5自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

岳建榮，郭 輝，2※，張 靜（.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

5自由度機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

岳建榮1，郭 輝1，2※，張 靜1
（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械交通學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2.新疆農(nóng)業(yè)工程裝備創(chuàng)新設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

機(jī)械手采摘成功率與采摘范圍不僅取決于機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)尺寸和特點(diǎn)，還與控制精度有關(guān)。文章結(jié)合棉花采摘的作業(yè)要求，對(duì)一種5自由度機(jī)械手臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并運(yùn)用Matlab軟件的Optimization Tool對(duì)機(jī)械手的變量進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。

采棉機(jī)械臂；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；參數(shù)優(yōu)化

0　引言

作為在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下工作的復(fù)雜機(jī)電綜合體，采摘機(jī)器人依靠視覺(jué)傳感器來(lái)完成對(duì)采摘對(duì)象的識(shí)別、定位，再由機(jī)械臂末端執(zhí)行器完成對(duì)目標(biāo)物的采摘。與工業(yè)機(jī)器人相比，工作環(huán)境的復(fù)雜性與采摘目標(biāo)的特殊性對(duì)采摘機(jī)械手臂的外形與結(jié)構(gòu)提出了更高的要求［1］，同時(shí)，采摘機(jī)械人手臂的工作空間對(duì)采摘方式和采摘效率有很大影響，因此，機(jī)械手臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)在采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)中起著重要的作用［2］。

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)是一門(mén)通過(guò)描述機(jī)器人各關(guān)節(jié)與不同位置上剛體之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，建立末端執(zhí)行器三維空間與機(jī)器人關(guān)節(jié)空間之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換橋梁的學(xué)科［3］。為了保證采摘機(jī)器人具有更高的控制精度，本文以一種5自由度棉花摘機(jī)械手臂作為研究對(duì)象，根據(jù)采摘要求對(duì)機(jī)器人手臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1　采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)形式選擇

通過(guò)在新疆建設(shè)兵團(tuán)對(duì)棉花種植模式與生長(zhǎng)狀況的調(diào)研，確定出采棉機(jī)器人應(yīng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輕巧，可控性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于采摘目標(biāo)附近莖葉的不規(guī)則生長(zhǎng)，采摘環(huán)境復(fù)雜，為減少機(jī)械手在采摘過(guò)程中受到莖葉的影響，機(jī)器人還應(yīng)具有較好的靈活性和避障能力［4］。

綜合考慮棉花生長(zhǎng)的特點(diǎn)及其采摘要求，結(jié)合關(guān)節(jié)型機(jī)器人特點(diǎn)及實(shí)際使用要求，最終確定棉花采摘機(jī)械臂部分采用關(guān)節(jié)型。

圖1　機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

機(jī)械手臂的重量直接影響到整個(gè)機(jī)械臂的控制難度及動(dòng)作速度，為同時(shí)滿(mǎn)足采摘需求與降低機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的要求，本文設(shè)計(jì)的5自由度機(jī)械手臂采用雙四連桿機(jī)構(gòu)來(lái)完成對(duì)末端執(zhí)行器位姿確定以及降低整個(gè)機(jī)械手臂重量的要求。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1。

本設(shè)計(jì)采用針式采摘末端執(zhí)行器，對(duì)末端執(zhí)行器位姿要求不高，只需使末端執(zhí)行器保持一個(gè)位姿即可。在該機(jī)構(gòu)中，末端執(zhí)行部分借助兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)來(lái)保持位姿水平，控制肘關(guān)節(jié)的電機(jī)被移至肩關(guān)節(jié)處，該電機(jī)通過(guò)帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)使肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使得機(jī)械臂重量得到減輕。小臂與腕部鉸接關(guān)節(jié)只用來(lái)保證腕部垂直，使末端執(zhí)行器處于水平位姿。

確定了機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)后，還要根據(jù)棉花的采摘要求及空間要求確定機(jī)器人的自由度數(shù)目，并確定自由度的運(yùn)動(dòng)方式。根據(jù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)理論，為使機(jī)械手臂末端執(zhí)行器在工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意位姿，機(jī)械手臂的自由度數(shù)目應(yīng)多于6個(gè)。自由度的數(shù)目決定著末端執(zhí)行器能否完成預(yù)定的工作，也決定著機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化程度以及控制難度。由于采摘機(jī)器人的采摘對(duì)象是棉花，其外形受到外界環(huán)境的影響，大小與位置不統(tǒng)一，選擇5個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)器人即可完成對(duì)棉花的采摘。

2　采摘機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)

棉花采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是基于工作要求和采摘對(duì)象在空間的分布位置，以機(jī)械手末端執(zhí)行器位姿和活動(dòng)范圍為出發(fā)點(diǎn)，利用優(yōu)化方法進(jìn)行分析與計(jì)算［5］。末端執(zhí)行器始終處于水平位置，在參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中可不做計(jì)算。

