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畢業(yè)論文（設計） 外文翻譯 題 目 ： 運動學和軌跡規(guī)劃的黃瓜采摘機器人機械手 系部名稱： 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 教師職稱 ： 20**年 03 月 10 日 張 利兵 、 王雁 、 楊慶華 、 寶冠君 、 高鋒 、 薰易 (教育部重點實驗室的機械制造及自動化 、浙江理工大學、中國杭州 310012) 摘要 ： 為了降低成本，提高黃瓜收獲經(jīng)濟效益，黃瓜收獲機器人得以發(fā)展。 黃瓜果蔬采摘機器人由一輛汽車 ,一個四自由度關節(jié)機械手 ,一個手端 ,一個上一個視覺系統(tǒng)與監(jiān)控、四直流伺服驅動系統(tǒng) 組成。 把黃瓜的運動學果蔬采摘機器人機械手使用 標系建立了框架模型。 而且它提供了一個逆運動學軌跡規(guī)劃的基礎已經(jīng)解決了逆變換技術。 擺線針輪運動 ， 它具有的性能的連續(xù)性和零速度和加速度的港口及有界區(qū)間 ， 采用一種可行的 方法在關節(jié)空間軌跡規(guī)劃 ， 研究了果蔬采摘機器人的機械臂的黃瓜。此外 ， 硬件和摘要軟件基 于上面的顯示器之間的交流及關節(jié)的控制器的設計。實驗結果表明 ， 上面的顯示器與四關節(jié)控制器的溝通 ， 有效地摘要錯誤的思想和綜合四關節(jié)角不超過四度。誤差產(chǎn)生的可能因素分析及相應的解決方案 ， 為提高測量精度的措施提出了建議。 關鍵詞 ： 黃瓜果蔬采摘機器人軌跡規(guī)劃、關節(jié)機械臂、運動、摘要、擺線針輪 分類號： 引文： 張 利兵，楊慶華，寶冠君，高鋒，薰易。運動學和軌跡規(guī)劃黃瓜收獲機器人的機械手。農(nóng)業(yè)與生物學工程， 2009； 2（ 1）： 1 一．介 紹 水果和蔬菜的收獲是一個勞力密集的工作，由人類勞動和收獲的成本大約是 33％ ?總數(shù)的 50％，生產(chǎn)成本 [1]。因此，機械化和自動化，迫切需要水果和蔬菜收獲。目前，許多國家正在研究。 收稿日期： 08受日期： 009記 ： 張 利兵，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機器人，機電一體化和控制。王雁，博士候選人浙江工業(yè)大學，主要從事，機器人，智能儀表。楊慶華，教授，博士，主要從事機器人技術，機電一體化和控制。寶冠君，講師，博士，主要從事機器人技術，控制人數(shù)及機器視覺。高峰，副教授，博士，主要從事機電工 程等。薰易，博士，主要從事視覺系統(tǒng)和圖像處理。 通訊作者 : 張 利兵， 教育部重點實驗室機械制造、自動化、浙江工業(yè)大學 310012技術 ,中國 ,杭州， 310012。電話及傳真： +86子郵箱： 究了果蔬采摘機器人 ,尤其是荷蘭和日本。機器人的一些收獲 ,如黃瓜、西紅柿、葡萄收獲機器人已廣泛應用在溫室里和其他人在農(nóng)場上 [2、 3]。在中國 ,雖然研究是遲于果蔬采摘機器人在發(fā)達國家 ,一些有利的方面取得通過努力在國內(nèi)許多高等院校和研究機構 ,就是這樣的采摘機器人的設計由中國茄子農(nóng)業(yè)大學和一個番茄收獲機器人浙江大學開發(fā)的。 國家高技術 大力支持下 ,國家級高新技術研究和發(fā)展計劃 (863)(2007第一個系統(tǒng)化的黃瓜研究了果蔬采摘機器人在中國是聯(lián)合研制開發(fā)的中國農(nóng)業(yè)大學和浙江工業(yè)大學技術。 