Roboti zenye mikono miwili zinaweza kutoa uwezo mkubwa zaidi wa kubeba mizigo na eneo pana zaidi la kufanya kazi kuliko mifumo yenye mkono mmoja wakati wa kubeba paneli kubwa za ujenzi. Hata hivyo, sehemu ambazo paneli hushikwa na end-effector mbili huathiri moja kwa moja uwezo wa roboti kusogea na mizigo yake ya kimitambo. Utafiti unaochunguzwa unalenga kubainisha nafasi bora ya kushika kwa roboti ya kufunga paneli za ujenzi yenye mikono miwili mseto ya roboti, kila mmoja ukiwa na 7 degrees of freedom.

Katika utafiti, makundi mawili tofauti ya utendaji yalitathminiwa kwa pamoja. Kundi la kwanza ni dexterity, yaani uwezo wa end-effector kufikia mielekeo tofauti ikiwa katika nafasi isiyobadilika. Kundi la pili ni sifa za kimitambo kama torati za viungo, ugumu wa muundo na uthabiti wa mtetemo. Matokeo yanaonyesha kuwepo kwa mabadilishano ya wazi kati ya vigezo hivi viwili: end-effector zinapokuwa karibu, dexterity huwa juu zaidi; kadiri umbali kati yao unavyoongezeka, torati za viungo hupungua na ugumu wa muundo huboreka.

Njia sita za kwanza za mtetemo, torati za viungo, ugumu na dexterity zilipotathminiwa kwa pamoja, kwa usanidi wa manipulator uliopanuliwa kwa takriban 3,5 m nafasi ya 2,3–2,55 m kati ya vituo vya end-effector ilibainishwa kuwa eneo bora. Katika operesheni halisi, nafasi inayolingana kati ya kingo za nje za end-effector imeelezwa kuwa 2,0–2,25 m.

Baadaye, mkakati huo ulijaribiwa kwenye prototipu halisi ya roboti kwa paneli ya kioo ya uso wa jengo yenye vipimo vya 2 m × 3 m na uzito wa 350 kg. Nafasi ya kushika kutoka kituo hadi kituo ilipowekwa kuwa 2,3 m, makosa ya uwekaji wa kurudiwa katika sehemu tatu za kipimo yalipimwa kuwa 0,495 mm, 0,593 mm na 0,536 mm, na hitaji la usanifu la ±1 mm la mfumo likatimizwa.

Kwa nini roboti yenye mikono miwili?

Ufungaji wa paneli kubwa zilizotengenezwa awali za kuta na nyuso za majengo bado unategemea sana kazi ya binadamu katika maeneo mengi ya ujenzi. Uzito mkubwa wa paneli, vipimo vikubwa na urefu wa juu wa ufungaji huleta changamoto muhimu katika usalama wa kazi, uwezo wa kubeba mizigo na uwekaji sahihi.

Ingawa roboti zenye mkono mmoja zinaweza kuwezesha ufungaji wa kiotomatiki, vizuizi vya uwezo wa kubeba mizigo na eneo la kufanya kazi vinaweza kujitokeza kwa paneli nzito na pana. Roboti inayochunguzwa inajaribu kutatua tatizo hili kwa kutumia mikono miwili inayojitegemea lakini iliyoratibiwa.

Muundo wa kimitambo wa roboti

Mfumo unajumuisha mikono miwili ya roboti ya 7-DoF iliyowekwa kwa ulinganifu kwenye chassis ya simu yenye nyayo za caterpillar. Kila mkono una muundo mseto wa mfululizo-sambamba.

Degrees of freedom nne za kwanza:

• kiungo kimoja cha mzunguko,
• mifumo mitatu ya parallelogram

hurekebisha nafasi ya end-effector katika anga. Viungo vitatu vya mwisho vya mzunguko huunda utaratibu wa wrist na kudhibiti mwelekeo wa end-effector.

Umbali wa Kushika Unaathirije Dexterity ya Roboti?

