基于農(nóng)業(yè)采摘的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

蒲筠果，王志剛 ，朱 良

(邢臺職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054035)

0 引言

農(nóng)業(yè)采摘的機(jī)械臂是一個(gè)各構(gòu)件聯(lián)系緊密的運(yùn)動執(zhí)行部件，其采摘性能的高低決定農(nóng)業(yè)采摘的效率，因其可替代人工采摘，促進(jìn)采摘智能化發(fā)展。隨著機(jī)械采摘作業(yè)向精準(zhǔn)、高效發(fā)展，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械手中不斷地滲入先進(jìn)的控制技術(shù)，對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂的動作水平要求也日益嚴(yán)格。為此，在先進(jìn)電機(jī)伺服控制、準(zhǔn)確反饋調(diào)節(jié)運(yùn)動軌跡的前提下，為達(dá)到較為滿意的自動避障及快速采摘目標(biāo)，筆者從改善機(jī)械臂的本身結(jié)構(gòu)參數(shù)、結(jié)構(gòu)組合角度入手，對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計(jì)、增減自由度情況下的運(yùn)動進(jìn)行分析，并采用可適應(yīng)性的試驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行驗(yàn)證性仿真模擬，以期望達(dá)到機(jī)械手臂良好的自動作業(yè)效果。

1 理論模型

農(nóng)業(yè)采摘的機(jī)械手理論模型建立在機(jī)械構(gòu)件自由度選取及構(gòu)成理論基礎(chǔ)上，可從機(jī)械動力學(xué)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。其機(jī)械臂運(yùn)動簡圖如圖1所示。其中，一套完整的機(jī)械臂組成應(yīng)當(dāng)包括腰部、肩部、大小臂、肘部、腕部等關(guān)節(jié)；末端抓手配置反映靈敏的識別、傳輸、轉(zhuǎn)換、動作及輸出等控制裝置。機(jī)械臂在進(jìn)行采摘作業(yè)運(yùn)動的過程中，著重考慮保證位姿的準(zhǔn)確定位及位置補(bǔ)償?shù)淖钚』`差，并對各關(guān)節(jié)進(jìn)行零點(diǎn)設(shè)置。從機(jī)械動力學(xué)原理出發(fā)，其理論模型可建立為

(1)

式中M(q)—機(jī)械臂運(yùn)動慣性矩陣；

G(q)—機(jī)械臂的重力向量；

T—機(jī)械臂承受驅(qū)動扭矩。

圖1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂簡圖

建立位姿空間坐標(biāo)并得出機(jī)械臂運(yùn)動方位相對于運(yùn)動角度的矩陣方程，即

進(jìn)一步針對運(yùn)動矩陣R建立機(jī)械臂的末端執(zhí)行矩陣，即

機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)運(yùn)動前后示意圖如圖2所示；其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

機(jī)械臂在空間、位姿等運(yùn)動模型控制之下，形成其硬件與軟件控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見圖3)，機(jī)械臂硬件結(jié)構(gòu)及軟件系統(tǒng)需相互配合。其中，裝置的優(yōu)化包括信號處理與反饋環(huán)節(jié)，精確及時(shí)地感應(yīng)與機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的動作指令可實(shí)現(xiàn)預(yù)定采摘作業(yè)。

圖2 機(jī)械臂節(jié)點(diǎn)運(yùn)動前后示意圖

圖3 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂控制結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 關(guān)鍵參數(shù)設(shè)定

進(jìn)行機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，主要是建立各個(gè)關(guān)節(jié)間的自由度聯(lián)系，確定旋轉(zhuǎn)角度和變化范圍，根據(jù)圖4所示的角度算法流程，進(jìn)行運(yùn)動跟蹤及軌跡監(jiān)測，自由度的多少可以適當(dāng)增減進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，可選取在自由度5～7之間。

首先確定機(jī)械臂的類型及自由度，給出各個(gè)關(guān)節(jié)的形狀與尺寸，并通過對機(jī)械臂各項(xiàng)性能指標(biāo)參數(shù)進(jìn)行對比選取、關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息采集與處理和關(guān)鍵構(gòu)件成分組成分析，確立是否進(jìn)行參數(shù)修改，最終得出最佳機(jī)械臂各關(guān)節(jié)滿足采摘性能的關(guān)鍵參數(shù)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

設(shè)定機(jī)械臂的運(yùn)動條件數(shù)x1,機(jī)械臂各關(guān)節(jié)進(jìn)行采摘動作的運(yùn)動可操作性評價(jià)值x2，方向可操作性評價(jià)值x3，各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)性動作評價(jià)值x4，其它影響度小的綜合評價(jià)參數(shù)量x5，將此5個(gè)參數(shù)通過標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、因子載荷測試，進(jìn)而綜合評定，得出最佳化參數(shù)組合F，即

圖4 機(jī)械臂各關(guān)節(jié)運(yùn)動角度流程簡圖

2.2 誤差補(bǔ)償選取

農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械手的機(jī)械臂在自動采摘作業(yè)時(shí)的采摘精度需要一定的誤差補(bǔ)償，主要是為了補(bǔ)償機(jī)械臂構(gòu)造組裝過程中的固有誤差和工作過程中速度傳遞、執(zhí)行定位誤差。因此，針對各關(guān)節(jié)在參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上建立相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)誤差補(bǔ)償模型，主要體現(xiàn)在機(jī)械臂的末端抓手上，并使硬件補(bǔ)償與軟件補(bǔ)償相互配合。

