采摘機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對其工作空間的影響

伍輯軍， 宋 欣， 楊 磊， 程祥云

(天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，天津 300384)

在果蔬生產(chǎn)中，收獲采摘作業(yè)約占整個作業(yè)量的35%～45%[1]。為保證果實的新鮮程度，須要在短時間內(nèi)完成采摘作業(yè)，屬于季節(jié)性強的勞動密集型作業(yè)。但是，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的加快，農(nóng)村勞動力老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力短缺的問題日趨嚴(yán)重，導(dǎo)致了勞動力成本的增加和采摘效率的降低。因此，大力發(fā)展和推廣采摘機器人，用自動化和智能化的作業(yè)方式取代人工采摘，從而解放生產(chǎn)力、提高勞動生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本，具有廣闊的需求空間和重要的實用價值、經(jīng)濟效益。

采摘機械臂是采摘機器人的重要執(zhí)行部件，它的工作空間是評價機械臂工作性能的一個重要指標(biāo)，描述了機械臂在結(jié)構(gòu)約束下，末端參考點所能達(dá)到的空間點集合[2]。機器人工作空間求解通常采用圖解法、解析法以及數(shù)值法。其中，圖解法可以繪制出工作空間的剖截面，比較直觀，但會受到關(guān)節(jié)數(shù)的限制[3]。解析法是通過多次包絡(luò)來確定工作空間邊界，并用方程表示出來，但直觀性較差，計算繁瑣，一般只適用于關(guān)節(jié)數(shù)少于3個的機器人[4]。數(shù)值法是以極值理論和優(yōu)化方法為基礎(chǔ)，計算機械臂工作空間邊界曲面上的特征點，構(gòu)成邊界曲線進而再構(gòu)成邊界曲面[5]。這種方法的缺點是計算量太大，有些邊界曲面可靠性得不到保證。在數(shù)值法中，以蒙特卡洛法[6]的使用最為普遍，適合于任何關(guān)節(jié)型機械臂工作空間求解。但是由于蒙特卡洛法是在約束條件內(nèi)產(chǎn)生一系列隨機點的云圖，一方面,隨機點的產(chǎn)生雖然符合均布分布，但仍舊隨著隨機性，體現(xiàn)為隨機數(shù)目選取越多，所得到的工作空間越逼近機械臂實際工作域的近似工作域，且逼近程度取決于隨機數(shù)的數(shù)量；另一方面，蒙特卡洛法沒有完全考慮機械臂本身結(jié)構(gòu)尺寸干涉而導(dǎo)致的工作空間區(qū)域減少。

因此，本研究提出采用Adams運動仿真和圖解法相結(jié)合的方法來確定采摘機械臂的工作空間邊界，能盡量真實且直觀地表達(dá)出機械臂實際工作空間，有助于實現(xiàn)工作空間的精確計算。并且在采用凸包函數(shù)計算工作空間體積的基礎(chǔ)上，開展機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間體積的影響分析。

1 采摘機械臂基本構(gòu)型

本研究的采摘機械臂采用關(guān)節(jié)型開鏈結(jié)構(gòu)形式，主要由基座、大臂、小臂、手腕和末端執(zhí)行器組成。擁有6個自由度，分別為腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和3個腕關(guān)節(jié)(圖1)。其中，機械臂的空間位置主要是由腰關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)的參數(shù)來確定，機械臂的空間姿態(tài)是由腕關(guān)節(jié)參數(shù)來確定。

