多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)——采摘手的設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS+仿真】
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濰坊學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)生物系統(tǒng)工程(2003)86(2)135-144 DOI:10.1016/S1537-5110(03)00133-8 AE自動(dòng)化與新興技術(shù)黃瓜采摘機(jī)器人的無(wú)碰撞規(guī)劃E.J.凡Henten J.海明; B.A.J.凡Tuijl; J.G.短號(hào);研究Bontsema溫室工程,農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所(IMAG BV公司),箱43,NL-6700機(jī)管局瓦赫寧根,荷蘭;電子郵件通訊作者:eldert.vanhenten wur.nl(2002年4月26日收到,2003年7月8號(hào)以修訂后的形式接受; 2003年8月29日在網(wǎng)上發(fā)表)在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院,對(duì)于黃瓜自動(dòng)收獲機(jī),其中最大的一個(gè)挑戰(zhàn)方面就是在采摘的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)一種快速精確的手眼協(xié)調(diào)的操作。這個(gè)程序包含兩個(gè)主要的組成部分。首先,采集信息機(jī)器人的工作環(huán)境,其次,一個(gè)程序可以讓機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)黃瓜產(chǎn)生無(wú)碰撞機(jī)械運(yùn)動(dòng)。這篇文章主要闡述了后者,無(wú)碰撞機(jī)械運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的所謂的路徑搜索算法。在這項(xiàng)研究中這個(gè)A-search算法被應(yīng)用著,用一些數(shù)值的例子對(duì)黃瓜收割應(yīng)用的搜索過(guò)程分析說(shuō)明。得出的結(jié)論是,無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)可以用于采摘黃瓜的機(jī)械手的自由度的計(jì)算。這個(gè)A-search算法非常易于實(shí)施和魯棒。當(dāng)找不到解決方案時(shí)這個(gè)算法要不產(chǎn)生一個(gè)解決方案要不就停止工作。這個(gè)有利的財(cái)產(chǎn)然而卻使算法過(guò)分的緩慢,結(jié)果表明這個(gè)算法不包括多智能的搜索過(guò)程。我們可以知道,為了滿足每10S為一個(gè)單一收獲循環(huán)的要求,還需要做進(jìn)一步的研究,去尋找發(fā)現(xiàn)快速的算法,使用盡可能多的關(guān)于這個(gè)問(wèn)題特定結(jié)構(gòu)的信息來(lái)產(chǎn)生解決方案,如果這個(gè)算法找不到解決方案并能給出明確的信息。1. 介紹1996年,農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院開(kāi)始研究自主的黃瓜采摘機(jī)器人的發(fā)展,這個(gè)項(xiàng)目是由荷蘭農(nóng)業(yè)部,食品和漁業(yè)部門支持的。為農(nóng)業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)機(jī)器人的任務(wù)所提出的議題不涉及其他行業(yè)(Gielinget al., 1996 ; Van Kollenburg-)。機(jī)器人必須處在一個(gè)高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中,在這里沒(méi)有兩個(gè)場(chǎng)景是一模一樣的。農(nóng)作物和水果都易于被機(jī)械損傷應(yīng)給小心處理。機(jī)器必須能夠在不利的條件下運(yùn)轉(zhuǎn),如相對(duì)較高的溫度和濕度以及光線變化的條件。最后,為了符合成本效益,就機(jī)器人采摘運(yùn)動(dòng)的速度和成功率而言,機(jī)器人需要滿足高的性能特點(diǎn)。在這個(gè)項(xiàng)目中這些具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題已經(jīng)被一個(gè)機(jī)械工程,傳感技術(shù)(計(jì)算機(jī)視覺(jué)等),系統(tǒng)和控制工程,電子、軟件工程,物流,最后但不是最少園藝工程分享的互動(dòng)的方式解決(Van Kollenburg-Crisan et al., 1997 ; Bontsema et al., 1999 ; Meuleman et al., 2000 )。自動(dòng)收割機(jī)的開(kāi)發(fā)研制中最具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一就是達(dá)到快速精確的手眼協(xié)調(diào)的,即達(dá)到機(jī)器人在采摘運(yùn)動(dòng)中感官信息的采集和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制之間的有效相互作用,就像人們做的那樣。在園藝實(shí)踐中,一個(gè)訓(xùn)練有素的工人只需要3-6S采摘和存儲(chǔ)一個(gè)水果,那種表現(xiàn)是很難被打敗的。幸運(yùn)的是,就機(jī)器人的采摘速度而言沒(méi)有必要達(dá)到那么高的性能特點(diǎn)。一項(xiàng)任務(wù)分析顯示,考慮經(jīng)濟(jì)可行性,一個(gè)單一采摘運(yùn)動(dòng)可能只需要10S (Bontsemaet al., 1999 )。仍然,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡可能快的同時(shí)防止機(jī)器手的碰撞,手和收獲水果作物,溫室結(jié)構(gòu)還有機(jī)器人自身的碰撞(如汽車視覺(jué)系統(tǒng))。在荷蘭,黃瓜生產(chǎn)設(shè)施,機(jī)器人運(yùn)行在一個(gè)非常緊張的工作環(huán)境中。