了一种技术上可行的方法，但合适的机器人系统的缺乏仍然是一个挑战^[2]-[4]。

传统上，重型零件（如电池和前差速器）在装配操作过程中使用具有三到六个自由度(3–6 DoF)的接地提升辅助机器进行处理。本文介绍了一种智能伴侣机器人（SCR）作为一种移动电梯辅助协作机器人（CAROBOT），以帮助人类工人在运输和操纵相对沉重的汽车部件和组件。

一、挑战和要求

近年来，汽车装配线已经开始发展，便于支持在同一生产线上生产多种车型的灵活和可重构的产品平台。 这种可变性以需要集成的子部件和零件的多个选项的形式表现出来。传统起升辅助系统（traditional lift-assist system）的有限工作空间和接地特性为支持灵活的产品平台方法的生产线平衡带来了挑战。正是在这种背景下，我们追求一个新的移动机械手架构，为我们的智能伴侣机器人，与并联架构机械手安装在一个轮式基地。为此，移动机械手结构保留了传统的优点，提高了工作空间和操作能力。更重要的是，所提出的配置具有额外的好处，即能够支持汽车装配应用所需的更大的有效载荷容量。

1、领域现状

在过去20年里，人们对移动机械手（安装在移动基座上的机械臂）的研究兴趣稳步增长^[5]-[7]。近年来，由于技术的进步，使得自动化和机器人技术得以广泛应用，并降低了成本，这使得商业利益也急剧上升^[8]-[10]。移动机械手正逐渐成为工业用途的商业工具。重型有效载荷的运输和操纵一直是最受欢迎的任务之一^[11]-[12]。

移动机械手在制造业中广泛应用^[7],[13]。这些作品旨在：

1）捕捉移动操作的当前技术状态（截至2016年）

2）比较这些系统可用的性能评估方法的多样性。

它们引用了商业现货（COTS）移动机械手的例子，这些机械手已经开发并用于工业用途。许多这样的COTS移动机械手是通过在各种移动平台上安装通用串行臂，采用构造主义的方法（按需选择带有轮式底座的臂）开发的。图1描述了四个用于制造车间的COTS移动机械手。

图1:4种商用移动机械手

2、系统设计

我们追求的智能伴侣机器人（SCR），作为一个紧凑的，移动电梯协助汽车装配任务，能够与人类的机器人合作，须具备以下的设计要求：

1）小尺寸：机器人应该很容易为人所操作，并能够导航狭窄的空间内汽车装配线。因此，最大底座尺寸预计在600 mm*600 mm以下。·

2）有效载荷高：智能伴侣机器人必须能够运输和操纵最大30公斤的有效载荷。

3）柔性：在六自由度操作中，它应该能够操纵和重力补偿各种尺寸和形状的不同零件。

4）直观的用户界面：应易于与智能辅助模式进行协作交互。

这些要求指导了SCR原型的创建，并通过在移动基座上安装一个并联机械手来实现，该机械手能够智能地协助汽车装配应用中的重型有效载荷的操作。SCR的目的是通过视觉伺服来跟踪带有快速响应（QR）码的标记，从而跟踪其人类伙伴，并在正确的时间方便地显示正确的部分。此外，它还可以响应人员的触摸，并通过力伺服实现对所送零件的重力补偿。 据我们所知，这是第一次实现有6个自由度的操作和运输重型部件的移动可控机器人。（祥见图2）

图2：智能伴侣机器人概想

二、智能伴侣系统设计

并联机械手的结构有很多选择，例如：3转通用准则、3转棱柱球面（RPS）、6转棱柱球面和轮式移动基座（例如，差动驱动和全向）^[14]。我们最初的原型SCR是通过合并四轮驱动（4WD）的麦卡努姆轴距和3转棱柱球面的平行臂实现的，如图3所示。在这一部分中，我们描述了SCR原型的设计，包括系统概述、机器人架构和电子设计。

