收获采摘机器人的运动学分析及仿真—基于ADMAS

蒋昊俣，胡　军，宋　健

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆　163319；2.潍坊学院 机电工程学院，山东 潍坊　261000)



收获采摘机器人的运动学分析及仿真—基于ADMAS

蒋昊俣1,2，胡军1，宋健2

(1.黑龙江八一农垦大学 工程学院，黑龙江 大庆163319；2.潍坊学院 机电工程学院，山东 潍坊261000)

摘要：为了对五自由度关节式收获机器人五自由度关节机器人末端执行器的位姿和运动进行描述，运用传统的D-H法建立各关节运动学数学模型，进行运动学正、逆解，求得末端执行器的位置关系式。基于UG软件建立了该机械手的三维立体模型，并通过ADMAS软件对机械手抓取、采摘和放下过程进行仿真分析，确定其运动轨迹。结果表明：所建立的运动学方程正确，设计的机械手满足工作要求，有较强的操作性，为收获采摘机械手的设计制造奠定了基础。

关键词：收获机器人；五自由度机械手；运动学分析；仿真

0引言

为了降低农民的劳动强度、提高果实的收获质量，水果蔬菜收获采摘机器人具有越来越重要的意义[1-2]。从1980年代开始，一些发达国家开始研究收获采摘机器人，出现了一些水果蔬菜采摘机器人[3-4]；但由于技术、市场和价格等因素的影响，离实用化和商业化还有很大一段距离[5]。综合国内外研究文献，对于采摘机器人的研究大多数集中在视觉系统对果实目标的识别和定位上，而对于机器人机械本体的研究较少。目前，采摘收获机械手基本都是在通用机器人的基础上改进的。为了满足工作需求，设计了一种能够实现空间的平移、旋转、俯仰的五自由度的串联结构的收获机械手具有重要的意义。

本文充分考虑了机械手机构的灵活性、活动范围、精度及承载能力，对五自由度机械手的底座、大臂、小臂、腕部、末端执行器进行运动学正解、逆解分析，确认末端执行器位姿表达式T。同时，基于UG建立的三维立体模型导入ADMAS/View进行运动学仿真，模拟机械手的运动轨迹。

1D-H法[1-3]进行运动学分析

为了完成对机械手的腰、肩、轴、腕关节的运动关系描述，对该五自由度的机械手建立简化机构，如图1所示。

图1　机械手的简化机构

该机械手的工作过程如下：首先，腰部1旋转，机械手在位置Ⅰ和位置Ⅱ之间往复运动；其次，实现肩关节2上下摆动带动大臂上下运动；再次，肘关节3实现上下摆动带动小臂上下运动，然后腕关节4做俯仰运动；作业过程转轴匀速旋转，整个采摘过程转轴停止旋转。因此，需针对该机构建立基座坐标系和各连杆的相对坐标系，明确各连杆的运动关系。由于机械手的腕部和末端执行器轴线交于一点，根据D—H法建立坐标系如图2所示。图2中：θi是轴xi-1变换到轴xi上时绕轴zi的旋转角；di是沿轴zi方向在xi-1和xi之间平移的距离；ai-1是沿轴xi-1方向在zi-1和zi之间的平移距离；αi-1是轴zi-1和轴zi共面时绕轴xi-1的旋转角。连杆参数和关节变量如表1所示。

图2　机械手连杆坐标系简化图

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

1.1　运动学正解[5-6]分析

为了求得机械手的末端位姿关系式，需要对机械手进行运动学正解。因此，由建立的D-H机械手连杆坐标系，再通过齐次坐标变换矩阵，求得连杆i-1和i之间的关系转换，进而求得齐次变换矩阵Ti的表达式[4]。齐次变换矩阵为

(1)

其中，cθi=cos(θi),sθi=sin(θi)

将表1中连杆参数和关节变量代入分别代入式(1)中，得各个变换矩阵为

由各连杆矩阵相乘，求得机械手的总变换矩阵为

(2)

为了校核得到的末端执行器位姿T的正确性，把关节变量θ1=π/2，θ2=0，θ3=-π/2，θ4=0,θ5=0代入式(2)，得到变换矩阵T的值。计算结果为

计算结果与机械手连杆简化图二的末端位姿表现一致，说明通过运动学求解的机械手的运动是正确的。

1.2　运动学逆解分析

θ2=θ23-θ3

由上述结果可以看出，各关节转角不唯一，因此需要根据工作的实际要求选取最优解。

2机械手三维模型建立

五自由收获采摘机械手本体结构由底座、底座和转台之间的腰部、连接转台和大臂的肩部、大臂与小臂之间的肘部、连接小臂和末端执行器的腕部、末端执行器5部分构成。其中，转台的旋转、大臂和小臂的上下摆动控制末端执行器的工作空间，手腕的俯仰控制末端执行器的工作姿态。因此，根据收获采摘的工况要求，用UG软件建立机械手的几何模型，包括创建底座、转台、大臂、小臂、手腕及末端执行器。三维仿真3D模型如图3所示。

