歐美、日韓等發(fā)達國家在機器人領(lǐng)域的研究歷史較久，對于雙臂協(xié)作機器人技術(shù)的研究開展較早，目前較為成熟的雙臂機器人有幾十種，各國學(xué)者從雙臂機器人的本體設(shè)計、雙臂運動規(guī)劃、視覺定位、碰撞檢測等方面做出了突出的貢獻。

一、多場景下的雙臂協(xié)作機器人

       PR2（Personal Robot 2）為美國 Willow Garage 公司開發(fā)的面向家庭環(huán)境下的可執(zhí)行物體自動識別與抓取任務(wù)的著名雙臂協(xié)作機器人（如圖 1 所示）。PR2 的左右手臂各為 7 自由度冗余機械臂，其末端執(zhí)行器可執(zhí)行簡單的夾取，其末端執(zhí)行器上配有力矩傳感器，可以進行力反饋。其軟件平臺依托于強大的分布式 ROS 系統(tǒng)，結(jié)合新進的硬件設(shè)備，PR2 可以完成開門、打開冰箱取食物等復(fù)雜任務(wù)。對于其雙臂路徑規(guī)劃問題 Sandip Aine 等人提出了多啟發(fā)式的A*算法。

圖1 PR2機器人

       德國KIT大學(xué)研制的ARMAR-III ，如圖2所示，是具有移動底座的仿人雙臂機器人，雙手各有5 根手指，能夠?qū)崿F(xiàn)抓取廚房內(nèi)的碗碟、收拾碗柜等工作。

圖2 ARMAR-III 機器人

       2012 年，美國的RethinkRobotics公司推出的Baxter[5]，定位于人機協(xié)作，如圖3所示，Baxter裝有多個攝像頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對物體的定位，同時采用順應(yīng)式手臂并具有力度探測功能，能夠適應(yīng)變化的環(huán)境，可“感知”異?，F(xiàn)象并引導(dǎo)部件就位，在生產(chǎn)環(huán)境中操作安全，不需要防護欄。

圖3 Baxter雙臂機器人

       日本安川開發(fā)的 MOTOMAN-SDA10[6]（如圖4所示），機器人的上身固定在底部基座上，只有 Z 軸方向上的旋轉(zhuǎn)自由度。兩個帶有力矩傳感器的夾爪其可以完成打擊樂器、烹飪食物、上菜、折疊衣服等動作。單臂長度接近 200 cm，在一定范圍內(nèi)可抓持將近 10 kg 的重物。

圖4 MOTOMAN-SDA10機器人

       ABB 公司 2015 年推出的YuMi機器人（如圖5所示）是一款精度極高的雙臂協(xié)作機器人。YuMi 機器人精度在0.5mm以內(nèi)，對于常見的軸孔裝配等問題可完美完成。同時為增強人機交互過程中的安全性，YuMi機器人在末端執(zhí)行器上安裝了力和力矩傳感器，以達到柔順控制的目的，從而保障了人機交互和合作過程中的安全。

圖5 ABB的YuMi機器人

      除此上述之外，國外還有許多經(jīng)典的雙臂機器人，如：HRP-3 機器人、QRIO 機器人、NEXTAGE 機器人等。

      國內(nèi)對于雙臂協(xié)調(diào)的研究起步較晚，只在部分高校與企業(yè)進行研究。在國家863重點課題的支持下，浙江大學(xué)設(shè)計出一款能打乒乓球的機器人“悟”“空”，如圖6 所示，其配備了兩條七自由度機械臂，雙機器人對打創(chuàng)下過最高114個回合的記錄，但其雙臂上沒有安裝力矩傳感器，在人機交互方面顯得不足。沈陽新松公司開發(fā)的雙臂協(xié)作機器人DSCR3，如圖7所示，具有安全、易用、靈活的特點。頭部選裝的相機可以輔助機器人的定位，其各項性能指標(biāo)基本達到了國際上領(lǐng)先的機器人公司的性能指標(biāo)。機器人宇航員“小天”于2015年的第17屆工業(yè)博覽會上亮相，如圖8所示，未來可以應(yīng)用于太空中有人與無人的環(huán)境中。

圖6 “悟”“空”機器人

圖7 DSCR3機器人

圖8 機器人宇航員“小天”

