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关节柔性视角下双臂模块机器人协调控制策略与实践探究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着科技的飞速发展，机器人技术在各个领域得到了广泛应用，双臂模块机器人作为一种具有高度灵活性和操作能力的机器人系统，正逐渐成为研究和应用的热点。双臂模块机器人能够模仿人类双臂的协作方式，实现更加复杂和精细的任务，在工业制造、医疗手术、太空探索、家庭服务等众多领域展现出巨大的应用潜力。在工业制造领域，双臂模块机器人可协同完成高精度的装配任务，提高生产效率和产品质量；在医疗手术中，能辅助医生进行复杂手术操作，提升手术的精准度和安全性；在太空探索任务里，可适应恶劣的太空环境，完成设备维护、物资搬运等工作；在家庭服务场景下，能够帮助人们完成家务劳动，为日常生活提供便利。

然而，传统的双臂机器人大多假设关节为刚性，忽略了关节柔性的影响。实际上，由于机器人关节中使用的减速器、驱动器等部件存在弹性，关节柔性是不可避免的。关节柔性会导致机器人在运动过程中出现振动、跟踪误差增大、响应速度变慢等问题，严重影响机器人的性能和控制精度。当机器人进行高速运动或负载变化较大时，关节柔性引起的振动会使机器人末端执行器的定位精度下降，导致任务无法准确完成；在需要精确力控制的任务中，如医疗手术和精密装配，关节柔性会使力的传递出现偏差，影响操作的准确性和安全性。因此，考虑关节柔性对双臂模块机器人的性能提升和实际应用具有重要意义。

协调控制是双臂模块机器人实现高效、精准作业的关键技术之一。通过协调控制，可以使双臂模块机器人的两个手臂在运动过程中相互配合，避免碰撞和干涉，实现任务的最优分配和协同执行。在搬运大型物体时，需要协调两个手臂的运动和力的分配，确保物体的平稳搬运；在进行装配任务时，需要精确控制两个手臂的相对位置和姿态，使零件能够准确对接。有效的协调控制能够提高机器人的工作效率和质量，拓展机器人的应用范围。然而，考虑关节柔性的双臂模块机器人协调控制面临诸多挑战，如柔性关节动力学模型的复杂性、协调控制算法的设计难度以及对传感器精度和控制系统实时性的高要求等。

综上所述，研究考虑关节柔性的双臂模块机器人协调控制具有重要的现实意义。一方面，能够深入理解关节柔性对双臂模块机器人动力学特性和控制性能的影响，为机器人的设计、优化和控制提供理论依据；另一方面，通过开发有效的协调控制策略，可提高双臂模块机器人的运动精度、稳定性和工作效率，推动其在更多领域的实际应用，为解决实际工程问题提供技术支持。

1.2国内外研究现状

双臂模块机器人及关节柔性控制领域在国内外均取得了丰富的研究成果，推动了机器人技术的发展与应用。

在国外，许多科研机构和高校在双臂模块机器人研究方面处于前沿地位。美国斯坦福大学研发的MobileALOHA双臂机器人，通过学习低成本全身遥操作，实现了复杂的双手协作任务，如烹饪、倒水取药等，展示了双臂机器人在家庭服务场景中的应用潜力。然而，在自主模式下，该机器人仍存在执行复杂任务失误的问题，反映出双臂操作任务在协同工作能力和自主决策方面仍需提升。德国宇航中心在空间双臂机器人研究中，考虑关节柔性对机器人动力学特性的影响，建立了精确的动力学模型，为空间机器人在微重力环境下的稳定操作提供了理论基础。日本在机器人领域一直处于领先水平，其研发的双臂协作机器人在工业制造中得到广泛应用，通过优化控制算法，提高了机器人的运动精度和协作效率，但在面对复杂多变的任务和环境时，机器人的适应性还有待增强。

国内在双臂模块机器人及关节柔性控制方面的研究也取得了显著进展。哈尔滨工业大学针对双臂空间机器人，提出了基于奇异摄动理论的抗力矩饱和控制与振动抑制方法，有效抑制了关节柔性引起的振动，提高了机器人的控制精度，为空间双臂机器人的姿态控制和操作稳定性提供了新的解决方案。上海交通大学研发的双臂协作机器人，通过建立动力学模型和优化控制策略，实现了双臂在复杂任务中的协同操作，在工业装配等领域展现出良好的应用前景。此外，中科深谷开发的双臂可重构机器人，能够通过移除或添加模块改变自身构形，适应不同任务需求，并提出了无模型事件触发分布式协调控制方法，提高了双臂机器人在未知工具约束下的协同定位精度与稳定性。

然而，当前研究仍存在一些不足与空白。在关节柔性建模方面，现有的模型大多基于理想假设，难以精确描述实际关节柔性的复杂特性，导致模型与实际情况存在偏差，影响控制精度。在协调控制算法方面，多数算法针对特定任务或场景设计，缺乏通用性和自适应性，难以满足双臂模块机器人在多样化任务和复杂环境下的需求。此外，对于关节柔性与双臂协调控制之间的耦合关系研究较少，尚未形成系统的理论和方法体系，限制了机器人性能的进一步提升。在实验验证方面，由于实验设备和条件的限制，部分研究成果缺乏充分的实验验证，其实际应用效果有待进一步检验