图3　UG机械手三维模型

3机械手运动轨迹仿真

3.1　仿真前处理

为了进一步验证上述设计的机械手是否能完成设计目标，同时模拟机械手的运动轨迹，本文采用ADMAS软件进行仿真，模拟机械手的运动轨迹。为了完成机械手的理论轨迹，将模型在UG中保存为parasolid格式，导入到ADMAS/View，然后依次对各个构建包括底座、大臂、小臂、手腕及末端执行器添加转动副，为各个转动副添加驱动，设置STEP函数为驱动函数。机械手的虚拟样机模型如图4所示。

3.2　模型自检

为了验证模型约束，定义自由度的正确性，在仿真之前，通过“tools’菜单栏中的“model verify”功能对系统的自由度和约束情况进行校验，如图5所示。图5中信息显示“model verified successfully”和“0 degrees of freedom for model..1”说明模型定义正确，可以进行下一步的运动学仿真操作。

图4　虚拟样机模型

图5　模型自检界面

最后，根据理论轨迹及运动学正解求得末端执行器的位姿，运用STEP函数设置各个关节的位移驱动。

以末端执行器zhuanzhou.cm质心上的标记点mark-33为研究对象，研究其相对于底座(固定坐标系)的轨迹及速度曲线图。设定仿真时间为18s，仿真步数为500步。由ADMAS处理后的轨迹如图6所示，沿X、Y、Z轴速度曲线如图7～图9所示。

从图7可以看出：在前2s，转盘速度加速又减速到0，mark-33点在X轴方向和转盘速度保持一致；2s后转盘停止旋转，因此mark-33点速度也为0。图8中，速度方向为Y轴负方向，mark-33点在Y轴负方向和转盘速度保持一致，2s后，速度趋于0。图9中，2～8s时间，mark-33点和大臂、小臂、手腕做俯仰运动的速度保持一致。

图6　机械手轨迹图

图7　沿X轴速度曲线

图8　沿Y轴速度曲线

图9　沿Z轴速度曲线

4结论

针对该机械手的工作要求，提出了总体的设计方案，实现了底座旋转，大臂、小臂按各自控制摆动，手腕俯仰和转轴旋转，满足机械手完成抓取、采摘和放下的工作要求。通过D—H法建立数学模型，对机器人的各关节和末端执行器进行运动学的正解分析，将各关节和末端执行器的运动联系起来，然后用UG软件对机械手进行三维建模，最后导入ADMAS中应用STEP函数对运动轨迹进行仿真，验证了机械手在工作空间完成采摘收获操作的可行性。

参考文献：

[1]宋健，张铁中，徐丽明，等.果蔬采摘机器人研究进展与展望[J].农业机械学报，2006,37 (5)：158-162.

[2]Kondo N, .Monta M and Fujiura T. Fruit Harvesting Robot in Japan[J]. Adv. Space Res., 1996,18(1/2)：181-184.

[3]汤修映，张铁中.果蔬收获机器人研究综述[J].机器人，2005，27(1)：90-96.

[4]Sario Y. Robotics of Fruit Harvesting：A Sate-of-the-art Review[J].Journal of Agricultural Engineering Research,1993,54(4)：265-280.

[5]杨丽，张铁中.组培苗移植机器人的运动学求解[J].农业机械学报,2007，38(7)：84-98.

[6]赵艳云,方漪,聂江武.五自由度机器人手臂运动学研究[J].科学技术与工程,2009 (6):1571-1573,1583.

[7]孙杏初.关节型机器人主连杆参数的优化设计[J].北京航空航天大学学报,1995，22(8)：509-512.

[8]邱士安，李刚俊.基于碰撞检测的机器人运动仿真系统[J].机械传动,2006，30(2)：7-9.

[9]廖辉. PR机器人控制器的研制[D].长沙：中南大学,2004.

[10]殷际英，何广平.关节型机器人[M].北京：化学工业出版社,2003.

[11]王战中，张俊,季红艳,等.自动上下料机械手运动学分析及仿真[J].机械设计与制造,2012(5):244-246.

[12]曹毅，于心俊，杨冠英.应用数值解析结合法求解机器人工作空间体积[J].机械传动,2007，31(3)：10-12.

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

中图分类号：S225；TP242

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)12-0007-05

作者简介：蒋昊俣(1989-)，男，山东诸城人，硕士研究生， (E-mail)1195805362@qq.com。通讯作者：胡军(1972-)，男，江苏新沂人，副教授，博士，(E-mail)gcxyhj@126.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51505337)；山东省科技计划项目(2011YD03048)

收稿日期：2015-10-30