七自由度擠奶機器人運動特性分析

摘要：為解決當前擠奶設備智能化不足的問題，設計出一種串聯式七自由度擠奶機器人.基于改進D-H法，對機器人進行正運動學分析.在Matlab中，構建并驗證擠奶機器人的連桿模型，采用蒙特卡洛法對機器人工作空間模擬仿真，得到機器人的工作空間范圍；基于五次多項式插值法對機器人軌跡進行規劃仿真，得到機器人各關節運動特性曲線.依據研究方法制作實驗樣機，并進行套杯實驗，可得套杯成功率94.82%，套杯成功平均單次耗時5.46秒，比人工擠奶工作效率提高90%以上.實驗結果表明，所設計的擠奶機器人滿足實際工作需求，為后續擠奶機器人的研發升級提供參考.

關鍵詞：擠奶機器人；改進D-H法；運動分析；工作空間；軌跡規劃

中圖分類號：TP24"" 文獻標志碼：A

Analysis of Motion Characteristics of 7-DOF Milking Robot

LI Shuo1， WANG Cheng-jun2， LI Shao-qiang1

（1.College of Mechanical Engineering， Anhui University of Technology， Huainan 232001， Anhui， China;

2.College of Artificial Intelligence， Anhui University of Technology， Huainan 232001， Anhui， China）

Abstract：In order to solve the problem of insufficient intelligence of milking equipment， a series 7-DOF milking robot was designed. Based on the improved D-H method， the forward kinematics of the robot was analyzed. In MATLAB， the connecting rod model of the milking robot was constructed and verified. Monte Carlo method was used to simulate the working space of the robot， and the working space range of the robot was obtained. The trajectory of the robot is planned and simulated based on quantic polynomial interpolation method， and the motion characteristic curves of each joint of the robot are obtained. The experimental prototype was made and the cup setting experiment was carried out. The success rate of cup setting was 94.82%， and the average time of cup setting was 5.46 seconds， which was more than 90% higher than the work efficiency of manual milking. The simulation and experimental results show that the designed milking robot can meet the actual work requirements， and provide reference for the subsequent research and development of milking robot upgrade.

Key words：milking robot; improved D-H method; motion analysis; working space; trajectory planning

牛奶是乳制品的主要原料之一，隨著人們生活水平的不斷提升，對乳制品的需求量與日俱增.2021年，我國對乳制品消費量人均超過27千克，同時我國奶牛養殖規模也在逐步擴大，傳統的擠奶作業約占據奶牛養殖總工作量的三分之一，且奶源易受到二次污染［1］.

為了降低勞動強度、有效控制奶源品質，實現智能化擠奶作業，國內外學者對擠奶機器人進行了諸多研究.Lely公司［2］采用三自由度氣動式機械臂，設計出一種末端執行器集成了4套擠奶杯的擠奶機器人，使擠奶效率有效提高.Boumatic公司［3］采用六自由度機械臂，設計出一種單個機械臂可同時服務于兩頭奶牛的擠奶機器人，設備利用率高.Fullwood公司［4］研制出一種將機械臂和擠奶箱一體化的擠奶機器人，結構緊湊，但工作空間有限.GEA公司［5］研發出一種轉盤式擠奶機器人，可同時服務于多頭奶牛，提高了工作效率，但僅適用于大型牧場.與國外相比，國內對擠奶機器人的研究屬于早期階段.劉俊杰等［6-7］根據中國奶牛體態特征，采用懸掛式機械臂，設計出移動智能化擠奶機器人，實現了牧場全自動擠奶，提高了擠奶效率.楊存志等［8］研制出一種擠奶機器人，采用新型三自由度擠奶機械臂，雖然實現了自動化擠奶，但操作空間有限.

本文將六自由度機械臂和移動滑塊搭載在地軌上，設計出一種串聯式七自由度擠奶機器人.基于改進的D-H法，構建并驗證機器人運動學模型.在Matlab中，對機器人的工作空間和軌跡規劃進行仿真分析.最后，制作擠奶機器人樣機并進行套杯實驗.

1" 擠奶機器人總體方案設計

1.1 擠奶機器人結構設計

七自由度擠奶機器人三維模型如圖1所示.