2 采摘機械臂工作空間的模擬及邊界分析

本研究采用Adams運動仿真和圖解法相結(jié)合的方法模擬采摘機械臂的工作空間。首先，利用Adams的運動仿真結(jié)果得到采摘機械臂在圓周范圍內(nèi)所能達(dá)到的極值點坐標(biāo)，然后通過包絡(luò)這些極值點來得到機械臂實際的工作空間。圖2為機械臂在XOZ平面上的工作空間邊界，其工作空間的外輪廓邊界大致為x∈[-1 984.7，2 829.7] mm，y∈[-1 984，1 985] mm，z∈[-761.2，3 098.2]mm。工作空間內(nèi)輪廓不規(guī)則，按照以腰關(guān)節(jié)為坐標(biāo)系原點進行統(tǒng)計，其輪廓邊界大致為x∈[-124，681] mm，y∈[-124，681] mm，z∈[0，1 065]mm，該區(qū)域內(nèi)機械臂將受到結(jié)構(gòu)參數(shù)限制或存在桿干涉而無法到達(dá)。

3 采摘機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間的影響分析

在采摘機械臂工作空間分析過程中發(fā)現(xiàn)，腕關(guān)節(jié)處的自由度僅對末端執(zhí)行器的姿態(tài)有影響，而對于工作空間的大小不產(chǎn)生影響，因此在進行機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間的影響中可以忽略該處的自由度，得到機械臂簡化示意圖(圖3)。

根據(jù)幾何關(guān)系，采摘機械臂末端P點坐標(biāo)可以表示為

x=[S+L1sinφ1+L2sin(φ2+α)]cosφ0；
y=[S+L1sinφ1+L2sin(φ2+α)]sinφ0；
z=H+L1cosφ1-L2cos(180°-α-φ1-φ2)。

(1)

3.1 采摘機械臂工作空間體積的計算方法

利用Matlab繪制出采摘機械臂工作空間的散點圖，結(jié)果如圖4所示。但由于散點圖只提供了工作空間包絡(luò)面的一個大致形態(tài)，如果須要進行工作空間大小計算的話，還要進一步對此空間生成一個較為精準(zhǔn)的包絡(luò)空間，用該包絡(luò)空間的體積描述工作空間的大小。

空間中的包絡(luò)面是一個一般封閉體的表面，即由所有邊緣點構(gòu)成的集合，生成包絡(luò)面的關(guān)鍵在于確定全體坐標(biāo)點的邊緣面。為此，利用Matlab中的凸包函數(shù)convhull求出散點圖的凸包點，并生成若干由三角形拼接而成的包絡(luò)空間，結(jié)果如圖5所示。在此基礎(chǔ)上計算出其包絡(luò)空間，即采摘機械臂的工作空間體積。

3.2 各桿件長度對工作空間體積的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，分別計算肩高桿長S、基座高度H、大臂桿長L1、小臂軸線與肘關(guān)節(jié)距離Lv以及小臂軸線與機械臂末端距離Lh對工作空間的影響，結(jié)果如圖6所示。

根據(jù)計算結(jié)果分析得到，除基座高度H外，其余4個因素皆對機械臂工作空間產(chǎn)生正相關(guān)影響，由擬合公式可知，桿長對工作空間的影響呈二次多項式關(guān)系。根據(jù)曲線斜率K可以分析得到，小臂軸線與肘關(guān)節(jié)距離Lv對工作空間的影響最小，其次是肩高桿長S，再次是小臂軸線與機械臂末端距離Lh，大臂桿長L1產(chǎn)生的影響最大。

在上述單一因素分析的基礎(chǔ)上，采用正交試驗方法，得到采摘機械臂工作空間與小臂軸線與肘關(guān)節(jié)距離Lv、肩高桿長S、小臂軸線與機械臂末端距離Lh，以及大臂桿長L1間的線性響應(yīng)面回歸模型：

W=-116.374 0+4.995 4×10-2S+6.157 5×10-2L1+5.35×10-3Lv+7.414 0×10-2Lh。

(2)