二、雙臂協(xié)作機器人的碰撞檢測、路徑規(guī)劃、協(xié)調(diào)運動規(guī)劃研究現(xiàn)狀

（1）碰撞檢測研究現(xiàn)狀

       當(dāng)雙機械臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)中兩個機械臂在工作空間中相互干擾或其中有障礙物時，避免碰撞是兩個機械臂安全工作的前提。碰撞檢測的目的是檢測兩個物體之間的碰撞并報告碰撞。采用離線仿真技術(shù)，通過模擬雙機械臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運動來進行雙機械臂的碰撞檢測是保證其安全工作的一種有效的方法。碰撞檢測的分類如圖9所示。

       運用離散碰撞檢測算法進行碰撞檢測，有可能出現(xiàn)實際發(fā)生了碰撞卻沒有檢測出來的情況，這是由于該算法的檢測原理是預(yù)先將連續(xù)路徑離散為一系列路徑點，在每個路徑點執(zhí)行檢測，如果實際碰撞發(fā)生的位置沒有被離散為待檢測的路徑點，就會有上述情況的發(fā)生；雖然說連續(xù)碰撞檢測算法無上述情況的發(fā)生，但其計算量巨大。離散碰撞檢測有基于圖像和基于圖形兩類，它們檢測原理上各不相同，前者是根據(jù)相交物體的圖像信息來實現(xiàn)碰撞檢測，后者是通過相交物體的三維幾何特性來實現(xiàn)檢測?；趫D形的算法中，包圍盒法和空間分割法應(yīng)用較為成熟。空間分割法是將整個空間劃分成體積相等的網(wǎng)格單元,場景中的每個物體對應(yīng)在一個或多個單元中,如果兩個物體占據(jù)不同的網(wǎng)格單元,則說明兩個物體沒有碰撞,反之則發(fā)生碰撞。常用的空間分割法有K-D樹,八叉樹和BSP樹法等。層次包圍盒的方法核心思想是用一個簡單的包圍盒將復(fù)雜的幾何物體圍住,當(dāng)兩個物體做碰撞檢測時,首先檢測兩者的包圍盒是否相交,若不相交則說明兩個物體未產(chǎn)生碰撞,否則在進一步對兩個物體做檢測。

圖9 碰撞檢測算法的分類

      對于雙臂機器人避碰路徑規(guī)劃來講多應(yīng)用包圍盒法對雙機械臂避碰路徑規(guī)劃中的碰撞進行檢測。常見包圍盒，如圖 10所示，包圍球Sphere)、軸向包圍盒AABB、方向包圍盒OBB、離散方向包圍盒K-DOP，它們的特性比較如表1所示。球體建模簡化的優(yōu)勢是建模簡單，無需考慮模型姿態(tài)，進行碰撞檢測時只需進行球心與球心之間的距離計算，計算量小，但利用球體建模簡化關(guān)節(jié)緊密性很差，檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。Quinlan利用球體群建模優(yōu)化這一不足，但增加了計算量，且緊密性依舊不好。Bosscher、李坤等利用圓柱加半球建模簡化的方式檢測機器人間的碰撞狀態(tài)，將連桿簡化為圓柱，兩端關(guān)節(jié)簡化為半球體。這種建模方式建模簡單，計算量適中，但檢測精度不高，無法準(zhǔn)確表示機器人關(guān)節(jié)的位姿。AABB 的緊密性較差，一般用于粗略的碰撞檢測或者快速剔除仿真環(huán)境中不會發(fā)生碰撞的物體。OBB 和 K-DOP 的緊密性較好，很多學(xué)者分別使用 OBB和 K-DOP 對物體進行碰撞檢測，但是建模困難，檢測計算時間較長。

圖10 不同類型的包圍盒示意圖

(2) 路徑規(guī)劃研究現(xiàn)狀

       路徑規(guī)劃主要研究的是基于起始點、目標(biāo)點和障礙物環(huán)境，規(guī)劃出一條連接起點和目標(biāo)點且與環(huán)境不碰撞的路徑。不同于單機械臂的運動路徑規(guī)劃，雙機械臂協(xié)作的避障路徑規(guī)劃提出了更高的技術(shù)要求。在雙臂機器人路徑規(guī)劃中需要考慮機械臂內(nèi)部、機械臂之間、機械臂與環(huán)境三類碰撞問題。避障規(guī)劃是保障機器人設(shè)備安全、高效地完成任務(wù)的前提和基礎(chǔ)。

       對于雙臂的路徑均不能改變的情況，即起點和終點之間的路徑已經(jīng)確定，常用的方法有：延時啟動、速度修正及優(yōu)先度分配法。然而這三種方法不能對路徑進行修改，具有局限性。

