番茄收获机械手运动学优化与仿真试验

PO%XKPO*(n(KPO*n*Y!KPO%PO*(n(!G!G& k*M $G!G!G!PO%!PO%!PO%!NO%PO*(#& k(M $G!G!K )!G!G!G!NO*(#& k#M $G!G!G!K NO%!K NO%!K NO%!PO%PO*(#& 其中 NO*(ZZ 175XO*oO(Y PO*(ZZ 5,4XO*oO(Y
无 关 节 越 限 现 象 *具 有 较 高 的 灵 活 性 *能 够 满 足 末 端 执 行 器 的 运 动 要 求 7
关键词8番茄 收获机械手 运动学 优化 仿真
中 图 分 类 号 89!!#:;<!=!>&
文 献 标 识 码 8?
@ABCDEFCGHIJKLBHEFEMNHEJGNGOPEFQRNHEJGJGSEGCFNHETI JKNUJFNHJVNDWCIHEGXYNGEBQRNHJD
获机 器人属 于机 械 手 系 列 机 器 人*机 械 手 是 其 主 要 执 行 部 件 *其 运 动 学 研 究 是 机 械 手 设 计 6制 造 和 控 制 的 理 论 基 础 7本 文 建 立 番 茄 收 获 机 械 手 运 动 学 模 型 * 并进行运动学优化与仿真试验7
7 机构选型
番茄收获机械手的功能是将末端执行器移至接 近 果 实 的 位 置 7机 构 选 型 需 根 据 作 业 要 求 *使 机 械 手 具 有 最 优 的 工 作 空 间 6可 操 作 度 和 避 障 空 间 等 7番 茄
图 ) 番茄收获机械手机构及其杆件坐标系 +,-.) /01234,56 7897639723:;059,4-634,<=>397:
34?,95>,4@177:?,43905
A 正运动学分析
机 械 手 运 动 学 主 要 研 究 末 端 执 行 器B各 运 动 构 件 的 位置姿态与 各 关 节 变 量 之 间 的 关 系!包 括 正 运 动 学 和 逆 运 动 学 " 正 运 动 学 是 由 各 关 节 位 置 B速 度 B 加 速 度 来 求 解 末 端 执 行 器 的 位 置 B姿 态 B速 度 和 加 速 度的问题"为描述番茄收获机械手各杆件的特征参 数 及 相 互 之 间 的 运 动 关 系 !采 用C043;,9DE3:904F0:方法设定杆件坐标系$%&!如图 )所示"番茄收获机械 手杆 件编号从基座至末端执 行 器 依 次 为 G!)!’!H!
UP
农业机械学报
D[[5年
评价的基础!番茄收获机械手的雅可比矩阵 "#$%为 &’(阶矩阵)其逆矩阵不存在!根据式#*%)通过 求 解 雅 可 比 矩 阵 "#$%的 伪 逆 矩 阵)利 用 梯 度 投 影 法) 求 得 关 节 速 度 的 通 解 为 +&,
式中
$-."/ #$%0-/#123"/ #$%"#$%%4
$自 由 度 番 茄 收 获 机 械 手 运 动 学 模 型 7利 用 冗 余 度 机 械 手 的 自 运 动 特 性 *综 合 考 虑 可 操 作 度 和 避 关 节 极 限 两 个 性 能
指 标 进 行 运 动 学 优 化 和 仿 真 试 验 7试 验 表 明 *运 动 学 优 化 后 *机 械 手 各 关 节 速 度 变 化 均 匀 平 缓 *位 置 曲 线 过 渡 平 滑 *
hZZ 末端执行器相对基坐标系的位置向量
末端执行器的速度方程为
‘jMkXlYlj 式中 ‘jZZ 末端执行器的速度
X%Y
kXlYZZ 机械手的雅可比矩阵
lZZ 关 节 位 置 向 量!移 动 关 节 用 S表 示!转
动关节用 O表示 ljZZ 关节运动速度
利用矢量积法求得番茄收获机械手的雅可比矩
阵为
王永维 万浙方江数大学据生物系统工程与食品科学学院 博士生
第 I期
梁喜凤 等t番茄收获机械手运动学优化与仿真试验
sI
是 在 垂 直 面 内 栽 培 的 作 物 !收 获 果 实 时 !茎 叶 一 般 会 成 为 障碍物!机械 手 需 要 在 垂 直 方 向 具 有 运 动 优 势 且自由度足够大"理论上 #个自由度的机械手可以 到 达 三维空间的 任 意 位 置!如 果 工 作 过 程 中 具 有 特 殊 的 姿 态 要 求 !如 增 加 灵 活 性 和 躲 避 障 碍 物 等 !则 需 要 多于 #个自由度的机械手 " $%& 同时为保 证 在 复 杂 环 境 中机械手具 有 良 好 的 运 动 柔 性 和 通 用 性!本 番 茄收获机械手选择由 ’个移动关节与 (个转 动 关 节 构成的冗余度机械手!机构简图如图 )所示 " $*&