Kadiri umbali kati ya end-effector mbili unavyoongezeka, bahasha ya mielekeo inayoweza kufikiwa na roboti hupungua na dexterity hushuka; dexterity ya juu zaidi hupatikana wakati sehemu ya kushika iko karibu na kituo cha harakati cha kisferi kilichorahisishwa.

Dexterity ilifafanuliwaje?

Utafiti unatumia mbinu ya service sphere ya Vinogradov na wenzake. Katika nafasi ya end-effector isiyobadilika, eneo la uso wa kisferi la mielekeo ambayo roboti inaweza kufikia hulinganishwa na eneo lote linalowezekana la uso wa kisferi.

Kadiri uso wa mielekeo inayoweza kufikiwa katika sehemu ya kushika unavyoongezeka, dexterity huongezeka. Bahasha inapounda hemisphere kamili, chanzo hukichukulia hiki kuwa hali ya dexterity kamili.

Kwa nini modeli ya mkono mmoja ilitumika?

Mikono miwili ina muundo sawa wa kimitambo na imewekwa kwa ulinganifu katika pande mbili za jukwaa la simu. Kwa hiyo, ili kurahisisha hesabu, mkono mmoja na nusu ya paneli vilichambuliwa; harakati ya mikono miwili ilimodeliwa kama muunganiko wa manipulator mmoja na utaratibu wa spherical-joint uliorahisishwa wenye degrees of freedom tatu za mzunguko katikati.

Kinematiki inayotegemea screw theory

Kwa mkono wa roboti, matriki ya ubadilishaji ya home configuration:

\[ g_{st}(0) \]

ilifafanuliwa, na mielekeo ya screw axis pamoja na vekta za joint-axis position zikaainishwa kwa kila kiungo.

Kinematiki ya mbele iliundwa katika mfumo wa Product of Exponentials:

\[ g_{st}(\theta) = e^{\hat{\xi}_1\theta_1} e^{\hat{\xi}_{21}\theta_{21}} e^{\hat{\xi}_{22}\theta_{22}} \cdots e^{\hat{\xi}_7\theta_7} g_{st}(0) \]

.

Mbinu hiyo hiyo ilitumika kwenye modeli ya spherical-joint yenye degrees of freedom tatu, na hali ambazo mkono halisi na utaratibu bora wa kisferi zingeweza kufikia nafasi ileile ya ncha zilitafutwa kwa mchakato wa nasibu wa joint sampling unaofanana na Monte Carlo.

Uchanganuzi wa dexterity kwa vipindi vya 200 mm

Katika chanzo, sehemu ya kushika ilibadilishwa kati ya 0–3000 mm kwa hatua za 200 mm. Katika kila nafasi, bahasha ya mielekeo inayoweza kufikiwa iliundwa.

Kwenye ukurasa wa 8, katika Kielelezo 6:

• katika 0 mm, bahasha ya karibu hemisphere kamili,
• eneo la mwelekeo linalozidi kuwa jembamba kadiri umbali unavyoongezeka,
• uwezo wa mwelekeo ulio na mipaka sana karibu na 3000 mm

unaonekana.

Kwenye ukurasa wa 9, Kielelezo 7 pia kinaonyesha kwamba mabadiliko haya kwa ujumla yana uhusiano unaopungua kwa mfululizo.

Kwa Nini Utendaji wa Kimitambo Huboreka Kadiri End-Effector Zinavyotengana?

Paneli inaposhikwa katika sehemu mbili zenye nafasi pana zaidi, mgawanyo wa mzigo na mikono ya moment hubadilika; katika uchambuzi wa chanzo, torati katika viungo nambari 1–6 hupungua, deformation ya muundo hupungua na ugumu wa mfumo huongezeka.

Uchambuzi wa moment kwa mzigo wa 3500 N

Uzito wa paneli ulimodeliwa katikati kama:

3500 N

mzigo unaoelekea chini.

Katika kila usanidi wa roboti, sehemu saba bainifu za moment \(M_1\)–\(M_7\) zilifafanuliwa na umbali kati ya sehemu hizo na kituo cha uzito cha paneli \(G\) ukahesabiwa.