最后,為了保證收獲果實(shí)的質(zhì)量,在運(yùn)動(dòng)路徑的各個(gè)部分對(duì)機(jī)械手的速度和加速度加以約束。為了達(dá)到理想的手眼協(xié)調(diào),一個(gè)人需要環(huán)境的感官信息的采集和算法去為機(jī)械手計(jì)算這種無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。正像Meuleman et al. (2000) 報(bào)道的那樣。在這個(gè)項(xiàng)目中感覺(jué)系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的。本文著重論述了收獲機(jī)的機(jī)械手的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)軌跡的快速生成。盡管有相當(dāng)大的研究工作花在自動(dòng)收集蔬菜水果方面,但是這個(gè)問(wèn)題在農(nóng)業(yè)工程研究中沒(méi)有引起人們極大的關(guān)注。(see e.g. Kondoet al., 1996 ; Hayashi& Sakaue, 1996 ; Arima & Kondo, 1999 )。本文概述如下,在第二節(jié)對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行了闡述,在第三節(jié),講述的是一個(gè)單一收獲操作的任務(wù)序列,然后,第四節(jié),表述的是無(wú)碰撞規(guī)劃的自動(dòng)算法的組成。為了能夠深入洞察算法的運(yùn)行,在第五節(jié)對(duì)該算法在第二級(jí)自由度的機(jī)械手上進(jìn)行了解釋說(shuō)明,第六節(jié)包含一個(gè)應(yīng)用于收獲機(jī)器人身上的six-DOF RV-E2三菱機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第七節(jié)包含結(jié)束語(yǔ)和對(duì)未來(lái)研究的建議。2采摘機(jī)器人 圖1.黃瓜收獲機(jī)器人的功能模型;(a)車輛;(b)廣角相機(jī);(c)七度的自由度機(jī)械手;(d)最終效應(yīng);(e)激光測(cè)距儀和攝像機(jī)的位置當(dāng)?shù)爻上?(f)計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品;(g)與220伏電源線卷軸;(h)氣動(dòng)泵;(i)供熱管 圖一中,一個(gè)采摘機(jī)器人的功能模型被展示出來(lái)。它包含一個(gè)用于溫室走道里的收獲機(jī)進(jìn)行粗定位的自主車輛。這車采用加熱管作為一個(gè)鐵路進(jìn)行指導(dǎo)和支持。它作為一個(gè)移動(dòng)平臺(tái)裝載電源、主動(dòng)泵、各種數(shù)據(jù)收集和控制的電子硬件、一個(gè)用于監(jiān)測(cè)和定位植物上黃瓜位置的廣角攝像系統(tǒng)和一個(gè)用于機(jī)械末端運(yùn)行器定位的七個(gè)自由度的機(jī)械手。這個(gè)機(jī)械手由安裝著六個(gè)自由度的Mitsubishi RV-E2機(jī)械手的滑動(dòng)線路構(gòu)成。這個(gè)RV-E2機(jī)械手包括一個(gè)人形的機(jī)械手臂和球形的手腕。這個(gè)機(jī)械手有個(gè)能夠抓去0.2毫米的穩(wěn)態(tài)精度并能夠在惡劣的溫室氣候(高濕度和高溫度)條件下滿足一般的衛(wèi)生的操作方面的要求。這個(gè)機(jī)械手裝有一個(gè)末端執(zhí)行器。它包括兩部分:一個(gè)爪抓住水果,另一個(gè)爪切割水果從植物上分離出來(lái)。這個(gè)末端執(zhí)行器帶有一個(gè)末端激光測(cè)距系統(tǒng)或一個(gè)小相機(jī)。他們是用來(lái)在黃瓜附近能夠更好地進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制而獲取感官信息的,如果需要的話。3.單一收割運(yùn)動(dòng)的任務(wù)序列圖2. 一個(gè)單一的收獲作業(yè)任務(wù)序列:3D,三維,TCP,工具中心點(diǎn)圖二展示的是一個(gè)單一的收獲運(yùn)動(dòng)的一個(gè)任務(wù)序列。在采摘操作中接近黃瓜被公認(rèn)為是一個(gè)兩階段的過(guò)程。首先,用安裝在車輛上的攝像系統(tǒng),黃瓜果實(shí)被檢測(cè)到他的成熟認(rèn)定和位置是不確定的。如果我們決定采摘黃瓜則低分辨率圖像的車載攝像機(jī)就用于定位機(jī)器人末端執(zhí)行器鄰近黃瓜附近這一帶。一旦末端執(zhí)行器抵達(dá)鄰近的黃瓜,然后利用末端執(zhí)行器上面的激光測(cè)距系統(tǒng)或攝像系統(tǒng)為最終的準(zhǔn)確的接近黃瓜獲得黃瓜定位環(huán)境的高分辨率的信息。末端執(zhí)行器緊握并消減果子的莖。夾持固定分離的水果最后收獲果實(shí)移動(dòng)到存儲(chǔ)箱。避障運(yùn)動(dòng)規(guī)劃將用于黃瓜的初步做法以及收獲黃瓜回程箱子,來(lái)保證,如機(jī)器人車輛本身的工作空間中的其他對(duì)象,但也源于,如果目前,葉片和溫室建設(shè)的部分都沒(méi)有命中。顯然,收獲的黃瓜,增加最終的效應(yīng),應(yīng)考慮在機(jī)械臂返回到存儲(chǔ)議案的大小。黃瓜的平均長(zhǎng)度為300mm。4.一個(gè)無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法圖3.無(wú)碰撞的自動(dòng)生成程序議案圖3顯示了一個(gè)程序,自動(dòng)生成赫爾曼(1986年)的工作基礎(chǔ)上的黃瓜采摘機(jī)器人無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)的組成部分。無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃依賴于三維(3D)機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)以及在機(jī)器人操作的工作區(qū)的信息。因此,在無(wú)碰撞機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的第一步是三維世界描述的收購(gòu)。