收獲采摘機器人的運動學(xué)分析及仿真—基于ADMAS

蔣昊俁，胡　軍，宋　健

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶　163319；2.濰坊學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濰坊　261000)

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收獲采摘機器人的運動學(xué)分析及仿真—基于ADMAS

蔣昊俁1,2，胡軍1，宋健2

(1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 工程學(xué)院，黑龍江 大慶163319；2.濰坊學(xué)院 機電工程學(xué)院，山東 濰坊261000)

摘要：為了對五自由度關(guān)節(jié)式收獲機器人五自由度關(guān)節(jié)機器人末端執(zhí)行器的位姿和運動進行描述，運用傳統(tǒng)的D-H法建立各關(guān)節(jié)運動學(xué)數(shù)學(xué)模型，進行運動學(xué)正、逆解，求得末端執(zhí)行器的位置關(guān)系式。基于UG軟件建立了該機械手的三維立體模型，并通過ADMAS軟件對機械手抓取、采摘和放下過程進行仿真分析，確定其運動軌跡。結(jié)果表明：所建立的運動學(xué)方程正確，設(shè)計的機械手滿足工作要求，有較強的操作性，為收獲采摘機械手的設(shè)計制造奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：收獲機器人；五自由度機械手；運動學(xué)分析；仿真

0引言

為了降低農(nóng)民的勞動強度、提高果實的收獲質(zhì)量，水果蔬菜收獲采摘機器人具有越來越重要的意義[1-2]。從1980年代開始，一些發(fā)達國家開始研究收獲采摘機器人，出現(xiàn)了一些水果蔬菜采摘機器人[3-4]；但由于技術(shù)、市場和價格等因素的影響，離實用化和商業(yè)化還有很大一段距離[5]。綜合國內(nèi)外研究文獻，對于采摘機器人的研究大多數(shù)集中在視覺系統(tǒng)對果實目標(biāo)的識別和定位上，而對于機器人機械本體的研究較少。目前，采摘收獲機械手基本都是在通用機器人的基礎(chǔ)上改進的。為了滿足工作需求，設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)空間的平移、旋轉(zhuǎn)、俯仰的五自由度的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的收獲機械手具有重要的意義。

本文充分考慮了機械手機構(gòu)的靈活性、活動范圍、精度及承載能力，對五自由度機械手的底座、大臂、小臂、腕部、末端執(zhí)行器進行運動學(xué)正解、逆解分析，確認末端執(zhí)行器位姿表達式T。同時，基于UG建立的三維立體模型導(dǎo)入ADMAS/View進行運動學(xué)仿真，模擬機械手的運動軌跡。

1D-H法[1-3]進行運動學(xué)分析

為了完成對機械手的腰、肩、軸、腕關(guān)節(jié)的運動關(guān)系描述，對該五自由度的機械手建立簡化機構(gòu)，如圖1所示。

圖1　機械手的簡化機構(gòu)

該機械手的工作過程如下：首先，腰部1旋轉(zhuǎn)，機械手在位置Ⅰ和位置Ⅱ之間往復(fù)運動；其次，實現(xiàn)肩關(guān)節(jié)2上下擺動帶動大臂上下運動；再次，肘關(guān)節(jié)3實現(xiàn)上下擺動帶動小臂上下運動，然后腕關(guān)節(jié)4做俯仰運動；作業(yè)過程轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn)，整個采摘過程轉(zhuǎn)軸停止旋轉(zhuǎn)。因此，需針對該機構(gòu)建立基座坐標(biāo)系和各連桿的相對坐標(biāo)系，明確各連桿的運動關(guān)系。由于機械手的腕部和末端執(zhí)行器軸線交于一點，根據(jù)D—H法建立坐標(biāo)系如圖2所示。圖2中：θi是軸xi-1變換到軸xi上時繞軸zi的旋轉(zhuǎn)角；di是沿軸zi方向在xi-1和xi之間平移的距離；ai-1是沿軸xi-1方向在zi-1和zi之間的平移距離；αi-1是軸zi-1和軸zi共面時繞軸xi-1的旋轉(zhuǎn)角。連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表1所示。

圖2　機械手連桿坐標(biāo)系簡化圖

連桿i變量θiαi-1ai-1di1θ1(π/2)0002θ2(0)-π/20d23θ3(-π/2)0a204θ4(0)0a3d45θ5(0)-π/200

1.1　運動學(xué)正解[5-6]分析

為了求得機械手的末端位姿關(guān)系式，需要對機械手進行運動學(xué)正解。因此，由建立的D-H機械手連桿坐標(biāo)系，再通過齊次坐標(biāo)變換矩陣，求得連桿i-1和i之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換，進而求得齊次變換矩陣Ti的表達式[4]。齊次變換矩陣為

(1)

其中，cθi=cos(θi),sθi=sin(θi)

將表1中連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量代入分別代入式(1)中，得各個變換矩陣為

由各連桿矩陣相乘，求得機械手的總變換矩陣為

(2)

為了校核得到的末端執(zhí)行器位姿T的正確性，把關(guān)節(jié)變量θ1=π/2，θ2=0，θ3=-π/2，θ4=0,θ5=0代入式(2)，得到變換矩陣T的值。計算結(jié)果為

計算結(jié)果與機械手連桿簡化圖二的末端位姿表現(xiàn)一致，說明通過運動學(xué)求解的機械手的運動是正確的。

1.2　運動學(xué)逆解分析

θ2=θ23-θ3

由上述結(jié)果可以看出，各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角不唯一，因此需要根據(jù)工作的實際要求選取最優(yōu)解。

