多媒體武術系統在智能采摘機器人中的應用

張軍平

(湖北工業大學 體育學院,武漢 430068)

0 引言

智能遠程協同技術實現的基礎是采用計算機、信息自動化和現代化管理技術最先進的研究成果。 當前,多數采摘機器人協同交互的方式是以 CAD系統為主、僅支持單個人機交互系統。CAD系統以交互式圖形控制系統和工程分析計算為主, 其協同交互系統簡單、應用狹窄,不能滿足現在信息快速發展的要求。因此,開發遠程協同設計控制系統平臺勢在必行。

隨著現代科技控制技術的快速發展,智能機器人在許多領域中被采用。在農業生產中,機器人的智能化水平越來越高,適應日益復雜工作環境的采摘機器人應運而生。機器人的采摘過程要求必須能夠避開障礙物并達到采摘目標,且不會損壞果實。 協同技術控制生產的采摘機械手的精度高,工作性能好,生產出來的采摘機械手避障效果好, 具有最少自由度和最佳的工作空間,能夠快速地完成采摘。 機器人手臂和智能揀選機器人的末端執行器的精度越高,動作越靈活,執行采摘操作的動作也越來越平滑,加快了采摘效率、增加了余量、消除了故障點且提高了解決方案的穩健性,為機器人設計中遇到的問題提供了更多的解決方案。協同技術的研究可以使機器人的功能結構更加豐富, 應用的范圍更廣。隨著協同技術的發展,遠程多媒體控制系統被用于提高機械的制造水平中來。 本文基于多媒體武術教學系統的智能采摘機器人協同技術,研究開發主要側重在采摘機器人的生產制造方面和智能化控制方面,以實現采摘機器人生產的智能化及遙控操作,提高了采摘機器人的生產水平及種植效益。

1 多媒體武術教學系統及其機械數字化設計中的應用

武術在學習中尤其重要的是動作的規范,講究的是標準動作。在學習過程中,學員首先需要知道武術動作的套路、 動作路線及動作的規范,做到動作標準無誤。 武術目的在于健身、防身和攻擊等,為了達到期望及效果, 武術動作在發出時需要有力,要求學員在跟隨多媒體武術教學系統(見圖1)學習時動作要標準規范, 用力方向一致。采用多媒體教學系統學習可以不限時間、不限地點,還可以將教學視頻回放,在現實教學中為學員提供了更為便利的學習機會。

圖1 遠程多媒體武術教學示范Fig.1 Remote multimedia martial arts teaching demonstration

遠遠程多媒體武術教學系統可以讓學員重復學習武術動作,教會學員規范的武術動作,將這種模式應用在智能采摘機器人的制造和使用上,可以使設計更加智能化。遠程數字化指導生產制造如圖2所示。研究者通過遠程數字化指導可以實現采摘機器人的協同研發,控制采摘機器人制造過程中的質量,提高制造采摘機器人的設計水平。由許多資料數據和實際的生產現場發現:采用數字化設計,機械的研發周期可縮短30%～50%,不合格品出現的幾率也極大降低。例如,在采摘機器人生產的 FDM技術中,在遠程計算機的控制下加熱材料,用數字化控制手段控制噴頭根據事先設置的范圍進行噴涂,形成機械零件的外殼,根據實際要求計算需要噴涂層數,循環噴涂后形成的產品是采摘機器人的生產的模型。該模型可用于試驗提取數據,也是采摘機器人機械零件投入生產的模具的最初形態,將模型經過調整改進后即可得到可用于生產的模具。

圖2 遠程數字化生產指導Fig.2 Remote digital production guidance

采用遠程數字化的指導和遠程會議的形式,可以在生產研發的同時實現產品的展示,讓人直觀觀察模型是否滿足要求, 在還未達到要求時,可以通過遠程數據修改設計參數。 遠程數字控制可以實現機械零件的快速設計和生產, 因不需要人員直接接觸,不會對人產生危害,該技術對環境的污染減少,讓員工有個安全的工作環境。FDM技術所采用的原料簡單且為絲狀,運輸更為方便,且可以制造形狀結構復雜,可快速制造難以成型的機械部件。使用FDM技術生產機械零件的工藝流程少,生產操作簡單,減少了生產過程中的原料損耗,節約生產成本。 FDM技術采用遠程數字化控制的方法進行操作,如采用簡單的WEB瀏覽器,可遠程進行CAD設計。

