草莓采摘末端執(zhí)行器摘取接觸力控制仿真

張建寶　王家忠　李娜

摘要：設(shè)計了1種基于氣動人工肌肉的結(jié)構(gòu)簡單、運動靈活、柔性作業(yè)的多手指式剛?cè)峄炻?lián)的草莓采摘末端執(zhí)行器。基于氣動人工肌肉系統(tǒng)完整的靜態(tài)特性數(shù)學模型作為PID調(diào)節(jié)的傳遞函數(shù)，分別在ADMAS與MATLAB/SIMULINK中建立末端執(zhí)行器的機械仿真模型與基于PID的接觸力控制系統(tǒng)，利用二者實現(xiàn)對整個末端執(zhí)行器單指控制特性的聯(lián)合仿真，為控制策略的選取及物理樣機試驗研究打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：接觸力；仿真；末端執(zhí)行器

中圖分類號： S225.99 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0465-03

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)模化、多樣化和精確化，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求逐漸提高，像果蔬采摘作業(yè)等都是勞動密集型工作，再加上果蔬時令的要求，保證作業(yè)質(zhì)量成為關(guān)鍵問題[1]。由于采摘作業(yè)的復雜性，目前主要依靠人工采摘，采摘自動化程度仍然很低。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很強地域性、季節(jié)性和周期性，因此，采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)中最耗時、最費力的一個環(huán)節(jié)。目前，與國外相比，中國農(nóng)業(yè)采摘機器人非常少，但隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國對農(nóng)業(yè)機器人及其理論的研究開始受到重視。陳利兵等針對高架式草莓自動化采收機器人進行了相關(guān)研究[2-4]，但這種方法并不適合我國大面積溫室內(nèi)地壟式栽培的草莓收獲。

采摘末端執(zhí)行器要實現(xiàn)采摘草莓的目的，必須實現(xiàn)兩大關(guān)鍵動作：獲取和分離，即首先通過抓取、吸入、勾取等一定方式獲取果實，再通過扭斷、剪切等不同方法將果實與果梗分離[5]。在此動作基礎(chǔ)上本研究提出了1種剛?cè)峄炻?lián)欠驅(qū)動草莓采摘機械手機構(gòu)，并在ADAMS環(huán)境下建立受控三維模型，以草莓采摘接觸力為控制依據(jù)，在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下建立了采摘末端執(zhí)行器的氣動肌腱驅(qū)動系統(tǒng)的仿真模型，并對其進行了仿真分析和虛擬PID（P為proportion，I為intergration，D為differentiation）控制，通過MATLAB仿真模擬，實現(xiàn)了驅(qū)動控制系統(tǒng)的仿真模擬控制。

1 草莓采摘機器人模型

我國采摘機器人的研究正在起步，如上海交通大學的黃瓜采摘機器人[6]，浙江大學的七自由度番茄收獲機械手[7]，江蘇大學的蘋果采摘器的末端執(zhí)行器[8]，中國農(nóng)業(yè)大學對草莓采摘機械手的視覺識別系統(tǒng)[9]等。中國農(nóng)業(yè)大學研究的草莓采摘機械手是針對于高架式草莓采摘，對種植環(huán)境要求嚴格，本研究提出的是基于壟作栽培的剛?cè)峄炻?lián)欠驅(qū)動的草莓采摘機械手。

1.1 手指單元結(jié)構(gòu)

草莓采摘機械手執(zhí)行器[10]包括手掌、轉(zhuǎn)動腕盤、氣動肌腱，3個結(jié)構(gòu)相同的彼此相間120°的手指單元（圖1）。每個手指具有2個關(guān)節(jié)，2個關(guān)節(jié)間連接柔順構(gòu)件，近指端關(guān)節(jié)另一端連接剛性指節(jié)；近指端關(guān)節(jié)為主動關(guān)節(jié)，由2條氣動肌腱伸縮驅(qū)動，關(guān)節(jié)7為彈性儲能被動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)軸上裝有扭轉(zhuǎn)彈簧。

當每個手指上2條氣動肌腱產(chǎn)生伸縮運動時，驅(qū)動剛性指節(jié)向手掌閉攏，同時在近指端關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸扭簧與轉(zhuǎn)桿扭簧的耦合驅(qū)動下，柔順構(gòu)件也產(chǎn)生向手掌方向的轉(zhuǎn)動，進而通過動力耦合作用驅(qū)動指掌關(guān)節(jié)運動，3個手指相向運動閉攏。