這個(gè)描述是基于感官信息,如機(jī)器視覺(jué)以及先驗(yàn)知識(shí),例如,采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的三維結(jié)構(gòu),如三維模型,在數(shù)據(jù)庫(kù)中。有了這個(gè)信息,在任務(wù)定義階段,機(jī)器人的整體任務(wù)的計(jì)劃。決定最后的位置和方向的效應(yīng)最終結(jié)果中的黃瓜最好的方法。也定義在此階段的具體位置和方向約束等。在階段目標(biāo)的位置和方向的最終任務(wù)定義中定義的效應(yīng),逆運(yùn)動(dòng)學(xué),將目標(biāo)配置的manipulator.The目標(biāo)配置跨lated表示作為一個(gè)線性滑軌的翻譯和6的組合七自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。使用此信息的路徑規(guī)劃,路徑規(guī)劃,采用了搜索技術(shù)找到自由碰撞路徑,從開(kāi)始操縱其目標(biāo)配置配置。一旦已成功完成的無(wú)碰撞路徑規(guī)劃,軌跡規(guī)劃軌跡,可以轉(zhuǎn)換成的無(wú)碰撞路徑由機(jī)器人執(zhí)行。通常情況下,路徑規(guī)劃過(guò)程中,只有在太空中的無(wú)碰撞配置有關(guān),但沒(méi)有速度,加速度和運(yùn)動(dòng)平滑。軌跡規(guī)劃涉及這些因素。 thetrajectory策劃生產(chǎn)的機(jī)器人伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)命令。在執(zhí)行階段執(zhí)行這些命令。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃系統(tǒng)的一些部件將在更詳細(xì)地描述以下。4.1世界的描述(采集)Meulemanet在一份文件中描述的基于機(jī)器視覺(jué)的世界描述收購(gòu)的黃瓜采摘機(jī)器人(2000年)。視覺(jué)系統(tǒng)能夠偵測(cè)在綠色canopy.Moreover綠色黃瓜,視覺(jué)系統(tǒng)決定的黃瓜成熟。最后,利用立體視覺(jué)技術(shù)QUES,相機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)產(chǎn)生的工作空間內(nèi)的攝像頭的視角3D地圖。在這樣的機(jī)器人能夠處理工作面臨的環(huán)境與它的變異。圖6. 自由度的三菱RV-E2的操縱一個(gè)三維模型如上所述,先驗(yàn)知識(shí),例如,機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)所需的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。作為一個(gè)例子,圖4顯示了一個(gè)六自由度三菱RV-E2在MATLAB中實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的三維模型。機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)是由矩形和三角形構(gòu)造的多邊形表示。議案的戰(zhàn)略評(píng)估模型用于模擬期間,作為操縱機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃期間的工作空間中的結(jié)構(gòu)部件的碰撞檢測(cè)的基礎(chǔ)上。4.2逆運(yùn)動(dòng)學(xué) 逆機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)節(jié)角度的計(jì)算和翻譯,處理結(jié)果在所需的位置和方向,工具中心點(diǎn)(TCP)機(jī)器人(克雷格,1989年)。 TCP是一個(gè)預(yù)定義的endeffector點(diǎn)。對(duì)于六自由度三菱RV-E2的操縱范戴克(1999年)獲得了逆機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析解。七自由度機(jī)械手,即三菱RV-E2的機(jī)械臂安裝在一個(gè)線性滑軌,一個(gè)簡(jiǎn)單的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解不存在由于在運(yùn)動(dòng)鏈的固有冗余。最近獲得這種冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析數(shù)值混合溶液(申克,2000年)。由于成熟的黃瓜的立場(chǎng),該算法產(chǎn)生的七自由度機(jī)械臂的無(wú)碰撞收獲配置。此外,它可以保證關(guān)節(jié)黃瓜附近的精細(xì)運(yùn)動(dòng)控制有足夠的自由。4.3路徑規(guī)劃 無(wú)碰撞路徑規(guī)劃算法已被大量的研究對(duì)象。例如見(jiàn)latombe(1991)和黃和阿胡加(1992)概述。 一個(gè)無(wú)碰撞路徑規(guī)劃主要包括兩個(gè)重要組成部分:搜索算法和碰撞檢測(cè)算法。搜索算法的搜索空間探索一個(gè)可行的,即collisionfree,從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的議案。在搜查過(guò)程中,被選中的碰撞檢測(cè)算法在搜索空間的每一步的可行性。該算法檢查機(jī)器人的碰撞與機(jī)器人的工作空間中的其他結(jié)構(gòu)部件。重要的是要注意,對(duì)于大多數(shù)路徑規(guī)劃者的搜索空間是所謂的配置空間機(jī)器人,其中關(guān)鍵的是從不同的3D工作區(qū)機(jī)器人。在黃瓜收獲機(jī)的7自由度機(jī)械手的情況下,配置空間是由一個(gè)聯(lián)合翻譯和6個(gè)聯(lián)合旋轉(zhuǎn)組合橫跨七維空間。然后,從一開(kāi)始的位置和方向的工具中心點(diǎn)為無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和方向在三維工作空間癤的單點(diǎn)無(wú)碰撞通過(guò)的議案的搜索搜索七維配置從一開(kāi)始就配置目標(biāo)配置掩膜的空間。在這樣的運(yùn)動(dòng)鏈中的冗余問(wèn)題很容易規(guī)避。有一到一個(gè)映射的配置空間中的點(diǎn)的位置和方向,在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn)。然而,對(duì)于大多數(shù)的機(jī)器人,相反不成立。