農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法研究

潘 林，劉克福

（西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039）

1 農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法設(shè)計(jì)

1.1 采集農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)數(shù)據(jù)

農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的可移動(dòng)空間范圍較大[4]，為了確保完整采集柔性機(jī)械臂姿態(tài)數(shù)據(jù)[5]，使用姿態(tài)傳感器作為數(shù)據(jù)采集裝置。在采集過(guò)程中，在柔性臂的起點(diǎn)處安裝編碼器，末端點(diǎn)處安裝姿態(tài)傳感器，采用多點(diǎn)布置的方式對(duì)姿態(tài)傳感器的位置進(jìn)行設(shè)置，構(gòu)建以姿態(tài)為核心的三維網(wǎng)絡(luò)模型，安裝兩個(gè)對(duì)稱的姿態(tài)傳感器，并將其固定在待檢測(cè)的柔性機(jī)械臂上，通過(guò)姿態(tài)傳感器測(cè)量三個(gè)空間軸力，在三個(gè)空間軸上間接反饋柔性機(jī)械臂的不同姿態(tài)數(shù)據(jù)。姿態(tài)傳感器布設(shè)方式如圖1 所示。

圖1 姿態(tài)傳感器布設(shè)方式

考慮到姿態(tài)傳感器在重力加速度和載體線性加速度的疊加作用下，會(huì)使采集的信號(hào)數(shù)據(jù)存在漂移情況，而漂移使柔性機(jī)械臂姿態(tài)識(shí)別檢測(cè)結(jié)果存在較大誤差[6]。因此，需要選擇對(duì)力的剛度為5 000 N/mm 的姿態(tài)傳感器，在數(shù)據(jù)采集階段，姿態(tài)傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到0.100，重復(fù)性和遲滯性為0.30%和0.100 0[7]。通過(guò)這樣的方式，確保能準(zhǔn)確采集農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械柔性機(jī)械臂不同柔性姿態(tài)信息數(shù)據(jù)，為后續(xù)姿態(tài)檢測(cè)提供可靠數(shù)據(jù)。

1.2 計(jì)算農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角

為了計(jì)算農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角，需建立以下兩點(diǎn)假設(shè)：

1）柔性機(jī)械臂穩(wěn)定運(yùn)行，保證需要計(jì)算的自轉(zhuǎn)角度清晰；

2）使柔性機(jī)械臂根據(jù)控制指令到達(dá)期望位置，然后靜止不動(dòng)，獲取該位置的姿態(tài)圖像。計(jì)算柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角的流程為拍攝初始位置姿勢(shì)圖像—拍攝調(diào)整后姿勢(shì)圖像—提取姿勢(shì)圖像中位置點(diǎn)—對(duì)兩幅姿勢(shì)圖像進(jìn)行位置點(diǎn)匹配—求出農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角—取自轉(zhuǎn)角平均值，按照該流程獲取姿態(tài)自轉(zhuǎn)角。基于該流程，結(jié)合采集的姿態(tài)數(shù)據(jù)，首先建立相應(yīng)的姿態(tài)圖像坐標(biāo)系，根據(jù)柔性機(jī)械臂姿態(tài)在圖像中的隨動(dòng)效應(yīng)，僅在俯仰方位上進(jìn)行姿態(tài)變化。

圖2 中p1 和p2 為柔性機(jī)械臂調(diào)整姿態(tài)前后獲得的姿態(tài)圖像中相互匹配的位置點(diǎn)，p1'為位置點(diǎn)p1 在調(diào)整姿勢(shì)后圖像中的位置，此時(shí)，水平線與圖像中匹配位置點(diǎn)的連線夾角即為農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角B：

圖2 柔性機(jī)械臂調(diào)整姿態(tài)前后獲得的圖像

式中，?x表示位置點(diǎn)在x軸上的變化量；?y表示位置點(diǎn)在y軸上的變化量。

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，為了減少隨機(jī)誤差，采用柔性機(jī)械臂調(diào)整不同姿態(tài)，產(chǎn)生多個(gè)不同位置點(diǎn)，得到的姿態(tài)圖像坐標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，取多次平均值作為獲得的自轉(zhuǎn)角大小。至此成功計(jì)算出農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角。

