机械手的虚拟设计和仿真系统设计研究

摘要：科技的发展给人类的生产生活带来了巨大便利。近些年来，计算机技术、控制技术和电子技术的发展日新月异，这为农业机械自动化、智能化提供了强有力的发展动力。通过虚拟设计和系统仿真，对农业机械手进行建模，完善其属性参数，进而建立先验知识库。使用立体视觉获取目标图像的识别与定位。文章采用EON软件仿真处理机械手的三维视觉，使用ADAMS软件进行动力学仿真，并使用matlab完成仿真的各个参数和机械手的误差分析。

关键词：机械手；虚拟设计；仿真；图像识别

1.前言

随着科技的不断发展进步，农业机械也朝着自动化和智能化的方向发展。最早研究智能机器人的国家是日本。上个世纪七十年代以来，工业机器人开始发展。而农业机器人的研究和应用也逐渐开始启动。随着我国人口老龄化的比例不断加大，人工采摘在农业生产成本中占据相当大的比例。如何通过设计和完善农业机器人成为我国当前面临的一个重大问题。本文基于对农业果蔬采摘机器人的研究，将农业机器人的识别和定位做了深入研究，并呈现了智能参数与虚拟仿真相结合的研究成果，通过将先验知识纳入农业水果采摘机械手的系统设计中，实现了重用性，缩短了开发周期，具有一定的参考价值。

2.机械手虚拟设计与仿真系统搭建

机械手虚拟设计与仿真系统主要由机构设计、误差分析、立体视觉、机械仿真以及数据库五个子模块构成。如图1所示。机构设计主要是将底座、手臂以及末端执行器三部分按照功能进行搭建。误差分析是从视觉误差、机械误差方面分析立体视觉是通过使用图像的一系列处理算法对视觉图像进行分析，使用EON仿真软件处理机械手的三维视觉，并将解决倒入机械手中进行其行为控制。机械手仿真包含正运动和负运动两方面。而数据库则是通过实际的先验知识构成的。

3.机械手的虚拟设计

3.1 虚拟样机技术简介

虚拟样机是基于智能技术、仿真工程以及网络技术的先进制造技术。通过计算机的仿真和建模为支撑来对实际的产品进行性能和功能预测，进而对设计的方案进行评估和优化，最终达到产品最优的目的。这里使用的虚拟样机软件为ADAMS软件。

3.2 虚拟样机的建立

ADAMS软件具有强大的运动学及其分析能力功能。通过使用ASAMS和Pro/E之间的接口程序，从而将三维的机械手实际模型倒入到ADAMS。此次设计使用Pro/E建立起机械手的三维模型，并导入至ADAMS进行动力学分析。进行动力学的分析之后，使用MECH/Pro中的Interface下拉子菜单进行模型的转化。由此，就完成了模型的建立。最后，使用ADAMS/Views中的信息按钮显示信息工具库，在Tool菜单中选择Modify Verfiy命令显示信息窗口，完成对模型的验证工作。

3.3知识库的建立

通过在计算机中存储、组织和使用相互关联的知识的集合，进而解决某一领域需求就叫做建立知识库。具体来讲，机械手设计中的知识库包含实例库和规则约束。由于科学的数据库使得系统有组织，更容易操作和管理，因而能够使构件的机械手具有一定的智能性。总的来讲，机械手臂的模型数据库中应当含有知识库的链接、规则映射表以及知识属性等。为此，首先，使用SQL语言创建代码，将系统中零件的属性加入表中，并设置主键及数据表中的字段。其次，零件与零件之间的关系映射到数据表中。一个部件可以有多个零件组成，因而在关系数据库中是一对多的形式。再次，部件与部件之间的关系映射到数据表中，并根据方案的不同设置不同的权值。当用户所给的数据模糊时，就可以根据知识库中的知识进行分析判断，从而给用户提供最合适方案的参考。最后，根据具体的需求进行数据库中的增添查改等操作。从而为方案的制定提供更多的便利。

3.4系统仿真与误差分析

通过对机械手建立数学模型，并通过迭代算法最终求得机械运动过程中的各个参数，进一步就可以通过矩阵运算算出机械手的各个关节的运动表达式。系统的仿真就是建立在表达式和参数的基础之上。这里使用MATLAB作为编程工具，构建系统界面，输入目标参数，进而由MATLAB进行矩阵运算，求得所需的运动参数，进而控制机械手按照规定的运动轨迹仿真。其中的反解程序是编写M文件进行的。同时通过EON仿真软件对机械手的三维视觉进行分析和处理。然后，通过将VC++与MATLAB的混合编程技术，调用M文件，执行运动方程的求解和模型的仿真。

当前，机械手系统的误差存在于其识别和定位的精度。系統通过立体视觉来对目标进行识别和定位，从而指导机械手的运动轨迹。因而，在识别与控制机械手相连接的过程中存在一定的误差。通过仿真数据的计算可以得到误差结果。为了缩小误差范围，这里采用神经网络的方法，通过多次训练，使结果最趋近真实的运动轨迹。

4.结论

综上所述，机械手的虚拟设计和仿真系统的研究对于农业机械智能化有着重要的意义。通过将智能化与参数化的知识相结合，并使用多次训练的神经网络方法，构建起机械手的虚拟设计与仿真系统。该虚拟产品符合一定的标准，但还有待进一步加工和完善。机械手控制单元的可重用性是其一大创新点，这样的重用特点能够大大降低生产成本，达到设计的最优化。最后，还要充分考虑到误差的来源，做好误差分析，进一步通过神经网络的方法减低误差，从而为机械手的立体视觉定位和识别提供更稳定的帮助。

参考文献：

[1]吴建伟，张卫红，秦献疆.基于simulink的机械控制系统的仿真设计[J].软件.2013（01）.

[2]徐苏，李想.基于嵌入式控制芯片在机械控制系统的应用[J].制造业自动化.2010（11）.

作者简介：

王琴（1993-），女，现为长江大学机械工程学院本科学生。