洁净装校仿真机器人的运动学分析

本文作者：谢志江 杨凤杰 倪卫 熊迁 袁晓东 单位：重庆大学 机械传动国家重点实验室 中国工程物理研究院 激光聚变研究中心

庆大学机械传动国家重点实验室与中国工程物理研究院激光聚变研究中心联合研制的高洁净精密智能装校系统，该系统分为下装装校系统［1－2］和侧装装校系统两个类型，洁净精密装校机器人隶属于侧装系统。根据光学与装校要求，该激光器装置激光光路上布置有大量的在线可替换单元模块(LinearReplaceUnit，LRU)，按照一定光学要求装校而成，而LRU模块具有制造精密、造价昂贵、洁净度高、质量大特点，侧装机器人则要实现侧向模块的洁净、精密的安装和拆卸。美国劳伦斯•里弗莫尔国家实验室(LawrenceLivermoreNationalLaboratory，LLNL)建立的巨型固体激光器国家点火装置(NationalIgnitionFacility，NIF)在LRU模块装校上也加大了投入，根据不同的装校工位，共研发了5类装校设备，但均调节自由度较少，而且装校过程中需较多人工干预［3－5］。法国在阿基坦科学技术研究中心(CESTA)建立的兆焦耳激光器(LaserMagajoule，LMJ)也采用了相似的装校系统［6］。洁净精密装校机器人配备监控系统及末端传感器，可实现智能化闭环洁净精密装校。装校全流程无需人工干预，对超净装校间及LRU模块洁净度影响极小。

1机器人作业特性

1．1机器人装校环境激光器装置规模巨大，其工程设计必然要采用标准化和模块化原则，把激光装置各分系统的部件设计成LRU模块，在超净装校间里(100级)进行各元件组装。洁净装校机器人主要负责需从腔体侧向装入或拆卸的LRU模块装校。在一对南北腔体之间安装有两侧距离相等的机器人移动底座，腔体一侧设有存放模块的洁净间。LRU模块对应于局部腔体排列成一定的规律，如图1。模块分层布置，上下相同，南北相同，模块1与模块2构成一层，4层为一个腔体，腔体按阵列布置。机器人安装模块，需从洁净间取出模块，沿移动导轨移动至装校工位，将模块安装至腔体内;拆卸模块，则是机器人将模块从腔体侧向取出并运送至洁净间的过程。由于模块洁净度要求极高，装校过程应避免人工干预，要求机器人有准确的轨迹规划，在监控系统、位移传感器和力传感器的反馈下，进行智能化装校。

1．2机器人结构组成洁净精密装校机器人采用6自由度串联操作手的结构，主要由机架、提升机构、侧送机构、4个转动关节和前端执行器组成，如图2。提升机构要受较大的弯矩并提供较大的行程，采用的滚珠丝杆副配合直线导轨的结构。侧送机构由于受腔体距离限制，要满足侧送行程，采用侧送方向更为紧凑的齿轮齿条机构配合直线导轨的结构。转动关节由伺服电机连接行星减速器直接驱动。前端执行器根据不同模块接口尺寸，具有多种类型，可进行拆卸更换。并且其右侧末端装有两轴水平传感器，以实现装校过程中模块的水平度闭环反馈。

2运动学分析

2．1运动学正解根据机器人结构绘制机器人机构运动简图，并运用D－H法建立坐标系［7］，如图3所示。O0－X0Y0Z0坐标系建立在机架上，当移动平台固定后，为固定坐标。O7－X7Y7Z7坐标系为工具坐标系，原点O7位于前端执行器几何中心。按照机器人结构参数和关节变量，整理出其D－H参数，如表1。

2．2运动学逆解文献［9］对串联机器人逆解进行了详尽理论分析但没有进行求解，逆运动学相比正运动学问题要显得复杂得多，应用解析法进行串联机器人位姿逆解得到在此，由于机器人的关节5和关节6的设计主要是为了保障装校过程中保持前端执行器在S0系进行自动水平调整。其控制变量θ5和θ6是根据前端执行器右侧末端安装的水平传感器，实时反馈其绕轴Z5和轴Z6的转角θx和θy，控制关节5和关节6的电机转动θ5=－θx和θ6=－θy进行补偿调平，从而实现了更为简洁、精确的闭环控制。因此，此处略去了θ5和θ6的求解过程。

3轨迹规划

经过机器人的工作环境分析，根据机器人的运动学正解、反解的求解结论，可对机器人进行按照装校流程进行轨迹规划［12］。装校机器人的设计目的是实现高精密、装校稳定安全，其轨迹规划基本原则是在全流程尽量取最具避障性的轨迹。引入一种新的轨迹规划方法，有效地简化了轨迹取点的复杂考虑，减少了运动学逆解的计算量。现以N侧腔体二层的模块1为例，来介绍洁净装校机器人的工作轨迹规划问题。