一個(gè)單一的位置和方向,在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn),然后可以復(fù)制機(jī)器人的多種配置。由于其獨(dú)特的代表性配置空間搜索是首選。然而,碰撞檢測(cè),需要說(shuō)明的身體姿勢(shì)操縱在與其他物體在三維工作空間的關(guān)系。因?yàn)槊總€(gè)配置代表一個(gè)單一的姿勢(shì)在三維工作空間的機(jī)械臂,可以很容易地驗(yàn)證碰撞。然后,特別是機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),工作空間的障礙可以被映射到配置空間的障礙將會(huì)顯示。4.3.1.搜索算法路徑搜索算法應(yīng)該是有效率的,如果存在的話,找到一個(gè)解決方案。后者的財(cái)產(chǎn)被稱為完整性(珍珠,1984年)。通常情況下,算法的完整性,保證不計(jì)算效率。然而,計(jì)算效率是至關(guān)重要的,當(dāng)上線的應(yīng)用程序需要。運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的各個(gè)方面取得的洞察力,在這項(xiàng)研究中,上述計(jì)算效率的青睞,該算法的完整性。這樣的選擇的主要原因是一個(gè)完整的算法將找到解決辦法,或停止使用一個(gè)明確定義的停止準(zhǔn)則,如果不能找到一個(gè)解決方案。這是不是真實(shí)的,不保證完整性的算法。他們要么提供一個(gè)解決方案或卡住,恕不另行通知。在本研究中所謂的A *搜索算法(明珠,1984年;近藤,1991年,羅素和Norvig還,1995年)。它很容易實(shí)現(xiàn)和保證完整性。此外,它最大限度地降低成本標(biāo)準(zhǔn),其中包括一個(gè)在搜索空間旅行距離的措施。該算法是在MATLABB實(shí)施圖5.在離散化的二維配置空間的正交節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展:S,起始節(jié)點(diǎn); G,目標(biāo)節(jié)點(diǎn)使用配置空間機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的A *算法,離散化使用一個(gè)固定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5。用戶可以定義網(wǎng)格的大小和分辨率。然后A *算法搜索從一開(kāi)始就格點(diǎn)的目標(biāo)格點(diǎn)的路徑,同時(shí)最大限度地降低成本函數(shù)f:此成本函數(shù)f包括路徑的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn);和樂(lè)觀的估計(jì)成本從目前的位置目標(biāo):在這項(xiàng)研究中,歐拉規(guī)范被用來(lái)作為樂(lè)觀的估計(jì)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成本。A *算法是既完整和優(yōu)化。最優(yōu)保證的路徑獲得最大限度地減少使用成本函數(shù)。.A *算法使用兩個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),開(kāi)放列表和封閉列表清單。開(kāi)放列表中包含了電網(wǎng)的成本函數(shù),其中尚未被評(píng)估,而評(píng)估已閉合的名單上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值的節(jié)點(diǎn)。這是假設(shè)的起點(diǎn)和目標(biāo),可以選擇配置,配合網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),在這些配置的密切鄰里。然后根據(jù)珍珠(1984),A *算法在網(wǎng)格如下操作節(jié)點(diǎn)。(1)放在開(kāi)放的起始節(jié)點(diǎn)S。(2)如果打開(kāi)是空的,則失敗退出,否則從關(guān)節(jié)點(diǎn)n FO其中f是最低的開(kāi)放和地點(diǎn)。(3)如果n等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G;成功退出追溯從n指針為S得到的解決方案:(4)否則擴(kuò)大N;生成所有其繼承人,并重視它們的指針回到N:對(duì)于每一個(gè)n的繼任者n:(a) 如果是尚未打開(kāi)或關(guān)閉,估計(jì)H(n)(樂(lè)觀的估計(jì)成本的最佳途徑,從n到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G),并計(jì)算F(n)= G(n)+ H(n)其中g(shù)(n)= G(N)+ C(N,n)C(N,n)從節(jié)點(diǎn)n的過(guò)渡成本,節(jié)點(diǎn)n和G(S)= 0(b)如果已經(jīng)打開(kāi)或關(guān)閉,直接收益率最低的G(1)道路沿線的指針;(c)如發(fā)現(xiàn)閉,1所需的指針調(diào)整和重新打開(kāi)它(5)轉(zhuǎn)到第2步。電網(wǎng)擴(kuò)張?jiān)诘?步,可以采取多種形式。在本研究中所謂的正交擴(kuò)充。這種方法是在圖5所示。圖5還說(shuō)明起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒(méi)有以配合實(shí)際的起點(diǎn)和目標(biāo)機(jī)器人的配置。在這種情況下,最近的鄰居節(jié)點(diǎn)被選中。在這個(gè)算法,停止準(zhǔn)則是非常明確的規(guī)定。如果在第3步,從開(kāi)放列表中刪除的節(jié)點(diǎn)等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn),算法停止。另外,該算法將停止在第2步如果所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估,并開(kāi)放列表已成為空。在這種情況下,沒(méi)有找到一個(gè)解決方案。路徑搜索過(guò)程中碰撞檢測(cè)的處理有兩種方式。首先,碰撞的配置可以通過(guò)掃描整個(gè)離散化配置空間的路徑搜索前確定。這將是在一個(gè)高維離散化的空間配置,具有很高的情況下計(jì)算昂貴決議電網(wǎng)。這將是更有效地評(píng)估在搜索過(guò)程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的可行性。