1.2 剛?cè)峄炻?lián)模型建立

由于草莓機械手手指單元結(jié)構(gòu)相同，相對手掌對稱分布，且由相同的氣動肌腱驅(qū)動，因此機械手抓取動作控制可轉(zhuǎn)化為對手指單元的控制分析。對手指單元中的柔順構(gòu)件的分析，可基于ADAMS中ADAMS/Flex模塊。建立草莓采摘機械手的三維實體模型，如圖2所示。利用ADAMS中的 AutoFlex 模塊，將柔順構(gòu)件網(wǎng)格化進行模態(tài)計算，將計算的模態(tài)保存為模態(tài)中性文件MNF（modal neutral file），直接在 ADAMS/View 中建立柔性體的MNF文件，然后用柔性體替換原來的剛性體。

在手指第1關(guān)節(jié)7處添加扭簧1，在手指第2關(guān)節(jié)9處添加扭簧2，并添加平行于氣動肌腱的力F。利用接觸力函數(shù)contact（）在剛性手指與草莓模型之間添加接觸力，此接觸力為本研究要進行控制的主要參數(shù)。當手指端進行閉合操作與草莓產(chǎn)生接觸時，通過接觸力函數(shù)contact（）將此接觸力通過MATLAB/Control模塊在MATLAB/Simulink中進行聯(lián)合仿真。

1.3 氣動驅(qū)動的數(shù)學建模

氣動肌腱主要由內(nèi)部橡膠筒與外部纖維層構(gòu)成。外層編織網(wǎng)可以在氣動肌腱充氣后，將壓縮空氣的膨脹力轉(zhuǎn)換為軸向的收縮力。氣動肌腱長度L、直徑D、纖維長度b、纖維纏繞圈數(shù)n以及纖維與軸向之間的夾角α之間的函數(shù)關(guān)系為[11]：

2 聯(lián)合仿真

2.1 控制模型的建立

為了檢驗驅(qū)動控制系統(tǒng)模型可行性以及可控性，本研究基于ADAMS和Matlab進行了聯(lián)合仿真分析，在ADMAS中建立采摘機械手的模型，通過MATLAB/Simulink建立氣動肌腱的驅(qū)動數(shù)學模型作為傳遞函數(shù)以及采摘機械手的控制系統(tǒng)的仿真模型，如圖4所示。

2.2 仿真計算

在上述控制規(guī)律下對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行仿真計算，將氣動肌腱的數(shù)學模型作為中間傳遞函數(shù)，控制氣源氣壓，給予特定的設(shè)定值，進行PID控制。對需要先確定模型的臨界比例系數(shù)Kpcrit和臨界振蕩周期Tcrit，然后通過Ziegler-Nichol方法[16-17]計算出控制參數(shù)，見表1。

2.3 仿真結(jié)果

由機械手摘取接觸力控制仿真結(jié)果（圖5）可知，整個控制仿真在時間、壓力上都相對合理，表明本研究論述的控制方案簡單可行，易于實現(xiàn)，符合草莓采摘機械化、經(jīng)濟化的要求。

3 結(jié)論

本研究利用MATLAB與ADAMS各自的優(yōu)越性，在建立氣動肌腱數(shù)學模型的基礎(chǔ)上通過ADMAS和 MTLAB/Simulink 二者聯(lián)合，用ADAMS 虛擬樣機進行機構(gòu)受控建模并應用ADMAS/Contro模塊和 MATLAB/Simulink接口在 Simulink 中實現(xiàn)基于PID控制模型的建立和仿真。（1）通過本方法進行了剛?cè)峄炻?lián)機械手的欠驅(qū)動控制的研究。（2）理論分析和仿真計算表明，本研究構(gòu)建的驅(qū)動方式可以有效實現(xiàn)機械手的采摘功能。所構(gòu)建的基于氣動肌腱驅(qū)動的采摘機械手模型可以方便地進行參數(shù)優(yōu)化和性能預測，提早發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題，減少時間和經(jīng)費的消耗，也減少對物理樣機的危險操作（如在試驗過程中不合理操作導致物理樣機機構(gòu)受損，或者造成對操作人員身體的傷害），并能夠解決類似的并聯(lián)機構(gòu)控制問題。endprint

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