      對于雙臂的路徑可以修改的情況，Cetin O提出了一種基于人工勢場法的避障路徑規(guī)劃方法，在障礙區(qū)域設(shè)置斥力場，在目標(biāo)位置設(shè)置引力場，這種方式更適用于移動機器人的路徑規(guī)劃，對于機械臂這樣的高維空間規(guī)劃，設(shè)置勢場是比較困難的；Ju首先規(guī)劃一條機械臂的路徑，通過驅(qū)動另一條機械臂通過的速度進行避碰；陳鋒將兩條兩自由度機械臂等效為四邊形，首先規(guī)劃主臂的軌跡，通過碰撞檢測建立從臂的無碰撞狀態(tài)數(shù)據(jù)庫（CSDB），利用 A*算法進行從臂的無碰撞路徑規(guī)劃，這種方式適用于自由度較低的情況；Tsai在C空間結(jié)合時間信息利用 RRT 算法對雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行避障路徑規(guī)劃；UPenn大學(xué)的Benjamin采用基于搜索的算法，對抓取物體進行路徑規(guī)劃。

（3）雙臂協(xié)調(diào)運動規(guī)劃技術(shù)研究現(xiàn)狀

       雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)的運動規(guī)劃可以分為路徑規(guī)劃和軌跡規(guī)劃兩部分，雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)通過路徑規(guī)劃算法得到根據(jù)任務(wù)生成的無碰撞路徑點，對這些路徑點（包括位置和姿態(tài)）賦予時間信息即為雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)軌跡規(guī)劃。

       國外的 Pashkevich針對由一個六自由度機械臂和三自由度變位機組成的協(xié)調(diào)焊接系統(tǒng)，將焊接任務(wù)解耦，針對機械臂和變位機制定了不同的運動規(guī)劃策略；Papakostas針對工業(yè)環(huán)境中的復(fù)雜裝配任務(wù)，對多臂協(xié)調(diào)的軌跡規(guī)劃問題進行了研究，在離線編程環(huán)境下實現(xiàn)了多臂的協(xié)調(diào)軌跡規(guī)劃；Carlos對多臂協(xié)調(diào)過程中機械手的位置規(guī)劃問題提出了規(guī)劃算法，并進行了實驗驗證；在國內(nèi)，東南大學(xué)的張曦針對多臂協(xié)調(diào)焊接中的運動規(guī)劃問題，分別建立了松協(xié)調(diào)和緊協(xié)調(diào)的模型，并針對板板、管管、管板焊接三種情況的運動規(guī)劃問題進行了研究，并通過在solidworks中仿真進行驗證；浙江大學(xué)的吳潮華通過離線編程的方法對兩臺工業(yè)機器人的基于約束關(guān)系的協(xié)調(diào)運動規(guī)劃方法進行了研究，并搭建了離線仿真平臺；王雷對由兩條ER16機械臂組成的雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行軌跡插補算法的研究，并進行了仿真實驗；孟石將雙臂協(xié)調(diào)的運動分為兩類：耦合遠(yuǎn)動和疊加運動，并分別給出了示教方法，在VA1400和HP20機械臂上進行了實驗驗證。

       綜上，單臂的軌跡規(guī)劃是雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)軌跡規(guī)劃的基礎(chǔ)，不同之處在于兩條機械臂在進行軌跡規(guī)劃時存在時間或空間約束，因此單臂的軌跡規(guī)劃算法可以推廣到雙臂協(xié)調(diào)系統(tǒng)中。在進行雙臂軌跡規(guī)劃時，若對機械臂末端的運動路徑?jīng)]有嚴(yán)格約束，只對起始和目標(biāo)位姿有要求，例如松協(xié)調(diào)運動過程，則可以在關(guān)節(jié)空間內(nèi)進行軌跡規(guī)劃；若對末端路徑有嚴(yán)格約束，例如緊協(xié)調(diào)運動過程，則需要在笛卡爾空間進行軌跡規(guī)劃，包括位置規(guī)劃和姿態(tài)規(guī)劃，位置規(guī)劃常用梯形、三角函數(shù)形、指數(shù)形及 S 形曲線進行速度規(guī)劃構(gòu)造位置曲線，姿態(tài)規(guī)劃常用的是 Shoemaker[39]提出的基于單位四元數(shù)插補的 SLERP 算法和 SQUAD算法，但這兩種算法只能構(gòu)造 C1 連續(xù)的曲線，有待進一步改進。