也就是說(shuō),在節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展一步,第4步,碰撞檢測(cè)算法檢查是否與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的機(jī)器人配置與環(huán)境或不產(chǎn)生碰撞。由于A *算法通常計(jì)算只有一小部分配置空間,這將產(chǎn)生相當(dāng)大的改善效率。碰撞可以在步驟4a中提到的成本函數(shù)加入一個(gè)大型的罰款處罰。另外,在碰撞中產(chǎn)生的一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)可以直接從省略開(kāi)放期間電網(wǎng)的擴(kuò)張階段的名單。在這項(xiàng)研究中,后者的做法被使用。圖6.一個(gè)面向包圍盒模型的六個(gè)自由度的RV-E2的操縱4.3.2.碰撞檢測(cè)算法 碰撞檢測(cè)算法在MATLAB中實(shí)現(xiàn)根據(jù)報(bào)道由Boyse(1979年)的想法。該算法計(jì)算的交點(diǎn)在工作區(qū)中的其他結(jié)構(gòu)部件表面的機(jī)器人模型的表面。計(jì)算兩個(gè)曲面相交的本質(zhì)歸結(jié)為決定從幾何中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具,可以實(shí)現(xiàn)與其他表面的一個(gè)表面的邊緣相交。所有的一切,碰撞檢測(cè)是一項(xiàng)計(jì)算密集型的任務(wù)。因此,在實(shí)時(shí)應(yīng)用,如黃瓜機(jī)器人碰撞檢測(cè),需要碰撞檢測(cè)的精度和可用計(jì)算時(shí)間之間的權(quán)衡。精確的CAD模型圖。 4包含600個(gè)三角形和矩形表面。一因素15減少計(jì)算時(shí)間,實(shí)現(xiàn)了從所謂的面向邊界建立了一個(gè)不太準(zhǔn)確的模型代替精確的操縱模型盒(更新行動(dòng))。這種三維機(jī)械手的只有36個(gè)移動(dòng)的表面組成OBB的模型如圖6所示。顯然,一些與OBB的模型精度已提供計(jì)算速度的緣故。對(duì)于目前的調(diào)查,它被認(rèn)為是合理的。5例1:碰撞兩個(gè)度的自由操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)劃要說(shuō)明的方法,結(jié)果與兩兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)械臂的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。圖7(a)顯示了一個(gè)人為的溫室環(huán)境,其中方塊代表黃瓜莖的目標(biāo)是移動(dòng)的路徑(直打下了)操縱的工具中心點(diǎn)背后掛在黃瓜黃瓜冠捷干,沒(méi)有擊中任何黃瓜莖。這被認(rèn)為是黃瓜采摘過(guò)程中最困難的議案之一。5.1.結(jié)果為了說(shuō)明操作的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法,圖。 7(b)顯示相關(guān)的兩維的配置空間。一個(gè)離散化步驟五度使用。堅(jiān)實(shí)的黑色方塊,稱為配置的障礙,代表機(jī)器人和黃瓜干之間的碰撞產(chǎn)生的配置。由字母S表示開(kāi)始配置目標(biāo)配置是由字母G表示:他們代表的開(kāi)始姿勢(shì)和圖采摘姿態(tài)。 7(一)。路徑搜索的目標(biāo)是要找到一個(gè)起始節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)G之間的連接:觀察,首先,配置空間的地圖,揭示了真正復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的問(wèn)題,可能看起來(lái)瑣碎的工作空間中。其次,觀察,一條直路從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)碰撞的結(jié)果,并因此是不可行的。圖7(c)所示的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),記為*,A *算法的評(píng)估過(guò)程中向前搜索從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖所示的配置空間中的最優(yōu)路徑。如圖7(d)及相關(guān)的無(wú)碰撞機(jī)械臂在工作區(qū)的議案快照。 7(E)。觀察,在工作區(qū)中的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)的空間配置結(jié)果無(wú)碰撞的議案;機(jī)器人不會(huì)干擾與工作空間的障礙:黃瓜莖。最后,圖7(f)顯示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A *算法當(dāng)一個(gè)落后的搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的起始節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估。5.2.討論結(jié)果表明,在配置空間沸騰的路徑搜索,找到一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡,從一開(kāi)始就配置目標(biāo)配置。 圖7(c)和(F)清楚地表明,碰撞檢查接續(xù)OFA先驗(yàn)碰撞檢測(cè)路徑搜索過(guò)程中,由于A *算法,只有部分評(píng)估在配置空間網(wǎng)格點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。此外,研究結(jié)果表明,如果一個(gè)障礙之間開(kāi)始配置和位于目標(biāo)配置,大量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)找到了解決辦法之前,必須進(jìn)行評(píng)估。在這種情況下,A *算法不是很有效,在發(fā)現(xiàn)周圍的配置空間障礙的一種方式。障礙的情況下密切繞過(guò)一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn),一個(gè)落后的搜索可能會(huì)產(chǎn)生較少的解決方案由圖所示的計(jì)算時(shí)間。 