2.1工作空間的確定

本機(jī)械手臂系統(tǒng)包含兩個(gè)連桿系統(tǒng)。腰部、大臂和小臂構(gòu)成具有3個(gè)自由度的連桿，稱(chēng)為主連桿，長(zhǎng)度較長(zhǎng)，主連桿系統(tǒng)通常用來(lái)確定手臂末端實(shí)施采摘部件的空間位置；另外兩個(gè)自度組成次連桿。小臂與腕部鉸接關(guān)節(jié)受到肘關(guān)節(jié)和2個(gè)平行四邊形結(jié)構(gòu)共同控制，且該關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度大小相等，轉(zhuǎn)向相反，故在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)時(shí)，為減少計(jì)算量，可將該關(guān)節(jié)忽略不計(jì)。機(jī)器人的工作空間由主連桿的幾何參數(shù)決定［6］，因此，需要確定手臂主連桿幾何尺寸和各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)完成對(duì)采摘機(jī)器人的機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，且同時(shí)滿(mǎn)足采摘和小尺寸的要求。

規(guī)定機(jī)械手的腰部高為l1，大臂長(zhǎng)度為l2，小臂長(zhǎng)度為l3，腰部回轉(zhuǎn)角為α1且回轉(zhuǎn)范圍為［β1，β2］，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度為α2，旋轉(zhuǎn)范圍［γ1，γ2］，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度是范圍為［δ1，δ2］的角α3，如圖2所示。

末端執(zhí)行器工作區(qū)域是體積為V=b×w×h的空間。在分析過(guò)程中，可將體積為V的立體空間轉(zhuǎn)化為計(jì)算面XOZ內(nèi)b×h以及平面XOY內(nèi)b×w的過(guò)程，如圖3所示。這樣就能完成對(duì)立體空間的分析。實(shí)現(xiàn)體積為V的采摘區(qū)域可先滿(mǎn)足b1×h，然后腰部繞Z軸旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而完成要求的工作空間b×w×h；也可按照先繞Z軸旋轉(zhuǎn)完成b×w，然后配合各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)工作空間體積為b×w×h。本文采用第二種方法確定目標(biāo)函數(shù)。

對(duì)棉花種植以及植株形態(tài)進(jìn)行調(diào)研。結(jié)果表明，棉花高度在800～900 mm之間的株數(shù)居多，部分棉花垂至地面，整個(gè)植株從頂部到底部均有棉桃分布，前后分布的距離在120 mm范圍之內(nèi)，結(jié)合采摘機(jī)器人作業(yè)情況，確定末端執(zhí)行器工作空間的大小為（120×800×900）mm3。考慮到執(zhí)行部件與目標(biāo)物間的相對(duì)位置，以及手臂實(shí)際采摘區(qū)域，最終確定執(zhí)行部件的矩形工作空間b1×h=180×900。

圖2　工作空間的確定

圖3　工作空間的簡(jiǎn)化

3　結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)變量的確定

機(jī)械手的設(shè)計(jì)變量包括腰部回轉(zhuǎn)體高度l1，大臂的長(zhǎng)度l2，小臂長(zhǎng)度l3，腰部回轉(zhuǎn)角α1，肩關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α2，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α3。為了減少參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中的計(jì)算量，設(shè)定以移動(dòng)平臺(tái)上表面為參考面，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正角度，底座高度h為240 mm，腰部回轉(zhuǎn)角α1=±45°，肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α2=+50°，肘關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α3=-50°，由于最后兩個(gè)自由度只用來(lái)調(diào)整末端執(zhí)行器的位姿，這樣，優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量就只剩大臂的長(zhǎng)度l2和小臂的長(zhǎng)度l3，即：

3.2目標(biāo)函數(shù)的確定

本優(yōu)化設(shè)計(jì)目的是在滿(mǎn)足采摘區(qū)域高度和實(shí)際采摘區(qū)域面積最大化時(shí)，得到結(jié)構(gòu)最緊湊的機(jī)械臂。以機(jī)械手臂末端執(zhí)行器在XOY平面內(nèi)需要達(dá)到的范圍所圍成的面積為目標(biāo)函數(shù)，使得末端執(zhí)行器的工作空間（b×w）包含在內(nèi)時(shí)該目標(biāo)函數(shù)為最小值，即：

3.3約束條件

設(shè)計(jì)過(guò)程中，l1與l2的長(zhǎng)度取值必須滿(mǎn)足條件：采棉機(jī)械手作業(yè)空間包含在實(shí)際工作區(qū)域內(nèi)。綜合分析各關(guān)節(jié)處在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中形成的方程，并考慮各變量的非負(fù)性，最終可得到參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束條件為：