響應(yīng)面回歸模型的方差分析如表1所示，回歸模型的F值為892.87，P<0.000 1，差異極為顯著，證明試驗是可靠的。模型確定系數(shù)R2=0.996 9，校正確定系數(shù)AdjR2=0.995 8，表明模型可以解釋99.58%的響應(yīng)變化，模型擬合度高，試驗誤差小，能夠很好地描述各影響因子與響應(yīng)值之間的關(guān)系。依據(jù)回歸模型中的系數(shù)和方差分析可知，響應(yīng)面試驗范圍內(nèi)各影響因子的主效應(yīng)關(guān)系為大臂桿長L1>肩高桿長S>小臂軸線與機械臂末端距離Lh>小臂軸線與肘關(guān)節(jié)距離Lv。

表1 回歸模型的方差分析

利用20組試驗數(shù)據(jù)對所建立的線性響應(yīng)模型進行預(yù)測準(zhǔn)確性驗證，結(jié)果如表2所示。預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果的相對誤差率在0.06%～0.96%之間，平均誤差率為0.46%。由此可知，該線性響應(yīng)回歸模型具備一定的準(zhǔn)確性，可以在設(shè)計中用于采摘機械臂工作空間的預(yù)測以及設(shè)計方案調(diào)整。

3.3 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對工作空間的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，分別計算各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對工作空間體積的影響，影響趨勢如圖7所示，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對工作空間的影響程度如表3所示。

由分析結(jié)果可知，腰關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角下限變動范圍為-180°～-40°，上限變動范圍為40°～180°，機械臂工作空間從 36.71 m3增長到71.57 m3，呈正相關(guān)趨勢，即隨著上限和下限范圍的擴大，工作空間也會增加；圖7-b中肩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化對工作空間影響的曲面呈鋸齒狀，其下限值變動范圍為 -65°～-25°，上限值變動范圍為60°～90°，機械臂工作空間從54.00 m3增長到70.95 m3，同樣呈正相關(guān)趨勢，其上限值對工作空間的外輪廓產(chǎn)生影響，而下限值是對內(nèi)輪廓產(chǎn)生影響；圖7-c中肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角下限值變動范圍為-80°～-10°，上限值變動范圍為10°～85°，機械臂工作空間從47.02 m3增長到70.95 m3。肘關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角下限值對工作空間的外輪廓產(chǎn)生正相關(guān)影響，且影響程度較大，而上限值是對內(nèi)輪廓產(chǎn)生影響。從表3中的數(shù)據(jù)來看，腰關(guān)節(jié)對于工作空間的影響程度最大，肘關(guān)節(jié)其次，肩關(guān)節(jié)的影響最小。

表2 回歸模型預(yù)測準(zhǔn)確性分析

4 結(jié)論

(1)采用Adams運動仿真和圖解法相結(jié)合的方法模擬了采摘機械臂的工作空間，該方法相比于蒙特卡洛法更能準(zhǔn)確地描述機械臂的可達(dá)區(qū)域。

(2)在利用Matlab繪制出采摘機械臂工作空間散點圖的基礎(chǔ)上，采用凸包函數(shù)進行處理，生成一個較為精準(zhǔn)的包絡(luò)空間來描述該工作空間的體積。

(3)通過對采摘機械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)對工作空間的影響分析，得到各桿長參數(shù)中，小臂軸線與肘關(guān)節(jié)距離對工作空間的影響最小，其次是肩高桿長，再次是小臂軸線與機械臂末端距離，大臂桿長產(chǎn)生的影響最大。關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角參數(shù)中，腰關(guān)節(jié)對于工作空間的影響程度最大，肘關(guān)節(jié)其次，肩關(guān)節(jié)的影響最小。上述結(jié)論為機械臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

(4)建立了線性響應(yīng)回歸模型用于預(yù)測采摘機械臂工作空間以及設(shè)計方案調(diào)整，并通過試驗數(shù)據(jù)驗證了該模型的準(zhǔn)確性。

表3關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角對工作空間的影響程度

關(guān)節(jié)部位關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍增長率(%)工作空間體積增長率(%)腰關(guān)節(jié)3594.96肩關(guān)節(jié)1631.39肘關(guān)節(jié)7050.89