7(F)。在這個(gè)例子中向后搜索向前搜索時(shí)取得117而不是146次迭代后的解決方案;減少20。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于兩者之間的障礙脊巷子盡頭,即使在較高的迭代次數(shù)減少使用向后搜索(結(jié)果未顯示)獲得。最好的搜索方向明確,取決于手頭的特定結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。這兩個(gè)圖。 7條(d)及(e)表明,以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑成本函數(shù)的意義,算法往往偷工減料,致使小機(jī)器人和障礙物之間的距離。要牢記這一特點(diǎn),在實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí),傳感器為基礎(chǔ)的世界描述數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確容易。然后可能會(huì)發(fā)生碰撞,不占在運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。最后,圖7(d)顯示,由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和正交擴(kuò)展的路徑搜索過(guò)程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn),運(yùn)動(dòng)路徑包含了一些尖角。這將導(dǎo)致強(qiáng)不必要的加速和減速的鏈接時(shí),在實(shí)踐中實(shí)施。在第4節(jié)的建議,為平滑軌跡規(guī)劃的議案等不良行為的來(lái)電。6例2:碰撞為6度的自由操縱運(yùn)動(dòng)規(guī)劃這一段演示六自由度三菱RV-E2的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)規(guī)劃方案。圖8(a)顯示了三維視圖六自由度機(jī)械手,在一個(gè)人為的溫室環(huán)境。再次,目標(biāo)是從路徑中的位置移動(dòng)機(jī)器人的工具中心點(diǎn)到黃瓜掛背后的黃瓜干,沒(méi)有擊中黃瓜TEMS代表由黑職位。圖7.黃瓜采摘在一個(gè)人為的溫室環(huán)境經(jīng)營(yíng)度自由操縱的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃:(a)開(kāi)始姿勢(shì)(直)和目標(biāo)姿態(tài)與機(jī)械臂的工作空間冠捷挑選黃瓜掛灰色正方形代表;(b)與代表的黑色區(qū)域配置中的碰撞和S的起點(diǎn)和目標(biāo)配置,分別代表配置空間;(c)配置空間由A采樣黃瓜干背后*算法在從一開(kāi)始向前搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn);(d)通過(guò)配置空間的無(wú)碰撞軌跡;(e)6,到操盤黃瓜的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)的快照;(f)配置A *算法在空間采樣,從向后搜索目標(biāo)的起始節(jié)點(diǎn)1和2是第一和第二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。6.1結(jié)果由于這個(gè)例子涉及一個(gè)六自由度機(jī)械手,執(zhí)行搜索,在六維的配置空間。這是不可能的可視化配置空間的無(wú)碰撞點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),是與前面的例子一樣。因此,只有通過(guò)工作區(qū)的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)的快照?qǐng)D。 8(一) - (F)。該議案涉及所有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。從本質(zhì)上講,黃瓜的議案,由兩部分組成。首先所有機(jī)器人向后傾斜,同時(shí)圍繞主垂直軸旋轉(zhuǎn),然后傾斜前鋒再次攜帶刀具中心點(diǎn)之間的黃瓜莖。其次,同時(shí),過(guò)去三年關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn),以便能夠定位在背后的黃瓜干黃瓜工具中心點(diǎn)。這樣做,黃瓜干規(guī)避。6.2討論結(jié)果表明,碰撞自由運(yùn)動(dòng)的六自由度機(jī)械手可以發(fā)現(xiàn)。據(jù)預(yù)計(jì),這一結(jié)果可以擴(kuò)展到七個(gè)自由度的機(jī)械手,在黃瓜采摘設(shè)備使用。然而,這個(gè)例子揭示了A *算法的弱點(diǎn)。對(duì)于正在審議的六自由度機(jī)械手,在六維的配置空間進(jìn)行搜索。然后,由于網(wǎng)格點(diǎn)的大量的,必須進(jìn)行評(píng)估,搜索變得過(guò)于緩慢。這部分是由于在MATLAB實(shí)現(xiàn)。該軟件包不是很有效時(shí),必須執(zhí)行大量的迭代。再次,結(jié)果表明:在運(yùn)動(dòng)軌跡的尖角。當(dāng)需要高速運(yùn)動(dòng),這些運(yùn)動(dòng)軌跡要平滑,以防止上機(jī)械臂鏈接的重載。黃瓜采摘機(jī)器人圖8.(a)-(f):六快照的無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)6自由度RV-E2的操縱掛在黃瓜背后黃瓜莖代表黑色垂直職位7.結(jié)論本文提出了一種方法,以達(dá)到適當(dāng)?shù)氖盅蹍f(xié)調(diào)的黃瓜收獲機(jī)器人在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所(IMAG BV)的開(kāi)發(fā)。本文提出了一個(gè)方案,是能夠生成機(jī)器人無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)。一些數(shù)值例子說(shuō)明了該方法和分析。本研究的主要結(jié)論是,無(wú)碰撞運(yùn)動(dòng)可以計(jì)算六度自由度(DOF),RV-E2的機(jī)械臂在收獲機(jī)使用。