1.3 計(jì)算姿態(tài)變化過(guò)程中柔性機(jī)械臂末端變形量

在收集柔性機(jī)械臂的姿態(tài)數(shù)據(jù)的過(guò)程中，編碼器安裝在每個(gè)柔性臂的起點(diǎn)，姿態(tài)傳感器安裝在末端點(diǎn)，假設(shè)兩個(gè)編碼器實(shí)測(cè)的角度為和，兩個(gè)姿態(tài)角度傳感器實(shí)測(cè)的角度為和，、、和的計(jì)算公式為：

式中，q11表示臂1 的調(diào)整姿態(tài)前模態(tài)坐標(biāo)；q12表示臂1 的調(diào)整姿態(tài)后模態(tài)坐標(biāo)；q21表示臂2 的調(diào)整姿態(tài)前模態(tài)坐標(biāo)；q22表示臂2 的調(diào)整姿態(tài)后模態(tài)坐標(biāo)；θ1表示臂1 末端點(diǎn)姿態(tài)傳感器與x軸的夾角；θ2表示臂1 末端點(diǎn)姿態(tài)傳感器與對(duì)角線的夾角；α1表示臂1 的起點(diǎn)編碼器切線與柔性臂臂1 的夾角；β1表示對(duì)角線與臂1 柔性臂末端點(diǎn)切線夾角；β2表示臂2 末端切線與對(duì)角線的夾角。

當(dāng)柔性臂1 和柔性臂2 受力平衡靜止時(shí)，根據(jù)力平衡和力矩平衡可得：

式中，g表示重力加速度，其他如圖3 所示。

圖3 柔性臂1 和柔性臂2 受力示意圖

根據(jù)圖3所示，在應(yīng)變片1處臂受到的彎矩為：

而臂1 在該截面表面處的實(shí)際應(yīng)變值可通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量得到：

同理，在應(yīng)變片2處有：

由式（2）至式（10）可求解出未知量θ1、θ2和柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角B?？梢郧蟪鋈嵝詸C(jī)械臂末端在豎直方向的高度為：

其相對(duì)柔性臂在姿態(tài)變化過(guò)程中的末端[8]變形量為：

至此便計(jì)算出了姿態(tài)變化過(guò)程中柔性機(jī)械臂末端變形量。

1.4 實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)

為了實(shí)現(xiàn)本文設(shè)計(jì)方案中的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)，就必須在姿態(tài)傳感器傳輸數(shù)據(jù)過(guò)程中添加一個(gè)從0起的標(biāo)志位置。當(dāng)柔性機(jī)械臂姿態(tài)發(fā)生變化后[9]，姿態(tài)傳感器每監(jiān)測(cè)到一個(gè)姿勢(shì)的改變信息就會(huì)在該信息之后添加標(biāo)記位，并使標(biāo)記位數(shù)加1，當(dāng)這些數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)后，再由上位機(jī)通過(guò)標(biāo)記位數(shù)確定兩個(gè)對(duì)稱的姿態(tài)傳感器之間所傳遞的信息是否為同一組姿態(tài)信息，隨后再進(jìn)行姿態(tài)解算[10]。然后從姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)信息中任意選擇2 組變量，提取柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角和柔性機(jī)械臂末端變形量作為關(guān)鍵變量，利用二者之間的相關(guān)性表示原始變量相關(guān)性的方式如下：

式中，P(x,y)表示待檢柔性機(jī)械臂姿態(tài)的位置信息；Px、Py分別表示在原始狀態(tài)下，待檢柔性機(jī)械臂姿態(tài)在x、y方向上的位置信息；Bx、By分別表示待檢柔性機(jī)械臂在x、y方向上的自轉(zhuǎn)角。