遠程數字化控制在采摘機器人的作業環節,可通過遠程數字化控制采摘作業、采摘機器人的移動、機械臂的活動和末端執行器的移動, 根據傳感器的采集的數據信息、協同服務平臺系統和數據庫數據,收集機器人的行走路徑,實現采摘機器人的自主導航和定位水果,完成采摘操作。智能揀選機器人操作如圖3所示。

2 采摘機器人智能遠程數字化設計服務系統

智能數字化用于采摘機器人研究設計中,可以明顯縮短機械設計研發周期,降低生產中出現不合格品的概率,實現資源共享。本文研究的采摘機器人遠程智能數字化設計系統主要闡述兩個方面:一方面是基于FDM技術的制造,另一方面是采用美國ANSYS開發的有限元分析軟件的遠程設計系統。

2.1 基于WEB和FDM的遠程協同數字化控制系統

基于WEB和FDM的遠程系統數字控制系統由4個主要部分組成,即設計圖紙和數據管理、流程管理、任務管理和數據庫。其以功能性強、使用限制不高的CAD軟件進行設計,瀏覽展示采用 WEB瀏覽器及三維可視化等技術,開發了一種用于遠程協同控制的集成系統。根據所需的功能要求,遠程數字協同控制制造系統功能包括工程管理、零件管理、可視化管理、過程管理和圖紙管理。遠程協同控制系統的框架如圖4所示。

圖4 遠程協同控制系統框架Fig.4 Remote collaborative control system framework

遠程協同控制制造系統是圍繞采摘機器人設計進行的,根據人們的習慣,在計算機桌面上創建WEB遠程瀏覽器和FDM制造系統功能圖標,并進行各個功能模塊的關系的建立。

2.2 基于有限元分析軟件的遠程設計輔助系統

采用ANSYS開發的有限元分析軟件對機械零件進行設計并對設計品校核。根據彈力運動學采用有限元分析,創建n個有限單元的方程為

[Ln]{In}={Gn}

(1)

其中,{I}、{G}為有限元單元的節點位移矢量和節點力;[L]為矩陣;n為有限單元體的序號。根據分割時節點間的關系,節點力、節點位移和矩陣編號為

[LnaaLnbb]{Inb} = {Gna}

(2)

[LnbaLnab]{Ina} = {Gnb}

(3)

其中,上標為a、b節點分類編號,改寫為

{Gna}= [Lnaa]{Ina}+[Lnab]{Inb}

(4)

{Gnb}= [Lnba]{Inba}+[Lnbb]{Inb}

(5)

消除其中的{Ina},由式(5)得

{Ina}=[Lnaa]-{Gna}-[Lnaa]-[Lnab]{Inb}

(6)

代入得

{ [Lnbb]-[Lnaa]-1[Lnba] }{Inb}={Gnb}-

[Lnba] [Lnaa]-1{Gna}

(7)

即

[Lnm] = [Lnbb]- [Lnaa]-1[Lnab]

(8)

[Gno] = {Gnb}- [Lnba] [Lnaa]-1{Gna}

(9)

循環上面的步驟得

[Lnm]{Inb}={Gno}

(10)

[Lxaa]{Ixa}={Gxa}

(11)

{Gxa}為已知,則有限單元體的位移即式中{Ixa}求得,同理可求出{Ixb},代入得

(12)

3 基于遠程輔助數字化設計與快速制造

機械臂為采摘機器人的重要部件,精度的要求高且需靈活,在設計和制造上更具難度, 研發設計的周期長,出現不合格品的概率較其他零件高,因此在設計時還應進行精度校核。 精度校核可采用試驗的方法和仿真模擬數值的方法。采用仿真模擬數值的方法可以對機械臂的尺寸動態擬合進行校核,模擬多自由度機械手的操作,并使用遠程協同設計和檢查,最后得到達械手的模型。

模型在校核完成后,得到的數據就可采用FDM技術快速制造。試驗表明:采用遠程數字化設計系統研發采摘機器人零件有效的縮短了研發周期,與傳統的生產工藝相比,降低了不合格產品的發生概率。

4 結論

基于多媒體武術教學系統原理,進行了智能采摘機器人遠程協同數字化服務系統設計,提高了采摘機器人生產的設計和制造水平、機械部件的靈活性及工作定位的準確性。

采用遠程數字化設計制造采摘機器人,有效地提高了設計效率,縮短了研發周期,提高了企業的生產制造水平,實現了機械零件的快速設計與生產。