JK#$%66 性能指标函数的梯度 利用零空间优化法进行运动学优化的关键是选
择 性能指标函数K#$%和标量放大系数I!K#$%可表 示为
K#$%. #2CKC#$%/ 2DKD#$%/ L / 2MKM#$%%NO
PO*(#ZZ 5,4XO*oO(oO#Y NO*(#ZZ 175XO*oO(oO#Y
p 逆运动学分析与运动学优化
pqr 逆运动学分析 逆 运 动 学 是 由 末 端 执 行 器 的 位 置 B姿 态 B速 度 求
解 各 关 节 变 量 的 位 置 B速 度 和 加 速 度 的 问 题 !是 运 动 分析B离线编程和 轨 迹 规 划 以 及 机 械 手 控 制 与 性 能
SC-.JDOI ;_".1_*3.4/,&10-6".-0#b|.1_4*/0-,".10%&*’#10"0~.10_-*90"b|.10_-
引言
果 实 收 获 是 农 业 生 产 的 重 要 环 节 *季 节 性 强 *劳 动 强 度 大 *其 费 用 约 占 生 产 成 本 的 #"2 3 $"2 4]57收 获 机 器人不仅能 够 实 现 果 实 适 时 采 收*提 高 生 产 率 和 产 品 质 量 *而 且 可 以 降 低 收 获 作 业 费 用 *改 善 劳 动 条 件 7目 前 *日 本 6美 国 6荷 兰 等 国 家 已 研 制 了 多 种 收 获 机 器 人*主 要 用 于 收 获 番 茄6黄 瓜6草 莓6葡 萄6西 瓜6甜瓜6苹果6柑橘6甘蓝等蔬菜和水果 7 4!5 番茄收
UG
G
G
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XJM )!’!H !IY 式中 NOJZZ 175OJ POJZZ 5,4OJ
X)Y
NRJK)ZZ 175RJK) PRJK)ZZ 5,4RJK) JKJ)LZZ 连杆坐标系[J\相 对 于 [JK )\的 变 换
矩阵
RJK 万)Z方Z数从据]JK)到 ]J绕 ^JK)旋 转 的 角 度 X逆 时 针方向为正Y
Z0.-6[0\,-6] ^0._[0.-6‘,-! ab09c._4_-6! d.-6e_-6‘,0! f]ghijklmjnjlkopkjqrstjuv !gwirxjlkopkjqrstjuvy
z{IHDNTH
;_.-.|}~,.-!0"#4_/,1c,$0-,".10%&#4_#,410,&_\.1_".1_c.4/,&10-6".-0#b|.1_4‘01c $2+’(*.$0-,".10%.|"_!,|‘.&,&1.5|0&c,!5}1c,c_"_6,-,_b&14.-&\_4".10_-0-.+,-./012 3.41,-5,46%__4!0-.1,.-!.#4_%,&&_\$0-,".10%&_#10"0~.10_-.-!&0"b|.10_-‘.&#,4\_4",!5} 1c,&,|\2"_10_-_\.4,!b-!.-1".-0#b|.1_4%_-&0!,40-61c,#,4\_4".-%,&_\".-0#b|.50|01}.-! 1c,)_0-1|0"01./_0!.-%,&}-1c,10%.||}g;c,4,&b|10-!0%.1,!1c.11c,)_0-1&*/,|_%01}.-!#_&010__\1c,1_".1_c.4/,&10-6".-0#b|.1_4/.40,!‘01c10",,+b.5|}.-!&"__1c|}.-!1c,)_0-1&"_/,! ‘01c0- 1c,04 )_0-1 |0"01& 4,&#,%10/,|} ‘c,- 1c, $0-,".10%.| _#10"0~.10_- ‘.& #,4\_4",!g ;c,4,\_4,*1c,$0-,".10%.|4,+b04,",-1&_\1c,,-!2,,,%b1_4.4,&.10&\0,!‘01cc06c!,,1,401}g
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式中 ‘ZZ 末端执行器的位姿矩阵
iZZ 末端执行器相对基坐标系的姿态矩阵
eZZ 法线向量 fZZ 方向向量
gZZ 接近向量
其中
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