1、机器人体系结构

专门定制的四轮驱动全方位移动底座（图3）与麦克纳姆（Mecanum）车轮被开发为SCR的基础，以适应车间中复杂的动态环境。它由一个中心平台和四个麦克纳姆轮组成，每个轮由齿轮马达独立驱动。与大多数不能侧向移动的传统自动引导车辆不同，四轮驱动的移动基座具有全方位的移动性（前/后、左/右、偏航），这大大提高了系统的移动性和机动性，特别是在狭窄的空间。为智能伴侣机器人设计了一个定制的3转棱柱球面的并联机构，该机构具有3个自由度（上/下、俯仰和侧倾），显著提高了系统的有效载荷能力。它可以实现30公斤零件的重力补偿。将3转棱柱球面的并联机器人安装在四轮驱动移动基座的中心平台上时，整个系统共有6个自由度。在3转棱柱球面的并联机器人的上平台上安装了六轴力/力矩（F/T）传感器和摄像机。智能伴侣机器人原型的耦合、等边三角形上平台、力/力矩（F/T）传感器安装和摄像机安装都是三维打印的。力/力矩（F/T）传感器的一个表面安装在等边三角形框架的中心，而另一个表面连接到操作手柄。位于等边三角形框架下的T形操作手柄，作为机器人的6自由度物理交互和操作界面。在结构上，这种结构允许将负载力传递到三个线性执行器（然后传递到基座和地面）。因此，该结构使力/力矩（F/T）传感器对在运输和操作过程中可能遇到的负载变化不敏感。

图3：SCR机器人架构

2、电子设计

智能伴侣机器人的电子系统图，包括电源系统、执行器、感知系统和控制器，如图4所示。智能伴侣机器人由七个电机组成，包括四个用于移动基座的无刷直流电机和三个用于并联机械手的线性执行器；一个用于处理所有低级控制的多线程微控制器单元（MCU）；一台运行机器人操作系统（ROS）^[15]的个人计算机（PC）笔记本电脑，用于高级运动规划；六轴力/力矩（F/T）的传感器、照相机和电池组。对于3转棱柱球面的并联机器人，每个直线执行器由额定电流为15 A的直流电机放大器独立驱动。脉冲宽度调制（PWM）信号用于控制直线执行器的速度，而电位器提供0~5v的模拟反馈。对于移动底座，每个车轮由齿轮电机驱动，齿轮电机由双通道剑齿电机驱动器驱动，每个通道额定电流为25 A。齿轮马达上的1024线计数/旋转编码器提供每个车轮的位置反馈。对于机器人的感知，我们采用了一个光力六轴力/力矩（F/T）的传感器来支持力伺服模式，该模式安装在并联机器人的上平台上。对力和力矩进行采样（300赫兹）并进行后处理，以预测人类运输和操纵的意图。此外，一个广角网络摄像头(640480,30英尺/秒)集成部署视觉伺服模式(如“建模和控制方法论”一节讨论)。 所有的感觉和反馈数据都由基于个人计算机（PC）的控制器收集，以实现运动规划和控制策略。 然后，速度命令直接发送给单片机并由单片机执行。

图4：SCR系统图

三、建模与控制方法

在本节中，我们将介绍智能伴侣机器人的建模方法，包括运动学建模、人机交互和运动规划

1、运动学建模

在机械设计的基础上，推导了用于末端执行器速度控制的智能伴侣机器人运动学模型。3转棱柱球面（3-RPS）的并联结构的建模方法确定了线性执行器到末端执行器的雅可比矩阵^[16]。坐标系的定义如图5所示。三个旋转关节固定在移动基座的中心平台上，旋转关节的中心定义为：、和号。移动基座的坐标系(以及3转棱柱球面的并联机器人的底部平台)的起点(M点)设置在正三角形的中心。

图5：SCR定义坐标

x轴在矢量方向，矢量和z轴垂直于中心平台。三个球节点的中心定义为、和，它们构成一个等边三角形。平台的原点P设置在三角形的中心，在与x轴同向的矢量方向，矢量和z轴垂直于上平台。对于3转棱柱球面的并联机器人的速度运动学，定义了方向的速度、高点和转向，将其定义为3转棱柱球面的并联机器人模型的输入。作为3转棱柱球面的并联机器人模型的输出，三个线性执行器的速度（）可以通过如下公式：

其中，是基于当前位置，现平台（,,）和上平台中心点的方向（，，）和上平台的半径和基础平台（）计算的3-RPS并联机器人的逆雅可比矩阵。或者，根据不同应用中的要求，也可以采用平行机构的欧拉角公式，例如倾斜角和扭转角^{[17], [18]}。由于3-RPS并联机器人只有3个自由度，其在这3个自由度中的速度也会影响其他3个自由度中的速度，即x方向上的速度（）方向上的速度（）、和偏航（），可以用以下公式

其中，G是速度映射函数，可由以下函数表示：（i=1,2,3），表示每个线性执行器的矢量；（i=1,2,3），表示每个旋转关节的单位矢量；以及（i=1,2,3），表示每个顶点相对于3-RPS并联机械手上平台的位置。四轮驱动移动基座的速度运动模型^[19]可以表示为如下公式：