Ukubwa wa moment katika chanzo kimsingi hubainishwa kwa:

\[ M_i = G\,|M_{wiGz}| \]

uhusiano huu.

Mabadiliko ya Grasping distance yalifanywa kuwa modeli ya harakati ya mstari ya end-effector katika mwelekeo wa y kati ya 0–1500 mm kwenye mfumo wa kuratibu wa base wa roboti.

Mabadiliko ya torati za viungo

Kwenye ukurasa wa 12, Kielelezo 11 kinaonyesha mwelekeo wa jumla ufuatao:

• torati ya Joint 1 hupungua,
• torati ya Joint 2 hupungua,
• torati ya Joint 3 hupungua kwa kiasi kikubwa,
• torati ya Joint 4 hupungua,
• torati ya Joint 5 hupungua,
• torati ya Joint 6 hupungua,
• torati ya Joint 7 huongezeka.

Chanzo kinaeleza kwamba ongezeko katika Joint 7 hubaki ndani ya masafa bora ya mzigo wa kiungo.

Kwa hivyo, katika kazi za paneli nzito, kuongezeka kwa nafasi ya kushika huunda mwelekeo wa kuboresha utendaji wa jumla wa kimitambo.

Modeli ya finite element

Modeli ya muundo wa roboti ilirahisishwa kwa uchambuzi wa finite elements; chamfer, fillet, thread hole na jiometri ndogo zisizobeba mzigo ziliondolewa.

Chuma cha Q355 kilifafanuliwa kuwa nyenzo:

Masharti ya mipaka ya Bonded na No Separation yalitumika katika mawasiliano ya viungo.

Uchambuzi wa ugumu

Kwenye ukurasa wa 13, katika Kielelezo 12, mgawanyo wa jumla wa deformation unaonyeshwa kwa grasping positions za 0, 0,5, 1,0, 1,5, 2,0 na 2,5 m.

Tafsiri ya chanzo ni kwamba kadiri nafasi ya kushika inavyoongezeka, deformation hupungua na ugumu wa static huboreka.

Kwa Nini Umbali Bora wa Kushika ni 2,3–2,55 Mita?

Masafa haya hayakuchaguliwa kwa kuzingatia dexterity pekee; torati za viungo, ugumu wa static, njia sita za kwanza za mtetemo na mahitaji ya kazi ya mzigo mzito yalitathminiwa kwa pamoja. Ingawa utendaji wa kimitambo unaunga mkono nafasi pana ya kushika, dexterity hupungua kadiri nafasi inavyoongezeka, na eneo la 2,3–2,55 m linabainishwa kuwa nafasi inayofaa ya kazi kati ya mahitaji haya mawili.

Uchambuzi wa modal wa mtetemo

Njia sita za kwanza za asili za mtetemo zilihesabiwa kwa usanidi tofauti wa kushika wa roboti.

Chanzo kinaonyesha katika Kielelezo 13, kwa kila mode kando, mabadiliko ya natural frequency kulingana na umbali wa kushika.

Njia zote sita zinapotathminiwa kwa pamoja, karibu:

2,3–2,55 m

eneo hilo hufafanuliwa kuwa masafa ya kilele cha kazi kwa upande wa uthabiti.

Katika eneo hili:

• nafasi ya kushika ni kubwa vya kutosha,
• torati za viungo zimepungua,
• ugumu wa muundo umeongezeka,
• uthabiti wa mtetemo uko katika kiwango kizuri,
• dexterity bado inachukuliwa kuwa ya kutosha kwa kazi ya kufunga paneli.

Tofauti kati ya kipimo cha kituo hadi kituo na ukingo hadi ukingo

Umbali wa kushika katika simuleringi ni kati ya vituo vya kijiometri vya end-effector mbili. Hata hivyo, si rahisi kupima vituo hivyo kwa usahihi katika eneo halisi la ujenzi.