它由一個車，一個 4自由度（簡稱自由度）關節(jié)機械手，一最終效應，一上位，視覺系統(tǒng)和四個直流伺服驅動系統(tǒng)。由浙江工業(yè)大學， 利用一種工業(yè)機械手來代替四自由度關節(jié)機械手的 關節(jié)，旨在減少成本和適應環(huán)境 的收獲。 本文主要考察了四自由度鉸接式機器人運動學和軌跡規(guī)劃，這是概述如下。在第一節(jié)中，結構黃瓜收獲機器人機械臂描述。機械手的運動學建造的第 2 節(jié)逆運動學和第 3節(jié)中得到解決。第 4 節(jié)的軌跡規(guī)劃算法擺線運動。硬件和軟件設計軌跡規(guī)劃基于 節(jié)。實驗測量的實際位置 4 節(jié)進行搶修，對錯誤的可能原因在第 6節(jié)進行了分析。最后，結論是畫在第 7節(jié)。 二．黃瓜采摘機器人機械手結構 本文詳細介紹了運動學機械手和軌跡規(guī)劃的實現(xiàn)基于 圖和關節(jié)機械手的照片顯示在圖 1。它是由四個旋轉接頭：腰圍關節(jié)（ 肩關節(jié)（ 肘關節(jié)（ 手腕聯(lián)合（ 一端固定在底座上，另一端連接到終端效應其中包含兩個部分：一爪 抓 水 果 和 切 割 設 備 另 外 從 植 物 的 果圖 1線框圖和相片的黃瓜果蔬采摘機器人機械臂 該系統(tǒng)采用黃瓜采摘機器人多 布式控 制，上位機和聯(lián)合伺服控制器的結構。 此外，四個關節(jié)驅動的完美和諧的工作通過 線通訊，有效支持分布式實時控制系統(tǒng)。該通信系統(tǒng)黃瓜收獲機器人如圖 2 所示。在上位監(jiān)控用于監(jiān)控和管理整個機器人系統(tǒng)，找到黃瓜目標，并規(guī)劃軌跡。 線是傳輸?shù)臉蛄荷衔槐O(jiān)控和聯(lián)合控制器。伺服控制器，分布在各個關節(jié)驅動力矩馬達和他們能夠實現(xiàn)閉環(huán)控制從接受角度編碼器反饋信號。 圖 2通信系統(tǒng)中的黃瓜收獲機器人 三．學模型坐標框架 運動學模型坐標框架 構造了 (型 ),這已被廣泛使用在機器人由于它嗎明確的機制和物理解釋在相對容易實施的程序機器人操作臂控制的。 標系框架模型基于任務的笛卡爾坐標框架固定相對于機器人機械臂的每一環(huán)節(jié)。而且它描述了空間變換關系兩個連續(xù)的 4×4 連結變換矩陣我 鏈接的氮轉化成相應的坐標框 架坐標系可以被寫為 [4,5]： 其中 a 是一個 是 接近的方向向量； 0 定向的矢量， n = 0 × a 是一個正常的向量； P 為最終效應相對位置向量基礎坐標系。 在 的變換矩陣 6， 7]： 其中θ是聯(lián)合角；α 圖 3所示的 D – 總結它的 D – H 參數(shù)。 圖 3 D– 表 1機器人的機械臂 D – 四．黃瓜收獲機器人的機械手逆運動學 逆運動學問題的機器人機械手是要找到一個載體，聯(lián)合變量產(chǎn)生一個理想的最終效應位置和方向。逆變換技術來解決問題 [8,9]。為了挑選黃瓜方便，腕關節(jié)，必須平行于 以可以得到： θ 2 + θ 3 +θ 4 = 0° 對 于方程（ 1），它可以改寫為： 而 首先，讓等式（ 3,4）矩陣（ 4）及（ 5）是等價的，θ 1可表示為： 那就讓等式（ 1， 4）和（ 2,4）矩陣（ 4）及（ 5）是等價的，下面的公式可以得到： 通過簡化方程（ 7）： 從方程（ 7），可得出θ 2 ，θ 3 可表示為： 五．