上位機(jī)界面如圖4 所示。當(dāng)在上位機(jī)界面點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕時(shí)，上位機(jī)將實(shí)時(shí)接收待檢柔性機(jī)械臂姿態(tài)的位置信息，然后對(duì)標(biāo)志姿態(tài)位置信息進(jìn)行判斷。若位置信息相同，通過(guò)式（13）得到實(shí)時(shí)柔性機(jī)械臂姿態(tài)位置信息。若位置信息不同，故障燈會(huì)閃爍，此時(shí)需點(diǎn)擊重置按鈕使上位機(jī)及姿態(tài)傳感器內(nèi)所有數(shù)據(jù)歸零，并以當(dāng)前點(diǎn)作為初始點(diǎn)重新計(jì)算其姿態(tài)信息。至此成功實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)。

圖4 上位機(jī)界面

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

圖5 為本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法的實(shí)驗(yàn)裝置。柔性機(jī)械臂三維模型中的末端姿態(tài)傳感器，包括硬件部分機(jī)械結(jié)構(gòu)、單片機(jī)和傳感器等，以及軟件部分舵機(jī)、傳感器控制和上位機(jī)程序等。

圖5 柔性機(jī)械臂三維模型

實(shí)驗(yàn)時(shí)柔性機(jī)械臂參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)中機(jī)械臂參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)說(shuō)明

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法，本文對(duì)上述方法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果則以文獻(xiàn)[3]中基于視覺(jué)的移動(dòng)機(jī)器人室內(nèi)定位和姿態(tài)檢測(cè)方法研究（方法1）、文獻(xiàn)[7]中一種低成本微型飛行器姿態(tài)角自動(dòng)檢測(cè)方法（方法2），以及本文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行對(duì)比的形式呈現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用相機(jī)采集旋轉(zhuǎn)、底部、肘部、腕部四種柔性機(jī)械臂姿態(tài)的150 組彩色圖像及對(duì)應(yīng)深度圖像，共計(jì)600 組實(shí)驗(yàn)樣本。其中，每種柔性機(jī)械臂姿態(tài)采用50 組樣本進(jìn)行姿態(tài)特征提取，取平均值構(gòu)建柔性機(jī)械臂標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模板庫(kù)?；诒疚奶岢龅霓r(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法，對(duì)剩余400 組樣本提取姿態(tài)特征后與標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)模板庫(kù)中所有姿態(tài)模板進(jìn)行匹配實(shí)驗(yàn)。統(tǒng)計(jì)柔性機(jī)械臂姿態(tài)檢測(cè)錯(cuò)誤次數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 柔性機(jī)械臂姿態(tài)檢測(cè)錯(cuò)誤次數(shù)

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

由表2 可以看出，其他兩種方法對(duì)于底部姿態(tài)的檢測(cè)錯(cuò)誤次數(shù)較多，本文提出的農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法的錯(cuò)誤次數(shù)明顯小于另外兩種方法，該方法的均值僅為5.25 次，平均錯(cuò)誤次數(shù)小于6，而對(duì)比方法達(dá)到了10 次以上，相比于對(duì)比方法，該方法的柔性機(jī)械臂姿態(tài)檢測(cè)錯(cuò)誤次數(shù)降低了4 次以上。因此，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)檢測(cè)方法具有較高的精度，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)控制，提供可靠的數(shù)據(jù)。

3 小結(jié)

本文提出了一種農(nóng)業(yè)紙帶栽種機(jī)械的柔性機(jī)械臂姿態(tài)自動(dòng)檢測(cè)方法，利用姿態(tài)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)柔性機(jī)械臂姿態(tài)數(shù)據(jù)的全面采集，研究重點(diǎn)突出對(duì)于柔性機(jī)械臂姿態(tài)自轉(zhuǎn)角以及姿態(tài)變化過(guò)程中柔性機(jī)械臂末端變形量的計(jì)算，求解有效且耗時(shí)短，有更大的優(yōu)勢(shì)，使得檢測(cè)方法更有序，從而為柔性機(jī)械臂自動(dòng)檢測(cè)方法提供了新的設(shè)計(jì)思路和參考。本研究為今后柔性機(jī)械臂的相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)，能夠在更大范圍內(nèi)得到有效應(yīng)用。