Kwa sababu hiyo, chanzo kinatumia umbali kati ya mipaka ya nje ya end-effector katika matumizi ya vitendo.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Mlolongo wa utafiti

Utafiti unaunganisha tabaka nne kuu za kiufundi:

1. kufanya modeli ya manipulator mseto ya 7-DoF kwa screw theory na Product of Exponentials,
2. kuhesabu dexterity katika sehemu tofauti za kushika kwa mbinu ya service-sphere,
3. uchambuzi wa joint torque na static stiffness chini ya mzigo wa 3500 N,
4. njia sita za kwanza za mtetemo na jaribio la positioning repeatability kwenye prototipu halisi ya roboti.

Uthibitishaji wa prototipu halisi

Katika sehemu ya majaribio ya chanzo, end-effector maalumu ya mikono miwili ilitengenezwa kwa roboti. End-effector hii ina utaratibu wa telescopic na inaruhusu umbali kati ya vituo viwili vya kushika kurekebishwa kwa kulinganisha.

Paneli ya majaribio:

• Vipimo: 2 m × 3 m
• Nyenzo/aina: kioo curtain-wall board
• Uzito: 350 kg

imeelezwa hivyo.

Katika jaribio, umbali wa kushika kutoka kituo hadi kituo:

2,3 m

uliwekwa hivyo na paneli ikashikwa kwa vacuum gripper.

Jaribio la kurudiwa kwa laser tracker

Sehemu tatu lengwa zilichaguliwa katika eneo la kufanya kazi la roboti:

Laser tracker ilifuatilia harakati kwa wakati halisi na usahihi wa uwekaji wa kurudiwa katika sehemu lengwa ukahesabiwa.

Kosa la juu zaidi:

0,593 mm

lilipimwa hivyo na likabaki ndani ya hitaji la usanifu la ±1 mm.

Jaribio linathibitisha nini?

Jaribio linaonyesha kwamba prototipu halisi iliyowekwa kwa mkakati uliopendekezwa wa kushika inaweza kubeba paneli nzito na kufikia sehemu lengwa kwa kiwango cha juu cha kurudiwa.

Hata hivyo, jaribio:

• halikulinganisha kila sehemu katika masafa ya 2,3–2,55 m kivyake,
• halikujaribu vipimo na uzito wote unaowezekana wa paneli,
• halikujaribu uimara wa muda mrefu katika mazingira ya eneo la ujenzi,
• halikufanya dynamic trajectory optimization.

Matokeo yanayoungwa mkono na utafiti

• Kadiri umbali kati ya end-effector mbili unavyoongezeka, dexterity hupungua.
• Nafasi ya kushika inapoongezeka, torati za viungo nambari 1–6 hupungua.
• Nafasi pana ya kushika hupunguza deformation ya muundo na kuongeza ugumu.
• Katika uchambuzi wa modal wa mtetemo, eneo la 2,3–2,55 m lilibainishwa kuwa masafa yanayofaa zaidi ya kufanya kazi.
• Masafa ya marejeo ya vitendo kutoka ukingo hadi ukingo ni 2,0–2,25 m.
• Katika jaribio la prototipu kwa nafasi ya kituo ya 2,3 m na paneli ya 350 kg, kosa la juu zaidi la repeatability ni 0,593 mm.
• Thamani hii inatimiza lengo la usanifu la ±1 mm la roboti.

Matokeo ambayo utafiti hauungi mkono

• Haiwezi kusemwa kwamba kuna umbali mmoja wa jumla wa kushika wa 2,3–2,55 m ulio bora kwa kila paneli.
• Haijaonyeshwa kwamba usahihi huohuo utadumishwa kwa mizigo yote iliyo juu ya 350 kg.
• Uhusiano kati ya dexterity na umbali wa kushika hauwezi kuchukuliwa kuwa wa jumla kwa jiometri zote za roboti.
• Mtetemo, kutokuwa sawa kwa ardhi, upepo na hali za kazi za muda mrefu katika eneo la ujenzi hazikujaribiwa kwa kina katika jaribio hili.
• Dynamic trajectory planning si matokeo ya utafiti huu.
• Eneo bora la 2,3–2,55 m halikutokana na jaribio pekee; lilipatikana hasa kutokana na tathmini ya pamoja ya simuleringi za kinematiki na kimitambo.