據(jù)預(yù)計(jì),這些結(jié)果可以擴(kuò)展到七自由度機(jī)械手,即RV-E2的操縱器線性滑軌安裝。被發(fā)現(xiàn)的A*搜索算法很容易實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的。通過(guò)這種方式,它提供了很多有識(shí)之士為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的具體問(wèn)題。此外,該算法的一個(gè)大優(yōu)勢(shì)是,它可以產(chǎn)生一個(gè)解決方案或停止時(shí),無(wú)法找到一個(gè)解決方案。該財(cái)產(chǎn)的完整性,但是,使得算法望而卻步緩慢。結(jié)果發(fā)現(xiàn),與本文中所描述的算法涉及的多自由度機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算是計(jì)算非常。至符合所需的周期時(shí)間的10秒為一個(gè)單一的收獲行動(dòng),需要進(jìn)一步研究,以減少議案所需的計(jì)算時(shí)間規(guī)劃。研究,可沿兩條線。首先,可以減少計(jì)算時(shí)間,通過(guò)使用特殊的計(jì)算機(jī)硬件,例如并行處理器。另外,同時(shí),減少計(jì)算可以通過(guò)使用更快和有效地實(shí)現(xiàn)的算法。此外,結(jié)果表明,該算法不包括許多情報(bào)。雖然它試圖產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)的目標(biāo),如果它只是配置遇到障礙樣品中的搜索空間網(wǎng)格解決方案,直到發(fā)現(xiàn)不使用有關(guān)的問(wèn)題,特別是結(jié)構(gòu)的信息點(diǎn)。因此,進(jìn)一步研究需要獲得快速算法,有效地利用有關(guān)的問(wèn)題,特別是結(jié)構(gòu)的信息,不卡,恕不另行通知。致謝這項(xiàng)工作是由荷蘭農(nóng)業(yè),食品和漁業(yè)部的支持。匿名介紹人的建設(shè)性意見(jiàn)表示感謝。參考文獻(xiàn)1Arima 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In: Proceedings of BIO-RO-BOTICS 97, The International Workshop on Robotics and Automated Machinery for Bio-productions, Valencia, Spain, pp 143148塔里木大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))中期檢查記錄表年 月 日學(xué)生姓名班級(jí)課題名稱課題完成進(jìn)度(學(xué)生自述)存在的問(wèn)題及整改措施(學(xué)生自述)指導(dǎo)教師意見(jiàn)(課題進(jìn)展情況、優(yōu)缺點(diǎn)、整改措施等)指導(dǎo)教師簽名 年 月 日學(xué)院意見(jiàn)負(fù)責(zé)人簽名 年 月 日塔里木大學(xué)畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))任務(wù)書學(xué)院機(jī)械電氣化工程學(xué)院班級(jí)機(jī)械設(shè)計(jì)12-1學(xué)生姓名學(xué)號(hào)課題名稱多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)采摘手的設(shè)計(jì)起止時(shí)間 2012年3 月 1日2012 年 5月 28日(共 14 周)指導(dǎo)教師職稱講師課題內(nèi)容根據(jù)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)械手的設(shè)計(jì)資料,設(shè)計(jì)一款適合采摘果實(shí)的自動(dòng)化機(jī)械裝置,要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,功能使用,操作性能好。具體要求如下:1.設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu),要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有三個(gè)手指的仿人機(jī)械手外形,每個(gè)手指具有二個(gè)關(guān)節(jié)。2.繪制二維裝配圖和零件圖。3.選擇合適的動(dòng)力配置和控制部件,能對(duì)手指進(jìn)行簡(jiǎn)單地抓取操作。4.要求利用Solidworks繪制三維圖,完成運(yùn)動(dòng)仿真。擬定工作進(jìn)度(以周為單位)第12周 查閱相關(guān)文獻(xiàn),撰寫開(kāi)題報(bào)告。第34周 根據(jù)現(xiàn)有的機(jī)械手的設(shè)計(jì)確定采摘手的設(shè)計(jì)方案。第56周 根據(jù)工作要求,計(jì)算并查閱相關(guān)手冊(cè),選擇和設(shè)計(jì)各零部件。第79周 運(yùn)用AutoCAD軟件,繪制二維零件圖和裝配圖。第1011周 運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件完成整機(jī)各零部件的三維建模并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。第12周 從工藝性能,經(jīng)濟(jì)性能,實(shí)用性能等方面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、校核、修正。第13周 完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書。第14周 整理材料,準(zhǔn)備答辯。主要參考文獻(xiàn)1蔡自興. 機(jī)器人學(xué) M . 北京: 清華大學(xué)出版社, 20002李剛俊, 陳永. 機(jī)器人的三維運(yùn)動(dòng)仿真 J . 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào),2002, 37( 3 ) : 273 -276.3陳幼平,馬志艷,袁楚明,周祖德. 