在關節(jié)空間軌跡規(guī)劃的基礎上擺線運動 該機器人的機械 手 軌跡規(guī)劃以這種方式 定義：找到共同的時空運動規(guī)律位置，速度和 加速度，根據(jù)給定操作的最終效應。運動規(guī)律由軌跡規(guī)劃師產(chǎn)生的必須使用一些特別是戰(zhàn)略來消除額外的運動，如抖振和共鳴。他們必須是足夠光滑，連續(xù)的第一及第二衍生物 [10,11]。在規(guī)劃數(shù)算法，擺線運動，尤其適合適用于點對一點，因為它的軌跡規(guī)劃金額較小的計算，平滑度和連續(xù)性，零速度和加速度，并在最初的功能和有界區(qū)間 [12]終點。它的運動曲線可以描述為 [13]： 那么它的第一和第二導數(shù)可以表示為： 而 是常規(guī)時間， 圖 4顯示了彎的擺線針輪運動和它的第一和第二衍生物在規(guī)范區(qū)間 (- 1,1)。從圖 4,它可以清楚地看出擺線針輪運動是平的 ;同時 ,充分的速度和加速度運動和價值觀都是連 續(xù)的。 圖 4 擺線運動和第一及第二衍生物 開始和結束點的區(qū)間 0≤τ≤ 1足輕重。這證明了機器人末端執(zhí)行器的的運動機器人操作臂控制 不會 抖振 ， 所以它可以確保運動穩(wěn)定性的機器人系統(tǒng)。 如屬聯(lián)名我，軌跡規(guī)劃和位置依賴定位最終效應。 所以 ,第一步的獲取軌跡規(guī)劃是三維的描述目標的空間小黃瓜。這描述是基于感官信息等機器視覺以及先驗信息機器人的機械臂運動 學結構 。 從目標位置的機器人末端執(zhí)行器與逆 6 日運動學 (0、 12、 13)。開始后關節(jié)角 qi(f)我問被紅牌罰下 ,通過從關節(jié)控制器的摘要 ,這個位置 ,速度 ,加速度方程的基礎上擺線針輪運動可以表達為 :開機后關節(jié)角度 )智商已經(jīng)從通過 線控制器的聯(lián)合，位置，速度，加速度方程的基礎上擺線運動可以表示為： 六．硬件和軟件設計的軌跡規(guī)劃基于 線 6 – 1. 接口電路的 線 控 制器區(qū)域網(wǎng)絡（ 一種先進的串行通訊協(xié)議的分布式實時控制系統(tǒng)。不同的設備，如處理器，傳感器和執(zhí)行器可以連接到 線通過雙絞線，可以互相溝通通過交換信息。最大傳輸速率可達 1在嘈雜的環(huán)境。和它利用載波感測多重存取及碰撞檢測（ 仲裁機制使其附著節(jié)點有訪問總線 [14黃瓜收獲機器人系統(tǒng)采用點多點的 上 位機和四個控制器是由聯(lián)合 數(shù)字信號處理器包含標準 制器和 發(fā)器。和一個 4 線接口的設計基于 線協(xié)議（ 它提供電源，接地和基礎兩個數(shù)據(jù)線（ 該接口的 。和上監(jiān)視電路板如圖 6所示。該的 用 1消息傳遞由 2 個字節(jié)的標識符， 1個字節(jié)的數(shù)據(jù)長度和 8字節(jié)的數(shù)據(jù)。消息以時間為 10毫秒內(nèi)透光根據(jù)收獲的要求。 實際申請專利。 圖 5接口電路的 線 圖 6上監(jiān)視電路板 6 – 1. 軟件設計的軌跡規(guī)劃黃瓜采摘機器人 上部顯示器具有管理職能和監(jiān)理的機器人系統(tǒng)，黃瓜目標位置和軌跡規(guī)劃。該方案設計采用了模塊化的構想，是由幾個子程序。圖 7 說明過程為黃瓜收獲機器人軌跡規(guī)劃。它包括如 瓜目標捕獲，逆運動學和軌跡規(guī)劃。 圖 7 流程圖的軌跡規(guī)劃 七．