3.4優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

采摘機(jī)械手的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化是一個(gè)單目標(biāo)非線性?xún)?yōu)化問(wèn)題［7］。該優(yōu)化過(guò)程涉及到1個(gè)目標(biāo)函數(shù)，2個(gè)變量，不等式約束3個(gè)。在Matlab中編程，并使用工具箱Optimization Toolbox進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果為：

X=［0.413，0.447］

為得到最大化的采摘機(jī)械手工作空間、最強(qiáng)的可控性和最佳避障能力，需使l2與l3的長(zhǎng)度相等，即l2=l3。結(jié)合棉花生長(zhǎng)與采摘要求的實(shí)際情況，最終確定腰部立柱高度l1=240mm，大臂的長(zhǎng)度l2=400mm，小臂的長(zhǎng)度l3=450 mm。

綜合上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的結(jié)果，即可得出該棉花采摘機(jī)械手是參數(shù)分別為：l1=240mm，l2=400 mm，l3=450mm，α1=±45°，α2=+50°，α3=-50°的平行關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械手。

圖4　機(jī)械臂模型

根據(jù)優(yōu)化得到的參數(shù)，我們成功研制出棉花采摘機(jī)器人機(jī)械臂部分，如圖4，該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，布局合理輕巧。

4　基于Matlab的工作空間分析與仿真

蒙特卡洛法可以通過(guò)多種計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言加以實(shí)現(xiàn)，本文基于蒙特卡洛法利用Matlab強(qiáng)大的編程能力對(duì)棉花采摘機(jī)器人采摘手的作業(yè)范圍進(jìn)行了數(shù)值解的表述。運(yùn)用Matlab中三維繪圖函數(shù)plot3函數(shù)繪制的機(jī)器人采摘空間以及在面XOZ上的投影分別如圖5，6所示。

圖5　機(jī)械手工作空間三維圖

圖6　工作空間在面XOZ的投影

從工作空間的投影圖可以看出，末端執(zhí)行器的作業(yè)點(diǎn)在Z軸方向（-300～500）mm內(nèi)，X軸方向（-400～400）mm內(nèi)分布均勻且密集，包含了棉花生長(zhǎng)的空間。由仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂能夠滿(mǎn)足采摘作業(yè)在空間大小上的要求，驗(yàn)證了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

5　結(jié)論

（1）本設(shè)計(jì)針對(duì)采摘對(duì)象的特點(diǎn)和作業(yè)要求，確定棉花采摘機(jī)器人采用5自由度關(guān)節(jié)型采摘機(jī)械手。

（2）根據(jù)棉花生長(zhǎng)分布空間，確定了采摘機(jī)器人的工作空間，目標(biāo)函數(shù)為采摘機(jī)器人實(shí)際能達(dá)到的最小工作空間。使用數(shù)學(xué)軟件Matlab的優(yōu)化工具箱對(duì)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并確定了手臂各部位的結(jié)構(gòu)尺寸。

（3）基于數(shù)值解法，通過(guò)運(yùn)用Matlab完成了對(duì)采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器工作空間大小的仿真。仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)具有5自由度的平行關(guān)節(jié)機(jī)器人能夠滿(mǎn)足大田棉花的采摘要求，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

［1］馮青春，紀(jì)超，張俊雄等.黃瓜采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)分析［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2010（41）：244～248.

［2］汪木蘭，殷梅，韋皆頂?shù)?智能型采棉機(jī)器人中單機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)建模與仿真［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2009（5）.

［3］李楨，王濱，陳子嘯等.基于Matlab的獼猴桃采摘機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015，37（12）：227～231.

［4］梁喜鳳，苗香雯，催紹榮等.番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2005，36（7）：96～100.

［5］李偉，李吉，張俊雄等.蘋(píng)果采摘機(jī)器人機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，35（6）：721～726.

［6］催國(guó)華，張艷偉，張英爽等.六自由度串并聯(lián)機(jī)械手的構(gòu)型設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26（1）：155～159.

［7］梁喜鳳，王永維，苗香雯.番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2008，24（1）：21～24.

Parameter Optimization and Structural Design for the Manipulator with 5-DOF

YUE Jian-rong1，GUO Hui1，2，ZHANG Jing1
（1.College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agriculture University，Urumqi，830052，China；2.The Key Lab of agricultural Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design）

The operating space and picking successrate of robot isnot only dependson the structure and size of robot arm，but also its control accuracy.The parameters'Optimization design of the robot framework and structure with 5-DOF is made in thispaper，which isbased on the harvesting requirements.

Cotton-picking robot arm；Structure design；Parameter optimization

1007-7782（2016）03-0007-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.002

TH122

A

2016-04-28

郭輝