3．1作业规划根据作业要求，按单关节变化的原则，应用纯直线运动和圆周运动的叠加，取出7个轨迹结合点，拟出机器人作业表，如图4。

3．2轨迹参数确定根据上述作业规划流程可以得出初步的机器人装校轨迹，为便于表述及对应待确定参数的计算，可将其投影至O0－X0Y0Z0系的XOY平面与XOZ平面，如图5、图6。机器人装载模块以后，根据模块目标腔置将移动平台进行定位，用O0－X0Y0Z0系原点O0与近端腔体内侧在X向的距离a0q表示。由于移动平台在Z向与地面导轨固定，Y向位于两腔体对称面。因此移动平台即O0－X0Y0Z0系位置确定，仅与a0q有关。然后，依次进行相邻两点间PTP轨迹规划。对于机器人两点间的PTP运动，尽量避免耦合运动，实行单关节控制下的直线运动或圆周运动。这种简单运动，非常有利于前期轨迹取点。同时，单关节变化使运动学逆解每次仅需一个变量求解，极大简化了运算过程。虽然，E3到E4的点为关节3和关节4等速互余联调，θ3+θ4=90°，因此仍仅需求一个变量，而且E3到E4的轨迹仍为圆周运动。将两点PTP轨迹进行组合，就得到封闭完整的多点PTP轨迹。图7为运用Matlab2008绘制的机器人装校初步轨迹规划曲线。

3．3轨迹优化及仿真在E1到E4运动过程中，模块在Y方向距离腔体始终大于bmq。因此，此段轨迹可进行基于时间上的整合优化。在E1到E2时间段，同时并行E2到E3和E3到E4两组运动。优化后E2和E3两点坐标发生了变化，但无需再次分别进行逆运动学求解。除d1以外，各点关节变量均不变，各点初关节1变化量d1=v1ti(v1为关节1匀速提升速度，ti为Ei点工作时间)。E4到E6是距离腔体最近的轨迹段，对精密装校要求最高，因此延用直线运行，以保证良好的工作稳定性和最大的安全距离。模块安装到位后，机器人前端执行器的回程轨迹E7到E1与E1到E4完全重合，极大减少了计算量，减少了机器人干扰空间，提高了避障性能。基于时间优化的机器人末端执行器运行轨迹具有众多折点，会引起速度方向瞬间变化而出现抖动。尤其E2到E3和E3到E4轨迹曲线结合处，关节4还会发生一次转动反向，这类情况对模块和机器人本身安全造成影响。文献［13］提出一种基于粒子群三次样条优化的路径规划方法，将对机器人轨迹转折点规划问题转化为三次样条曲线的参数优化问题，可规划出一条由若干个3次Ferguson样条连接而成的机器人路径，1，2阶导数连续，规划的路径平滑，但计算量较大，而且转折点附近轨迹空间有要求。由于模块进入腔体以后装校空间受到限制，而且机器人装校速率的影响远小于装校安全性、稳定性。因此，采用将机器人各轨迹节点时间延迟的方法进行防抖动优化。E1到E4和E7到E1各轨迹点增加1s或2s的延迟，但是仍可以整合到关节1的直线运行过程中，整体时间没有增加。到E7每个节点增加0．5s的过渡延迟。因此防抖动优化带来机器人装校平稳性的同时，仅增加了2s的装校时间，而且运算非常简便。根据以上整合优化，进行整理更新7个特殊轨迹点的各关节变量，运用Pro/E4．0机构分析，将各驱动关节控制电机在时间上进行分布排序。再进行多点PTP轨迹规划，运用Matlab2008绘制出优化后的机器人装校轨迹曲线，如图8。根据调整后的电机驱动时间，运用Pro/E4．0进行机构运动学仿真，模拟机器人的LRU模块安装过程。以LRU模块前端面4个端点可描绘出机器人装校过程中模块实际运行轨迹和影响空间，如图9。

4结论

(1)根据洁净装校机器人结构构型，运用D－H法建立了便于运动学解析的机构简图和坐标系，结合机构几何关系，求出了封闭的逆解，为轨迹规划奠定基础。(2)根据机器人作业特性，采用单关节作业取特殊轨迹点，然后进行时间整合和防抖动优化的新轨迹规划方法，完成了机器人一个装校周期的轨迹规划和轨迹优化。(3)对机器人装校进行了机构运动仿真，并扫描了模块前端边界点的轨迹曲线，达到了良好的避障性能和较小的影响空。(4)文中机器人轨迹规划是基于一个模块的装校周期，而装校腔体和腔体内模块均按一定规律分布，因此，对所有模块进行全流程智能自动化装校是可能的。