收获采摘机器人的运动学分析及仿真_基于ADMAS_蒋昊俣.pdf

收获采摘机器人的运动学分析及仿真 基于 ADMAS 蒋昊俣 1 2 胡 军 1 宋 健 2 1 黑龙江八一农垦大 学 工程学院 黑 龙江 大庆 163319 2 潍坊学院 机电工程学院 山东 潍坊 261000 摘 要 为了对五自由度关节式收获机器人五自由度关节机器人末端执行器的位姿和运动进行描述 运用传 统的 D H 法建立各关节运动学数学模型 进行运动学正 逆解 求得末端执行器的位置关系式 基于 UG 软件 建立了该机械手的三维立体模型 并通过 ADMAS 软件对机械手抓取 采摘和放下过程进行仿真分析 确定其运 动轨迹 结果表明 所建立的运动学方程正确 设计的机械手满足工作要求 有较强的操作性 为收获采摘机械 手的设计制造奠定了基础 关键词 收获机器人 五自由度机械手 运动学分析 仿真 中图分类号 S225 TP242 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2016 12 0007 05 0 引言 为了 降 低农民的劳动强度 提高果实的收获质 量 水果蔬菜收获采摘机器人具有越来越重要的意 义 1 2 从 1980 年代 开 始 一些发达国家开始研究 收获采摘机器人 出现了一些水果蔬菜采摘机器 人 3 4 但由 于 技术 市场和价格等因素的影响 离实 用化和商业化还有很大一段距离 5 综合 国 内外研 究文献 对于采摘机器人的研究大多数集中在视觉系 统对果实目标的识别和定位上 而对于机器人机械本 体的研究较少 目前 采摘收获机械手基本都是在通 用机器人的基础上改进的 为了满足工作需求 设计 了一种能够实现空间的平移 旋转 俯仰的五自由度 的串联结构的收获机械手具有重要的意义 本文充分考虑了机械手机构的灵活性 活动范 围 精度及承载能力 对五自由度机械手的底座 大 臂 小臂 腕部 末端执行器进行运动学正解 逆解分 析 确认末端执行器位姿表达式 T 同时 基于 UG 建 立的三维立体模型导入 ADMAS View 进行运动学仿 真 模拟机械手的运动轨迹 1 D H 法 1 3 进行运动学分析 收稿日 期 2015 10 30 基金项目 国家自然科学基金项目 51505337 山东省科技计划项目 2011YD03048 作 者简 介 蒋昊俣 1989 男 山东诸城人 硕士研究生 E mail 1195805362 qq com 通 讯作 者 胡 军 1972 男 江苏新沂人 副教授 博士 E mail gcxyhj 126 com 为了完成对机械手 的腰 肩 轴 腕关节的运动关 系描述 对该五自由度的机械手建立简化机构 如图 1 所示 图 1 机械手 的简化机构 Fig 1 Manipulator simplify institutions 该机械手的工作 过 程如下 首先 腰部 1 旋转 机 械手在位置 和位置 之间往复运动 其次 实现肩 关节 2 上下摆动带动大臂上下运动 再次 肘关节 3 实现上下摆动带动小臂上下运动 然后腕关节 4 做俯 仰运动 作业过程转轴匀速旋转 整个采摘过程转轴 停止旋转 因此 需针对该机构建立基座坐标系和各 连杆的相对坐标系 明确各连杆的运动关系 由于机 械手的腕部和末端执行器轴线交于一点 根据 D H 法建立坐标系如图 2 所示 图 2 中 i 是轴 x i 1 变换 到 轴 x i 上时 绕 轴 z i 的旋 转 角 d i 是沿 轴 z i 方向 在 x i 1 和 x i 之间平移的距离 a i 1 是沿 轴 x i 1 方向 在 z i 1 和 z i 之间的 平移距离 i 1 是轴 z i 1 和轴 z i 共面时 绕轴 x i 1 7 2016 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期 DOI 10 13427 ki njyi 2016 12 002 的旋转 角 连杆参数和关节变量如表 1 所示 图 2 机械手 连杆坐标系简化图 Fig 2 Coordinate system to simplify figure 表 1 连杆参数和关节变量 Table 1 Linkage parameters and joint variables 连杆 i 变量 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 运动 学 正解 5 6 分析 为了求得机械 手 的末端位姿关系式 需要对机械 手进行运动学正解 因此 由建立的 D H 机械手连 杆坐标系 再通过齐次坐标变换矩阵 求得连杆 i 1 和 i 之间的关系转换 进而求得齐次变换矩阵 T i 的表 达 式 4 齐次变换矩阵为 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 将 表 1 中连杆参数和关节变量代入分 别 代入式 1 中 得各个变换矩阵为 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 由各连杆矩阵相乘 求得机械手的总变换矩阵为 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 为 了校核得到的末端执行器位姿 T 的 正 确性 把 关节变量 1 2 2 0 3 2 4 0 5 0 代入 式 2 得到变换矩阵 T 的值 计算结果为 T 0 1 0 d 2 d 4 0 0 1 0 1 0 0 a 3 0 0 0 1 计算结果与机械手连杆 简 化图二的末端位姿表现 一 致 说明通过运动学求解的机械手的运动是正确的 1 2 运动学逆解分析 在确定目标的前提下 如果要使末端执行器定位 在期望的姿态 各关节的关节变量如何求解 这个问 题被称为运动学的第二个问题 即求关节转角的逆变 换 为了求解机械手运动学逆解 该论文采用 0 T 1 i 与 矩阵 0 T 5 两边左右相乘求解 结果 为 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 农 机 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 由上述结果可以看出 各关节转角不唯一 因 此 需 要根据工作的实际要求选取最优解 2 机械手三维模型建立 