收獲采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及仿真 基于 ADMAS 蔣昊俁 1 2 胡 軍 1 宋 健 2 1 黑龍江八一農(nóng)墾大 學(xué) 工程學(xué)院 黑 龍江 大慶 163319 2 濰坊學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院 山東 濰坊 261000 摘 要 為了對(duì)五自由度關(guān)節(jié)式收獲機(jī)器人五自由度關(guān)節(jié)機(jī)器人末端執(zhí)行器的位姿和運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述 運(yùn)用傳 統(tǒng)的 D H 法建立各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)學(xué)數(shù)學(xué)模型 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正 逆解 求得末端執(zhí)行器的位置關(guān)系式 基于 UG 軟件 建立了該機(jī)械手的三維立體模型 并通過(guò) ADMAS 軟件對(duì)機(jī)械手抓取 采摘和放下過(guò)程進(jìn)行仿真分析 確定其運(yùn) 動(dòng)軌跡 結(jié)果表明 所建立的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程正確 設(shè)計(jì)的機(jī)械手滿足工作要求 有較強(qiáng)的操作性 為收獲采摘機(jī)械 手的設(shè)計(jì)制造奠定了基礎(chǔ) 關(guān)鍵詞 收獲機(jī)器人 五自由度機(jī)械手 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 仿真 中圖分類(lèi)號(hào) S225 TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1003 188X 2016 12 0007 05 0 引言 為了 降 低農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度 提高果實(shí)的收獲質(zhì) 量 水果蔬菜收獲采摘機(jī)器人具有越來(lái)越重要的意 義 1 2 從 1980 年代 開(kāi) 始 一些發(fā)達(dá)國(guó)家開(kāi)始研究 收獲采摘機(jī)器人 出現(xiàn)了一些水果蔬菜采摘機(jī)器 人 3 4 但由 于 技術(shù) 市場(chǎng)和價(jià)格等因素的影響 離實(shí) 用化和商業(yè)化還有很大一段距離 5 綜合 國(guó) 內(nèi)外研 究文獻(xiàn) 對(duì)于采摘機(jī)器人的研究大多數(shù)集中在視覺(jué)系 統(tǒng)對(duì)果實(shí)目標(biāo)的識(shí)別和定位上 而對(duì)于機(jī)器人機(jī)械本 體的研究較少 目前 采摘收獲機(jī)械手基本都是在通 用機(jī)器人的基礎(chǔ)上改進(jìn)的 為了滿足工作需求 設(shè)計(jì) 了一種能夠?qū)崿F(xiàn)空間的平移 旋轉(zhuǎn) 俯仰的五自由度 的串聯(lián)結(jié)構(gòu)的收獲機(jī)械手具有重要的意義 本文充分考慮了機(jī)械手機(jī)構(gòu)的靈活性 活動(dòng)范 圍 精度及承載能力 對(duì)五自由度機(jī)械手的底座 大 臂 小臂 腕部 末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 逆解分 析 確認(rèn)末端執(zhí)行器位姿表達(dá)式 T 同時(shí) 基于 UG 建 立的三維立體模型導(dǎo)入 ADMAS View 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿 真 模擬機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡 1 D H 法 1 3 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 收稿日 期 2015 10 30 基金項(xiàng)目 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 51505337 山東省科技計(jì)劃項(xiàng)目 2011YD03048 作 者簡(jiǎn) 介 蔣昊俁 1989 男 山東諸城人 碩士研究生 E mail 1195805362 qq com 通 訊作 者 胡 軍 1972 男 江蘇新沂人 副教授 博士 E mail gcxyhj 126 com 為了完成對(duì)機(jī)械手 的腰 肩 軸 腕關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)關(guān) 系描述 對(duì)該五自由度的機(jī)械手建立簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu) 如圖 1 所示 圖 1 機(jī)械手 的簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu) Fig 1 Manipulator simplify institutions 該機(jī)械手的工作 過(guò) 程如下 首先 腰部 1 旋轉(zhuǎn) 機(jī) 械手在位置 和位置 之間往復(fù)運(yùn)動(dòng) 其次 實(shí)現(xiàn)肩 關(guān)節(jié) 2 上下擺動(dòng)帶動(dòng)大臂上下運(yùn)動(dòng) 再次 肘關(guān)節(jié) 3 實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)帶動(dòng)小臂上下運(yùn)動(dòng) 然后腕關(guān)節(jié) 4 做俯 仰運(yùn)動(dòng) 作業(yè)過(guò)程轉(zhuǎn)軸勻速旋轉(zhuǎn) 整個(gè)采摘過(guò)程轉(zhuǎn)軸 停止旋轉(zhuǎn) 因此 需針對(duì)該機(jī)構(gòu)建立基座坐標(biāo)系和各 連桿的相對(duì)坐標(biāo)系 明確各連桿的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 由于機(jī) 械手的腕部和末端執(zhí)行器軸線交于一點(diǎn) 根據(jù) D H 法建立坐標(biāo)系如圖 2 所示 圖 2 中 i 是軸 x i 1 變換 到 軸 x i 上時(shí) 繞 軸 z i 的旋 轉(zhuǎn) 角 d i 是沿 軸 z i 方向 在 x i 1 和 x i 之間平移的距離 a i 1 是沿 軸 x i 1 方向 在 z i 1 和 z