Kazi ya baadaye

Chanzo kinapendekeza kwamba mada zifuatazo zichunguzwe hasa katika siku zijazo:

• athari ya umbali kati ya roboti na paneli kwa utendaji wa mfumo,
• athari ya redundant actuation configuration,
• dynamic trajectory planning,
• uboreshaji wa dynamic wa uthabiti wa cooperative grasping,
• uchambuzi wa workspace ya jumla ya roboti,
• kubainisha mipaka ya end-effector dexterous workspace,
• kubainisha mipaka ya nafasi na mwelekeo inayoweza kufikiwa katika hali tata za eneo la ujenzi.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Utafiti asilia: An End-Effector Grasping Strategy for Dual-Arm Robots During Construction Board Installation

Waandishi: Zhengjiu Ma; Yuxin Liu; Yongbin Li; Zhi Niu; Zhaoqing Kang; Zedan Li; Tong Wang; Tiejun Li.

Taasisi: Hebei University of Science and Technology; Hebei Key Laboratory of Robotics and Embodied Intelligence; Hebei Construction Engineering Group Co., Ltd.; Yanshan University; Hebei Construction Engineering Group Building Decoration Engineering Co., Ltd.

Waandishi wa mawasiliano: Yuxin Liu na Yongbin Li.

Jarida: Machines.

Mchapishaji: MDPI.

Juzuu / toleo / makala: 14(6), 686.

DOI: 10.3390/machines14060686.

Uwasilishaji: 3 Mei 2026.

Marekebisho: 5 Juni 2026.

Kukubaliwa: 9 Juni 2026.

Kuchapishwa: 12 Juni 2026.

Aina ya chanzo: Makala ya utafiti iliyopitiwa na wataalamu wenza.

Leseni: Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0).

Ufadhili: Utafiti uliungwa mkono na National Natural Science Foundation of China Regional Innovation and Development Joint Fund, Hebei Provincial Department of Science and Technology, Hebei Education Department, Shijiazhuang Municipal Bureau of Science and Technology, Hebei Natural Science Foundation na programu nyingine za ndani za utafiti na maendeleo. Nambari za miradi zimeelezwa kwa kina katika makala chanzo.

Upatikanaji wa data: Imeelezwa kwamba data zinazounga mkono matokeo zinapatikana ndani ya makala na kwamba corresponding authors wanaweza kuwasiliana nao kwa taarifa zaidi.

Mgongano wa maslahi: Yuxin Liu na Yongbin Li ni wafanyakazi wa Hebei Construction Engineering Group Co., Ltd.; Zedan Li na Tong Wang ni wafanyakazi wa Hebei Construction Engineering Group Building Decoration Engineering Co., Ltd. Waandishi wanaeleza kwamba mahusiano haya ya ajira hayasababishi mgongano wa maslahi ya kibiashara au kifedha katika utafiti.

Mbinu: Uundaji wa modeli ya kinematiki kwa Screw theory na Product of Exponentials; uchambuzi wa service-sphere dexterity; inverse kinematics; uchambuzi wa rigid-body moment; uchambuzi wa finite element static stiffness; uchambuzi wa mtetemo wa mode ya kwanza–ya sita; jaribio la positioning repeatability la prototipu kwa paneli ya 350 kg.

Matokeo makuu: Katika ufungaji wa paneli nzito, si dexterity ya juu pekee wala torati ndogo zaidi ya kiungo pekee iliyochaguliwa; kwa kuweka utendaji wa kimitambo kuwa kigezo cha kwanza na dexterity kuwa kigezo cha pili, nafasi ya kushika ya 2,3–2,55 m kutoka kituo hadi kituo ilipendekezwa, na katika mpangilio wa 2,3 m prototipu halisi chini ya paneli ya 350 kg ilionyesha kosa la juu zaidi la uwekaji wa kurudiwa la 0,593 mm.

Kikomo kikuu: Masafa bora yanategemea kwa kiasi kikubwa tathmini ya pamoja ya matokeo ya modeli na FEA. Uthibitishaji wa majaribio ulifanywa kwa nafasi moja tu ya kituo ya 2,3 m na paneli mahususi ya 350 kg.