主體結構由地軌、移動滑塊、驅控一體化六自由度機械臂、末端抓手、雙目視覺系統及主控系統構成.機身總高度為1 250 mm，移動滑塊行程范圍為0～1 000 mm；末端抓手負載為5 kg，機械臂有效工作半徑為850 mm，重復定位精度為±0.1 mm.

1.2 擠奶機器人工作過程

七自由度擠奶機器人采用單頭作業方式，工作時奶牛進入擠奶室，雙目視覺系統隨即完成目標（奶牛乳頭）的識別與精準定位任務，實時反饋給主控系統，并通過電機驅動系統控制移動滑塊與六自由度機械臂各關節聯動，用于調整末端抓手進入奶牛腹部空間，啟動末端抓手抓取消毒杯對奶頭進行快速消毒，接著抓取擠奶杯，套至奶牛乳頭上進行擠奶作業.擠奶完成后，進行下一頭奶牛的擠奶作業，循環上述操作.

2 擠奶機器人運動分析

2.1 改進D-H法坐標系建立

依據機器人拓撲機構分析，七自由度擠奶機器人由1個移動副和6個轉動副串聯組成.采用改進D-H法，確定各個關節軸線Zi和坐標軸Xi關系，建立機器人連桿坐標系，如圖2所示.

根據建立的擠奶機器人D-H坐標系，可得對應的D-H參數如表1所列.根據實際擠奶作業的需求，對各關節變化范圍進行限定，θi表示轉動關節的關節變量，di為連桿偏距，ai-1為連桿長度，αi-1為連桿轉角.

2.2 正運動學分析

利用改進D-H法，確定機器人連桿i相對于連桿（i-1）的位姿在空間中的運動關系.其中，i－1Ti矩陣可以表示為機器人正運動學中機器人各關節的距離或角度的改變，由基坐標系向終端坐標系變換，最終獲得機器人末端位姿的過程.

從A點到達B點，由圖6（a）中移動關節1和圖6（b）、圖6（c）、圖6（d）中各轉動關節運動特性曲線可知，擠奶機器人在設定行程范圍內，機械臂末端抓手的軌跡平滑且連續，各關節初末位置的速度、加速度都為0，與五次多項式理論分析結果一致.各個關節的加速度變化曲線均呈余弦曲線，保證機器人各關節在運行過程中都比較平穩，從而驗證了擠奶機器人結構設計的合理性，為實驗樣機的制作提供了前提條件.

4 樣機制作與套杯實驗

根據所設計的七自由度擠奶機器人，進行機器人樣機制作，結果如圖7所示.移動平臺選用臺達ASDA-MS伺服電機驅動，六自由度機械臂選用GRM無框力矩電機驅動，雙目視覺采用英特爾D415雙目深度傳感相機，末端執行器選用氣動夾爪.本文采用擠奶機器人和ROS控制系統進行實驗，機器人各關節的驅動器通過接收上位機發送的指令，控制各位置電機運動.

機器人進行取杯和套杯實驗，實驗范圍距離移動平臺水平位置0～1 500 mm，中心高度垂直位置400～1 200 mm的矩形空間，選取一定時間內的套杯成功率和套杯成功平均單次耗時為參考指標.設置實驗時間為300秒，取杯成功58次，套杯成功55次，由實驗結果可得，套杯成功率94.82%，套杯成功平均單次耗時5.46秒，比人工擠奶工作效率提高90%以上.

5 結論

本文設計了一種七自由度擠奶機器人，采用蒙特卡洛法對工作空間進行仿真分析，機器人末端執行器的可達工作空間為175 cm×260 cm×175 cm，滿足實際擠奶工作空間需求.基于五次多項式插值法進行關節空間軌跡規劃仿真分析，得到擠奶機器人相關運動參數隨時間變化特性曲線，驗證了機器人結構設計的合理性.依據設計方法制作實驗樣機，進行套杯實驗，可得套杯成功率為94.82%，套杯成功平均單次耗時5.46秒，比人工擠奶工作效率提高90%以上，證明所設計的擠奶機器人樣機滿足實際需要，為后續七自由度擠奶機器人的研發升級提供一定的參考價值.

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［責任編輯：李 嵐］