i 之間的 平移距離 i 1 是軸 z i 1 和軸 z i 共面時(shí) 繞軸 x i 1 7 2016 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 DOI 10 13427 ki njyi 2016 12 002 的旋轉(zhuǎn) 角 連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量如表 1 所示 圖 2 機(jī)械手 連桿坐標(biāo)系簡(jiǎn)化圖 Fig 2 Coordinate system to simplify figure 表 1 連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量 Table 1 Linkage parameters and joint variables 連桿 i 變量 i i 1 a i 1 d i 1 1 2 0 0 0 2 2 0 2 0 d 2 3 3 2 0 a 2 0 4 4 0 0 a 3 d 4 5 5 0 2 0 0 1 1 運(yùn)動(dòng) 學(xué) 正解 5 6 分析 為了求得機(jī)械 手 的末端位姿關(guān)系式 需要對(duì)機(jī)械 手進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 因此 由建立的 D H 機(jī)械手連 桿坐標(biāo)系 再通過(guò)齊次坐標(biāo)變換矩陣 求得連桿 i 1 和 i 之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換 進(jìn)而求得齊次變換矩陣 T i 的表 達(dá) 式 4 齊次變換矩陣為 T i ot x i i 1 Trans x i a i 1 Trans z i d i ot z i i c i s i c i 1 s i s i 1 a i 1 c i s i c i c i 1 c i s i 1 a i 1 s i 0 s i 1 c i 1 d i 0 0 0 1 1 其 中 c i cos i s i sin i 將 表 1 中連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量代入分 別 代入式 1 中 得各個(gè)變換矩陣為 0 T 1 c 1 s 1 0 0 s 1 c 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T 1 2 c 2 s 2 0 0 0 0 1 d 2 s 2 c 2 0 0 0 0 0 1 T 2 3 c 3 s 3 0 a 2 s 3 c 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 T 3 4 c 4 s 4 0 a 3 s 4 c 4 0 0 0 0 1 d 4 0 0 0 1 T 4 5 c 5 s 5 0 0 0 0 1 0 s 5 c 5 0 0 0 0 0 1 由各連桿矩陣相乘 求得機(jī)械手的總變換矩陣為 0 T 5 0 T 1 1 1 T 2 2 2 T 3 3 3 T 4 4 4 T 5 5 n x o x a x p x n y o y a y p y n z o z a z p z 0 0 0 1 2 為 了校核得到的末端執(zhí)行器位姿 T 的 正 確性 把 關(guān)節(jié)變量 1 2 2 0 3 2 4 0 5 0 代入 式 2 得到變換矩陣 T 的值 計(jì)算結(jié)果為 T 0 1 0 d 2 d 4 0 0 1 0 1 0 0 a 3 0 0 0 1 計(jì)算結(jié)果與機(jī)械手連桿 簡(jiǎn) 化圖二的末端位姿表現(xiàn) 一 致 說(shuō)明通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)是正確的 1 2 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解分析 在確定目標(biāo)的前提下 如果要使末端執(zhí)行器定位 在期望的姿態(tài) 各關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)變量如何求解 這個(gè)問(wèn) 題被稱(chēng)為運(yùn)動(dòng)學(xué)的第二個(gè)問(wèn)題 即求關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的逆變 換 為了求解機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 該論文采用 0 T 1 i 與 矩陣 0 T 5 兩邊左右相乘求解 結(jié)果 為 1 arctan p y p x arctan d 2 d 4 p 2 x p 2 y d 2 d 4 槡 2 2 23 3 arctan a 3 a 2 c 3 p z c 1 p x s 1 p y a 2 s 3 a 2 s 3 p z c 1 p x s 1 p y a 2 c 3 a 3 8 2016 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 arccos p 2 x p 2 y p 2 z a 2 2 a 2 3 d 2 d 4 2 2a 2 a 3 3 arccos p 2 x p 2 y p 2 z a 2 2 a 2 3 d 2 d 4 2 2a 2 a 3 4 arctan c 1 c 23 a x s 1 c 23 a y s 23 a z c 1 s 23 a x s 1 s 23 a y c 23 a z 5 arctan c 1 c 23 o x s 1 s 23 o y s 23 o z c 4 s 1 o x c 1 o y 由上述結(jié)果可以看出 各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角不唯一 因 此 需 要根據(jù)工作的實(shí)際要求選取最優(yōu)解 2 機(jī)械手三維模型建立 五自由收獲采摘 機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)由底座 底 座和 轉(zhuǎn)臺(tái)之間的腰部 連接轉(zhuǎn)臺(tái)和大臂的肩部 大臂與小 臂之間的肘部 連接小臂和末端執(zhí)行器的腕部 末端 執(zhí)行器 5 部分構(gòu)成 其中 轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn) 大臂和小臂 的上下擺動(dòng)控制末端執(zhí)行器的工作空間 手腕的俯仰 控制末端執(zhí)行器的工作姿態(tài) 因此 根據(jù)收獲采摘的 工況要求 用 UG 軟件建立機(jī)械手的幾何模型 包括創(chuàng) 建底座 轉(zhuǎn)臺(tái) 大臂 小臂 手腕及末端執(zhí)行器 三維 仿真 3D 