其中， 、和分别表示移动基座的x方向、y方向和偏航的速度；（i =1,2,3,4）表示四个麦克纳姆（Mecanum）车轮的角速度；Psi;表示移动基座的逆雅可比矩阵，可表示,为Mecanum轮外半径、为轴距的一半、为轴距的一半的函数。通过将世界坐标系中的末端执行器（即上平台上的中心点）的位置和方向定义为，我们可以使用移动基座的运动来补偿3-RPS并联机构的耦合运动。将并联机器人的运动学模型与移动基座相结合，可以将智能伴侣机器人的逆速度运动模型表示为

因此，在给定末端执行器的期望速度的情况下，可以计算并联机械手的三个线性执行器的速度和四个线性执行器的速度移动平台的车轮马达；这些马达可以由相应的低级运动控制器实现。在我们的设计中，所需的速度是由力伺服模式下的力/力矩（F/T）数据或视觉伺服模式下的视觉数据生成的。

2、人机交互建模

在力伺服模式下，人工操作机器人，而机器人同时控制零件。当交付的零件的重力总是由机器人补偿时，不管零件的重量如何，工人都可以操作机器人。我们设计中使用的人机交互模型可以表示为

其中是力/力矩（F/T）传感器的力输入，m是部件的虚拟质量，c是部件的虚拟阻尼， 是末端执行器的期望线速度， 是末端执行器的期望线性加速度，Ts是力/力矩（F/T）传感器的扭矩输入，J是虚拟惯性矩，xi;是虚拟旋转阻尼， 是上平台的期望角速度， 是上平台的期望角加速度。基于相互作用模型，可以计算末端执行器的期望线速度和角速度：

3、机器人控制模式

针对汽车装配中的人机协同任务，智能伴侣机器人实现了视觉伺服和力觉伺服方式的智能切换。视觉伺服模式是为大型零件的远距离输送而设计的，被认为是装配任务的第一阶段。在此模式下，智能伴侣机器人跟踪装配工作区周围的人工（通过跟踪QR码标记）。对于装配过程的第二阶段，力伺服模式设计用于将零件精确地固定到车辆上。在这种模式下，工人可以通过直接在操作手柄上施加力和扭矩来调整零件的位置和方向。此外，基于有效载荷的重量和几何形状，出于安全目的（例如，防止物体掉落），横滚和俯仰角度的范围受到软件阈值的限制，尽管该机构能够进行更大范围的运动。

智能伴侣机器人控制实现的软件包是基于机器人操作系统（ROS）和视觉伺服平台^[20]（VISP）构建的。一般控制图如图6所示。从默认安全/静止模式切换的模式取决于二维码的检测（到视觉伺服模式）或手柄力的存在（切换到力伺服模式）。在视觉伺服模式下，智能伴侣机器人寻求与检测到的QR码保持固定距离。低级车轮控制命令（仅适用于移动底座）由带有二维码的标记的位置和方向以及移动底座的运动模型确定。如果检测丢失，则智能伴侣机器人立即进入安全/静止模式，并在QR码重新检测时恢复其活动。

图6：SCR控制图

当超过手柄力阈值时，智能伴侣机器人切换到力伺服模式。在此模式下，控制命令由六轴力/力矩（F/T）的传感器输入和运动模型决定，以同步所有智能伴侣机器人的执行器。在高层运动规划的基础上，单片机实现了并联机构的三个直线执行器和移动基座的四个轮子的低层独立比例微分（PID）控制。软件包的架构由图7中机器人操作系统（ROS）节点之间的发布-订阅关系显示。该图由基于软件架构的机器人操作系统（ROS）的 rqt_graph 工具生成。在标记为smart_companion的大矩形中，列出了在此下命名的所有机器人操作系统（ROS）节点（显示为矩形）。smart_companion名称空间中的节点包含有关机器人状态的所有信息，例如，移动基座的轮速（以弧度/秒为单位）、线性执行器的速度（以毫米/秒为单位）和每个线性执行器的长度（以毫米为单位）。其他机器人操作系统（ROS）的名称空间（显示为矩形）和相应的节点（显示为椭圆）显示在左右列中。左栏中的 /linear_feedback and / encoder_feedback 节点用于读取车轮马达和线性执行器的位置反馈。左栏中的 /interact_model节点部署了图中所示的人-机器人交互模型。右栏中的/rps_ kinematics和/

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