五自由收获采摘 机械手本体结构由底座 底 座和 转台之间的腰部 连接转台和大臂的肩部 大臂与小 臂之间的肘部 连接小臂和末端执行器的腕部 末端 执行器 5 部分构成 其中 转台的旋转 大臂和小臂 的上下摆动控制末端执行器的工作空间 手腕的俯仰 控制末端执行器的工作姿态 因此 根据收获采摘的 工况要求 用 UG 软件建立机械手的几何模型 包括创 建底座 转台 大臂 小臂 手腕及末端执行器 三维 仿真 3D 模型如图 3 所示 图 3 UG 机械手 三维模型 Fig 3 Manipulator 3d model 3 机械手运动轨迹仿真 3 1 仿真 前 处理 为了进一步验证上述设计的机械手是否能完成 设计目标 同时模拟机械手的运动轨迹 本文采用 ADMAS 软件进行仿真 模拟机械手的运动轨迹 为 了完成机械手的理论轨迹 将模型在 UG 中保存为 pa rasolid 格式 导入到 ADMAS View 然后依次对各个构 建包括底座 大臂 小臂 手腕及末端执行器添加转动 副 为各个转动副添加驱动 设置 STEP 函数为驱动函 数 机械手的虚拟样机模型如图 4 所示 3 2 模型自检 为了验证模型约束 定义自由度的正确性 在仿 真之前 通过 tools 菜单栏中的 model verify 功能对 系统的自由度和约束情况进行校验 如图 5 所示 图 5 中信息显示 model verified successfully 和 0 degrees of freedom for model 1 说明模型定义正确 可以进行 下一步的运动学仿真操作 图 4 虚拟样 机模型 Fig 4 Virtual prototype model 图 5 模型自 检界面 Fig 5 Model of self inspection 最后 根 据 理论轨迹及运动学正解求得末端执行 器的位姿 运用 STEP 函数设置各个关节的位移驱动 以末端执行器 zhuanzhou cm 质心上的标记点 mark 33 为研究对象 研究其相对于底座 固定坐标 系 的轨迹及速度曲线图 设定仿真时间为 18s 仿真 步数为 500 步 由 ADMAS 处理后的轨迹如图 6 所 示 沿 X Y Z 轴速度曲线如图 7 图 9 所示 从图 7 可以看出 在前 2s 转盘速度加速又减速 到 0 mark 33 点在 X 轴方向和转盘速度保持一致 2s 后转盘停止旋转 因此 mark 33 点速度也为 0 图 8 中 速度方向为 Y 轴负方向 mark 33 点在 Y 轴负 方向和转盘速度保持一致 2s 后 速度趋于 0 图 9 中 2 8s 时间 mark 33 点和大臂 小臂 手腕做俯 仰运动的速度保持一致 9 2016 年 12 月 农 机 化 研 究 第 12 期 图 6 机械 手 轨迹图 Fig 6 Manipulator trajectory figure 图 7 沿 X 轴速度 曲线 Fig 7 Along the x speed curve 图 8 沿 Y 轴速 度 曲线 Fig 8 Along the y speed curve 图 9 沿 Z 轴 速 度 曲线 Fig 9 Along the z speed curve 4 结论 针对该机械手的 工 作要求 提出了总体的设计方 案 实现了底座旋转 大臂 小臂按各自控制摆动 手 腕俯仰和转轴旋转 满足机械手完成抓取 采摘和放 下的工作要求 通过 D H 法建立数学模型 对机器 人的各关节和末端执行器进行运动学的正解分析 将 各关节和末端执行器的运动联系起来 然后用 UG 软 件对机械手进行三维建模 最后导入 ADMAS 中应用 STEP 函数对运动轨迹进行仿真 验证了机械手在工 作空间完成采摘收获操作的可行性 参考文献 1 宋健 张 铁 中 徐丽明 等 果蔬采摘机器人研究进展与展 望 J 农业机械学报 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 汤 修映 张 铁中 果蔬收获机器人研究综述 J 机器人 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 杨 丽 张铁 中 组培苗移植机器人的运动学求解 J 农业 机械学报 2007 38 7 84 98 6 赵 艳云 方 漪 聂江武 五自由度机器人手臂运动学研究 J 科学技术与工程 2009 6 1571 1573 1583 7 孙杏初 关 节型机器人主连杆参数的优化设计 J 北京 航空航天大学学报 1995 22 8 509 512 8 邱士安 李 刚俊 基于碰撞检测的机器人运动仿真系统 J 机械传动 2006 30 2 7 9 9 廖辉 P 机器人控制器的研制 D 长沙 中南大学 2004 10 殷际英 何广平 关节型机器人 M 北京 化学工业出 版社 2003 11 王战中 张俊 季红艳 等 自动上下料机械手运动学分 析及仿真 J 机械设计与制造 2012 5 244 246 12 曹毅 于心 俊 杨冠英 应用数值解析结合法求解机器人 工作空间体积 J 机械传动 2007 31 3 10 12 01 2016 年 12 月 农 机 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 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 页 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 Acquired its properties of flow area inside altering with time which reflects the transient flow field structure ination 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 ed between the gap of throwing blades and the inner wall ing 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 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 农 机 化 研 究 第 12 期