模型如圖 3 所示 圖 3 UG 機(jī)械手 三維模型 Fig 3 Manipulator 3d model 3 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡仿真 3 1 仿真 前 處理 為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的機(jī)械手是否能完成 設(shè)計(jì)目標(biāo) 同時(shí)模擬機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡 本文采用 ADMAS 軟件進(jìn)行仿真 模擬機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡 為 了完成機(jī)械手的理論軌跡 將模型在 UG 中保存為 pa rasolid 格式 導(dǎo)入到 ADMAS View 然后依次對(duì)各個(gè)構(gòu) 建包括底座 大臂 小臂 手腕及末端執(zhí)行器添加轉(zhuǎn)動(dòng) 副 為各個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副添加驅(qū)動(dòng) 設(shè)置 STEP 函數(shù)為驅(qū)動(dòng)函 數(shù) 機(jī)械手的虛擬樣機(jī)模型如圖 4 所示 3 2 模型自檢 為了驗(yàn)證模型約束 定義自由度的正確性 在仿 真之前 通過(guò) tools 菜單欄中的 model verify 功能對(duì) 系統(tǒng)的自由度和約束情況進(jìn)行校驗(yàn) 如圖 5 所示 圖 5 中信息顯示 model verified successfully 和 0 degrees of freedom for model 1 說(shuō)明模型定義正確 可以進(jìn)行 下一步的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真操作 圖 4 虛擬樣 機(jī)模型 Fig 4 Virtual prototype model 圖 5 模型自 檢界面 Fig 5 Model of self inspection 最后 根 據(jù) 理論軌跡及運(yùn)動(dòng)學(xué)正解求得末端執(zhí)行 器的位姿 運(yùn)用 STEP 函數(shù)設(shè)置各個(gè)關(guān)節(jié)的位移驅(qū)動(dòng) 以末端執(zhí)行器 zhuanzhou cm 質(zhì)心上的標(biāo)記點(diǎn) mark 33 為研究對(duì)象 研究其相對(duì)于底座 固定坐標(biāo) 系 的軌跡及速度曲線圖 設(shè)定仿真時(shí)間為 18s 仿真 步數(shù)為 500 步 由 ADMAS 處理后的軌跡如圖 6 所 示 沿 X Y Z 軸速度曲線如圖 7 圖 9 所示 從圖 7 可以看出 在前 2s 轉(zhuǎn)盤(pán)速度加速又減速 到 0 mark 33 點(diǎn)在 X 軸方向和轉(zhuǎn)盤(pán)速度保持一致 2s 后轉(zhuǎn)盤(pán)停止旋轉(zhuǎn) 因此 mark 33 點(diǎn)速度也為 0 圖 8 中 速度方向?yàn)?Y 軸負(fù)方向 mark 33 點(diǎn)在 Y 軸負(fù) 方向和轉(zhuǎn)盤(pán)速度保持一致 2s 后 速度趨于 0 圖 9 中 2 8s 時(shí)間 mark 33 點(diǎn)和大臂 小臂 手腕做俯 仰運(yùn)動(dòng)的速度保持一致 9 2016 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 圖 6 機(jī)械 手 軌跡圖 Fig 6 Manipulator trajectory figure 圖 7 沿 X 軸速度 曲線 Fig 7 Along the x speed curve 圖 8 沿 Y 軸速 度 曲線 Fig 8 Along the y speed curve 圖 9 沿 Z 軸 速 度 曲線 Fig 9 Along the z speed curve 4 結(jié)論 針對(duì)該機(jī)械手的 工 作要求 提出了總體的設(shè)計(jì)方 案 實(shí)現(xiàn)了底座旋轉(zhuǎn) 大臂 小臂按各自控制擺動(dòng) 手 腕俯仰和轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn) 滿足機(jī)械手完成抓取 采摘和放 下的工作要求 通過(guò) D H 法建立數(shù)學(xué)模型 對(duì)機(jī)器 人的各關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的正解分析 將 各關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來(lái) 然后用 UG 軟 件對(duì)機(jī)械手進(jìn)行三維建模 最后導(dǎo)入 ADMAS 中應(yīng)用 STEP 函數(shù)對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真 驗(yàn)證了機(jī)械手在工 作空間完成采摘收獲操作的可行性 參考文獻(xiàn) 1 宋健 張 鐵 中 徐麗明 等 果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展與展 望 J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2006 37 5 158 162 2 Kondo N Monta M and Fujiura T Fruit Harvesting obot in Japan J Adv Space es 1996 18 1 2 181 184 3 湯 修映 張 鐵中 果蔬收獲機(jī)器人研究綜述 J 機(jī)器人 2005 27 1 90 96 4 Sario Y obotics of Fruit Harvesting A Sate of the art eview J Journal of Agricultural Engineering esearch 1993 54 4 265 280 5 楊 麗 張鐵 中 組培苗移植機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)求解 J 農(nóng)業(yè) 機(jī)械學(xué)報(bào) 2007 38 7 84 98 6 趙 艷云 方 漪 聶江武 五自由度機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)研究 J 科學(xué)技術(shù)與工程 2009 6 1571 1573 1583 7 孫杏初 關(guān) 節(jié)型機(jī)器人主連桿參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì) J 