2機械手三維模型建立

五自由收獲采摘機械手本體結(jié)構(gòu)由底座、底座和轉(zhuǎn)臺之間的腰部、連接轉(zhuǎn)臺和大臂的肩部、大臂與小臂之間的肘部、連接小臂和末端執(zhí)行器的腕部、末端執(zhí)行器5部分構(gòu)成。其中，轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)、大臂和小臂的上下擺動控制末端執(zhí)行器的工作空間，手腕的俯仰控制末端執(zhí)行器的工作姿態(tài)。因此，根據(jù)收獲采摘的工況要求，用UG軟件建立機械手的幾何模型，包括創(chuàng)建底座、轉(zhuǎn)臺、大臂、小臂、手腕及末端執(zhí)行器。三維仿真3D模型如圖3所示。

圖3　UG機械手三維模型

3機械手運動軌跡仿真

3.1　仿真前處理

為了進一步驗證上述設(shè)計的機械手是否能完成設(shè)計目標(biāo)，同時模擬機械手的運動軌跡，本文采用ADMAS軟件進行仿真，模擬機械手的運動軌跡。為了完成機械手的理論軌跡，將模型在UG中保存為parasolid格式，導(dǎo)入到ADMAS/View，然后依次對各個構(gòu)建包括底座、大臂、小臂、手腕及末端執(zhí)行器添加轉(zhuǎn)動副，為各個轉(zhuǎn)動副添加驅(qū)動，設(shè)置STEP函數(shù)為驅(qū)動函數(shù)。機械手的虛擬樣機模型如圖4所示。

3.2　模型自檢

為了驗證模型約束，定義自由度的正確性，在仿真之前，通過“tools’菜單欄中的“model verify”功能對系統(tǒng)的自由度和約束情況進行校驗，如圖5所示。圖5中信息顯示“model verified successfully”和“0 degrees of freedom for model..1”說明模型定義正確，可以進行下一步的運動學(xué)仿真操作。

圖4　虛擬樣機模型

圖5　模型自檢界面

最后，根據(jù)理論軌跡及運動學(xué)正解求得末端執(zhí)行器的位姿，運用STEP函數(shù)設(shè)置各個關(guān)節(jié)的位移驅(qū)動。

以末端執(zhí)行器zhuanzhou.cm質(zhì)心上的標(biāo)記點mark-33為研究對象，研究其相對于底座(固定坐標(biāo)系)的軌跡及速度曲線圖。設(shè)定仿真時間為18s，仿真步數(shù)為500步。由ADMAS處理后的軌跡如圖6所示，沿X、Y、Z軸速度曲線如圖7～圖9所示。

從圖7可以看出：在前2s，轉(zhuǎn)盤速度加速又減速到0，mark-33點在X軸方向和轉(zhuǎn)盤速度保持一致；2s后轉(zhuǎn)盤停止旋轉(zhuǎn)，因此mark-33點速度也為0。圖8中，速度方向為Y軸負方向，mark-33點在Y軸負方向和轉(zhuǎn)盤速度保持一致，2s后，速度趨于0。圖9中，2～8s時間，mark-33點和大臂、小臂、手腕做俯仰運動的速度保持一致。

圖6　機械手軌跡圖

圖7　沿X軸速度曲線

圖8　沿Y軸速度曲線

圖9　沿Z軸速度曲線

4結(jié)論

針對該機械手的工作要求，提出了總體的設(shè)計方案，實現(xiàn)了底座旋轉(zhuǎn)，大臂、小臂按各自控制擺動，手腕俯仰和轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，滿足機械手完成抓取、采摘和放下的工作要求。通過D—H法建立數(shù)學(xué)模型，對機器人的各關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器進行運動學(xué)的正解分析，將各關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的運動聯(lián)系起來，然后用UG軟件對機械手進行三維建模，最后導(dǎo)入ADMAS中應(yīng)用STEP函數(shù)對運動軌跡進行仿真，驗證了機械手在工作空間完成采摘收獲操作的可行性。

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Kinematics Analysis and Simulation for a Five-DOF Harvesting Robot—Based on ADMAS

Jiang Haoyu1,2, Hu Jun1, Song jian2

(1.College of Engineering, Heilongjiang Bayi Agricultural University, Daqing 163319, China; 2.School of Mechanical Engineering, Weifang University, Weifang 261000,China)

Abstract：In order to design a five degree of freedom harvesting robot dedicated to picking fruit object, the position and movement of the end effector are described, which kinematics mathematic model is established with traditional D-H method, and the forward kinematics of the manipulator is analyzed to get the expression of the end effector of the manipulator. Then, based on the manipulator’s 3D model established with UG, the process of automatic feeding is simulated with ADMAS. The simulation result is consistent with the actual situation of the working process, indicating that the robot kinematics equation is valid, and the research provides some theoretical basis for future study.

Key words：harvesting robot; five-DOF manipulator；kinematic analysis；simulation

中圖分類號：S225；TP242

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0007-05

作者簡介：蔣昊俁(1989-)，男，山東諸城人，碩士研究生， (E-mail)1195805362@qq.com。通訊作者：胡軍(1972-)，男，江蘇新沂人，副教授，博士，(E-mail)gcxyhj@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51505337)；山東省科技計劃項目(2011YD03048)

收稿日期：2015-10-30