关键词：采摘机器人;;机械臂;;动力学仿真;;轨迹规划;;系统设计
摘 要：葡萄为一种成簇生长的浆果类水果,因其味美汁多,皮薄粒大而获得大多数人的喜爱。传统采摘主要依靠人工实现,采摘作业劳动强度大、成本高,且单调乏味。随着我国农业劳动力的转移、农村人口的减少、人口老龄化的加剧,使得从事农业生产的劳动力越来越少。因此,研发葡萄采摘机器人的关键技术已经成为设施农业生产发展中的迫切需要,机械臂作为采摘机器人中的一个重要执行机构,在采摘环节中起到了重要作用。本文以篱架整枝食用葡萄为研究对象,结合其种植情况,开展葡萄采摘机器人机械臂的设计、仿真与试验,主要研究内容如下:(1)对机械臂的国内外研究情况以及关键技术作了简要概述。根据篱架整枝食用葡萄的生长、种植情况提出了葡萄采摘机械臂的整体设计指标,接着依据设计指标要求确定机械臂的构型、自由度以及连杆长度等参数。利用SolidWorks软件建立葡萄采摘机械臂的三维模型。通过Adams建立机械臂的简化模型,进行机械臂动力学仿真,获得抓持2Kg葡萄时腰关节、肩关节、肘关节以及腕关节所需驱动力矩分别为95N·m、52N·m、48N·m、12N·m,据此选择安川交流伺服电机以及行星齿轮减速机作为电机的驱动系统。(2)利用D-H参数法建立了葡萄采摘机械臂的数学模型,基于连杆坐标系推导出正、逆运动学方程,并求出正、逆运动学解。通过MATLAB中的Robotics Toolbox建立机械臂的三维仿真模型,可视化对比数学模型的正、逆运动学计算结果与机器人工具箱仿真结果,验证了机械臂数学模型的正确性。借助蒙特卡洛法得到了机械臂末端执行器的工作空间点云图以及各二维坐标投影图,通过对工作空间点云图的分析,验证了机械臂几何参数设计的正确性与合理性。(3)研究机械臂关节空间以及笛卡尔空间两个方面的轨迹规划。关节空间的轨迹规划分析了三次多项式插值和五次多项式插值的数学模型,笛卡尔空间轨迹规划分析了空间直线轨迹规划算法和空间圆弧轨迹规划算法。基于最短路径原则,选择五次多项式插值的空间直线轨迹作为机械臂末端执行器的路径,并对其进行数学求导及仿真,验证了轨迹规划的合理性与正确性,为后续的采摘试验提供理论依据与支撑。(4)实验室环境下模拟葡萄采摘场景,设计了机械臂控制系统的硬件构成和控制程序。以控制目标和使用对象的不同,对机械臂的上位机控制器和下位机控制器进行设计。通过LABVIEW平台编写硬件驱动程序,开展了单关节位置控制试验与基于轨迹规划算法的葡萄采摘试验。30次重复的单关节位置控制试验,测得单关节的平均定位误差分别为2.32mm、1.25mm、1.21mm、1.11mm,平均复位误差为2.43mm、1.33mm、1.23mm、1.12mm。机械臂从初始点到采摘点再到放果点最后复位,末端执行器标志点理论与实际距离偏差的平均值分别为5.47mm、6.46mm、5.19mm,满足采摘精度要求。不考虑末端执行器采摘葡萄时间,机械臂完成从初始点到采摘点再到放果点最后复位所需平均时间为24.1s,最大时间为24.99s。
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