實驗和分析 為了驗證彈道精度規(guī)劃算法和 驗測量的實際位置的四個黃瓜收獲機器人的機械手的執(zhí)行關節(jié)與坐標測量機（ 法魯技術白金 量臂法團。作為世界上最 暢銷的便攜式測量臂，鉑 到 精度高達 實驗進行如下： 1）設置最終 置： 700 200 668 通過利用逆運動學，四個關節(jié)角度可以計算出來方程（ 6） ? （ 13）：θ 1 = θ 2 =，θ 3 =θ 4 =°。 2）對每一節(jié)理面與擺線軌 跡運動算法和發(fā)送郵件的計劃角通過 3）使用鉑 4）其他 9月底效應，重復（ 1） ? （ 3）步的位置。實驗結果列于表 2。 實驗結果表明，四個關節(jié)角度的綜合誤差不超過四度。對實驗誤差的可能原因是： （ 1）單關節(jié)控制精度為 0° ? 1 °，（ 2）機械結構錯誤，包括安裝和變形誤差 ;（ 3）最終沒有意識到效應閉環(huán)位置控制。相應的解決方案是：（ 1）添加一些補償算法，以提高單關節(jié)控制精度，（ 2）代替鋁用于 金制造的機械手，以減少機械誤差 ;（ 3）安裝在一 個小型攝像機最終效應，實現(xiàn)了閉環(huán)控制機械手。 表 2實驗結果對實際測量的位置機器人機械手的四個關節(jié) 理論值（度） 測量值（度） 八．結論 1)研究了果蔬采摘機器人運動學的黃瓜機械手使用 D – 向運動學 ,它提供了一個軌跡規(guī)劃的基礎 ,已經(jīng)解決了反變換技術。 2） 擺線運動，它的性質連續(xù)性，計算量小，速度為零并在有界區(qū)間的港口加速，是建議，作為可行的方法進行規(guī)劃，關節(jié)軌跡空間機器人的機械手。 3） 軟件和 線的硬件上位機之間的溝通和聯(lián)合控制器的設計。 4） 實驗結果表明 ,上面的顯示器 有四個共同控制器有效地溝通 摘要的 ,綜 合誤差四關節(jié)角均小 于四度。 承認： 這項工作是支持國家自然科學中國基金（ 50575206）和國家高技術研究與發(fā)展（ 863）中國項目方案（ 2007 九．參考文獻 【 1】唐秀英，張鐵忠。 機器人吃水果和蔬菜收獲的綜述 ：機器人， 2005,27 （ 1）： 90 【 2】 E. 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In to to be of so it be θ 2 + θ 3 +θ 4 = 0° 1), it be 3,4) of 4) 5) be 1 be 1, 4) 2, 4) of 4) 5) be be By 7): 7), θ 2, θ 3 be 5 in of is in to a of by to to as to be 0,11]. a of is to in of of of at of 2]. be 3]: be is T is a of in ). , it be is of ≤τ ≤ 1 of of t so it of i , on of of is of is on as as as of qi(f) of be of , 10, 12, 13). ) i q on be 6 of is an as be by up in a it D) as to to to 4 to of AN a 4is is . is . is 1a 0 ms to in of he of of is of of It of of n to of to of of As s is in .2 m .7 m of up as 1) of x = 700 200 668 By c