降低機(jī)械臂的采摘作業(yè)誤差包括各關(guān)節(jié)的位姿轉(zhuǎn)換矩陣、變換及微分計(jì)算等，為保證運(yùn)動的穩(wěn)定與快速，參照實(shí)施一種機(jī)械臂各關(guān)節(jié)綜合誤差模型補(bǔ)償原則，將實(shí)際位姿與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動矩陣合并為綜合末端抓手的誤差，通過系數(shù)修正來達(dá)到機(jī)械臂末端誤差補(bǔ)償，從而提高運(yùn)動采摘精度和可靠性。因篇幅有限，只給出補(bǔ)償前后的對比算法，即

2.3 差動轉(zhuǎn)向技術(shù)加入

在機(jī)械臂采摘作物或完成后進(jìn)行返回路徑過程中，加入機(jī)械臂關(guān)節(jié)的差動轉(zhuǎn)向技術(shù)，可更好地對機(jī)械臂運(yùn)動軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)視和反饋精確化控制。這其中需注重各關(guān)節(jié)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的分配設(shè)置比例和相關(guān)回轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向定位慣性等因素的影響。機(jī)械臂的差動轉(zhuǎn)向控制簡圖如圖5所示。針對各關(guān)節(jié)，可以采用多冗余的自由度關(guān)節(jié)控制，使機(jī)械臂采摘動作具有更高的柔韌度與可控可調(diào)節(jié)度。轉(zhuǎn)向的靈活性表現(xiàn)在軟件技術(shù)上，如內(nèi)部構(gòu)件差動連接進(jìn)行運(yùn)動控制，更依賴于關(guān)節(jié)本身的結(jié)構(gòu)選取。

圖5 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂差動轉(zhuǎn)向控制

3 建模仿真分析

進(jìn)行三維機(jī)械臂建模，如圖6所示。同時(shí)，對仿真試驗(yàn)預(yù)先設(shè)定：①一定的農(nóng)作物環(huán)境；②農(nóng)作物采摘對象；③確定一定的機(jī)械臂工作空間;④試驗(yàn)約束條件設(shè)置等。

此次機(jī)械臂設(shè)計(jì)優(yōu)化可最大限度減小機(jī)械臂的自重，同時(shí)進(jìn)行模擬受力分析，對于機(jī)械臂結(jié)構(gòu)材質(zhì)的選取進(jìn)行綜合考慮，對于材料的疲勞強(qiáng)度—彎曲極限強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行不同程度的施加載荷試驗(yàn)，針對構(gòu)件1～10，有側(cè)重點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖6所示。

1.基座 2、4、6、8、10.安裝電機(jī)部位 3、5、7、9.機(jī)構(gòu)連接部位

從圖6中可看出：對機(jī)械臂整體的采摘作業(yè)效率快慢影響的主要有構(gòu)件5與構(gòu)件7。基于通用的模擬人體手臂采摘的運(yùn)動機(jī)理及各關(guān)節(jié)部位出現(xiàn)的相對極值位置點(diǎn)，通過專業(yè)ANSYS分析軟件對設(shè)計(jì)優(yōu)化后的機(jī)械臂進(jìn)行整體模型的有限元化分析，并對試驗(yàn)仿真過程中機(jī)械臂各關(guān)節(jié)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整及優(yōu)化，得出機(jī)械臂采摘時(shí)的最佳運(yùn)動軌跡和相應(yīng)的模態(tài)狀況，截取部分構(gòu)件的分析圖，如圖7所示。

通過對機(jī)械臂各個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行合理匹配、精細(xì)優(yōu)化，具體節(jié)點(diǎn)運(yùn)動角度及運(yùn)動參數(shù)如表1所示。選取試驗(yàn)時(shí)間均為6s，記錄機(jī)械臂的初始位置與終止位置，其間的運(yùn)動速度與加速度有效值。由表1可知：在預(yù)定的結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)下，整體機(jī)械臂進(jìn)行仿真，各個(gè)關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)性可達(dá)90%以上，能夠較好地執(zhí)行采摘動作，上下動作銜接良好，保證了機(jī)械臂構(gòu)造緊湊、動作靈活。

圖7 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂關(guān)鍵構(gòu)件應(yīng)力分布云圖

選取節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)間t/s初始運(yùn)動角度/rad停止運(yùn)動角度/rad運(yùn)動速度/rad·s-1運(yùn)動加速度/rad·s-2機(jī)械臂腰部主動關(guān)節(jié)60.2212-0.52411.0481.235機(jī)械臂肩部主動關(guān)節(jié)60.09680.95911.1021.304機(jī)械臂肘部關(guān)節(jié)6-1.69780.95871.1351.255機(jī)械臂腕部關(guān)節(jié)61.57860.06021.0361.080

4 結(jié)論

對農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從分析其關(guān)節(jié)組成出發(fā)，在深入了解機(jī)械臂采摘動作控制系統(tǒng)的前提下，通過對各關(guān)節(jié)進(jìn)行參數(shù)對比、選擇，形成綜合性評定函數(shù)；之后進(jìn)行動作的誤差補(bǔ)償，以減小機(jī)械臂的誤差指數(shù)；同時(shí)，加入差動轉(zhuǎn)向控制技術(shù)，從而達(dá)到更為精準(zhǔn)快速控制機(jī)械臂回轉(zhuǎn)、改變路徑的目的。在理論的模型指導(dǎo)下，模擬建立了農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂三維實(shí)體運(yùn)動模型，獲取了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的應(yīng)力分布，并得出各關(guān)節(jié)相互協(xié)調(diào)動作的一致性率。實(shí)驗(yàn)證明了其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可操作性。同時(shí)，此研究思路可為其他農(nóng)業(yè)采摘機(jī)具的改進(jìn)提供相對的方向維度，并對于農(nóng)業(yè)采摘的各類機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化有一定的參考價(jià)值，可更好地促進(jìn)機(jī)械臂采摘作業(yè)技術(shù)的提高。