北京 航空航天大學(xué)學(xué)報(bào) 1995 22 8 509 512 8 邱士安 李 剛俊 基于碰撞檢測(cè)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真系統(tǒng) J 機(jī)械傳動(dòng) 2006 30 2 7 9 9 廖輝 P 機(jī)器人控制器的研制 D 長(zhǎng)沙 中南大學(xué) 2004 10 殷際英 何廣平 關(guān)節(jié)型機(jī)器人 M 北京 化學(xué)工業(yè)出 版社 2003 11 王戰(zhàn)中 張俊 季紅艷 等 自動(dòng)上下料機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)分 析及仿真 J 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2012 5 244 246 12 曹毅 于心 俊 楊冠英 應(yīng)用數(shù)值解析結(jié)合法求解機(jī)器人 工作空間體積 J 機(jī)械傳動(dòng) 2007 31 3 10 12 01 2016 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期 Kinematics Analysis and Simulation for a Five DOF Harvesting obot Based on ADMAS Jiang Haoyu 1 2 Hu Jun 1 Song jian 2 1 College of Engineering Heilongjiang Bayi Agricultural University Daqing 163319 China 2 School of Mechanical Engineering Weifang University Weifang 261000 China Abstract In order to design a five degree of freedom harvesting robot dedicated to picking fruit object the position and movement of the end effector are described which kinematics mathematic model is established with traditional D H method and the forward kinematics of the manipulator is analyzed to get the expression of the end effector of the manipu lator Then based on the manipulator s 3D model established with UG the process of automatic feeding is simulated with ADMAS The simulation result is consistent with the actual situation of the working process indicating that the robot kinematics equation is valid and the research provides some theoretical basis for future study Key words harvesting robot five DOF manipulator kinematic analysis simulation 上接 第 6 頁(yè) Abstract ID 1003 188X 2016 12 0001 EA Numerical Simulation on Inner Flow Field of 9 40 ubbing and Breaking Machine Based on Sliding Meshes Ma Qian Liu Fei Zhao Manquan College of Mechanical and Electrical Engineering Inner Mongolia Agricultural University Hohhot 010018 China Abstract So as to studying the structure and status of inner flow field of rubbing and breaking machine the Turbulent unsteady flow field of unloaded working conditions under rotating rate at 2 800r min were simulated with computational fluid dynamics CFD and moving meshes method Acquired its properties of flow area inside altering with time which reflects the transient flow field structure information accurately The simulated results could show that the low pressure ar ea appeared in region of 0 20mm radius near the throwing chamber while maximum pressure zone formed between the gap of throwing blades and the inner wall forming a reflux resulting in material could not discharge easily Axial pressure and velocity evenly distributed resulting in airflow of shattered room is short of axial mobile This article provided a new method for structure optimization of inner flow field of rubbing and breaking machine suggested directions about impro ving the models laid a theoretical foundation in order to optimize the efficiency of the aircraft Key words rubbing and breaking machine flow analysis transient simulation sliding meshes unsteady flow 11 2016 年 12 月 農(nóng) 機(jī) 化 研 究 第 12 期