六自由度機(jī)械手三維運(yùn)動(dòng)仿真研究 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言隨著電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展、農(nóng)業(yè)高新科技的應(yīng)用和推廣,農(nóng)業(yè)機(jī)器人已逐步進(jìn)入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中,并將促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備機(jī)械化、生產(chǎn)智能化的方向發(fā)展。果蔬采摘是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)要求高的一個(gè)重要環(huán)節(jié),研究和開(kāi)發(fā)果蔬采摘的智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)于解放勞動(dòng)力、提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、保證新鮮果蔬品質(zhì),以及滿足作物生長(zhǎng)的實(shí)時(shí)性要求等方面都有著重要的意義。工業(yè)領(lǐng)域是機(jī)器人技術(shù)的傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域,目前已經(jīng)得到了相當(dāng)成熟的應(yīng)用; 而采摘機(jī)器人工作在高度非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜環(huán)境下,作業(yè)對(duì)象是有生命力的新鮮水果或蔬菜。同工業(yè)機(jī)器人相比,采摘機(jī)器人具有以下的特點(diǎn): 作業(yè)對(duì)象嬌嫩、形狀復(fù)雜且個(gè)體狀況之間的差異性大,需要從機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器、控制系統(tǒng)等方面加以協(xié)調(diào)和控制; 采摘對(duì)象具有隨機(jī)分布性,大多被樹(shù)葉、樹(shù)枝等掩蓋,增大了機(jī)器人視覺(jué)定位難度,使得采摘速度和成功率降低,同時(shí)對(duì)機(jī)械手的避障提出了更高的要求; 采摘機(jī)器人工作在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境下,環(huán)境條件隨著季節(jié)、天氣的變化而發(fā)生變化,環(huán)境信息完全是未知的、開(kāi)放的,要求機(jī)器人在視覺(jué)、知識(shí)推理和判斷等方面有相當(dāng)高的智能; 采摘對(duì)象是有生命的、脆弱的生物體,要求在采摘過(guò)程中對(duì)果實(shí)無(wú)任何損傷,從而需要機(jī)器人的末端執(zhí)行器具有柔順性和靈巧性; 高智能導(dǎo)致高成本,農(nóng)民或農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)者無(wú)法接受,并且采摘機(jī)器人的使用具有短時(shí)間、季節(jié)性、利用率不高的缺點(diǎn),是限制采摘機(jī)器人推廣使用的重要因素; 果蔬采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民,不是具有機(jī)電知識(shí)的工程師,因此要求果蔬采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單、界面友好的特點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)要求,主要針對(duì)機(jī)械手部分進(jìn)行機(jī)械方面的設(shè)計(jì)。由于設(shè)計(jì)者水平有限,本設(shè)計(jì)中難免有誤漏欠妥之處,懇請(qǐng)老師們批評(píng)指正。 12 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)多臂采摘機(jī)器人的初步設(shè)計(jì)采摘手的設(shè)計(jì)學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 所屬學(xué)院 機(jī)械電氣化工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí) 12-1 指導(dǎo)教師 日 期 2012.5 塔里木大學(xué)教務(wù)處制多臂采摘機(jī)器人采摘手的設(shè)計(jì)摘 要:近年來(lái),農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)?;?、多樣化、精確化方向發(fā)展,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的成本迅速上升,勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象日趨明顯,農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注。但是,由于采摘對(duì)象的復(fù)雜性和工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化,目前國(guó)內(nèi)的采摘自動(dòng)化程度仍然很低,尤其是采摘機(jī)器人的關(guān)健部位機(jī)械手,其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制繁瑣等因素,造成工作效率低、生產(chǎn)成本較高,故不能在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到普遍的適用。所以對(duì)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及控制研究對(duì)于今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有深遠(yuǎn)意義。關(guān)鍵詞:采摘機(jī)械手;抓持采摘 0 引言21 世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要時(shí)期。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的規(guī)?;?、多樣化和精確化,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)要求逐漸提高,許多作業(yè)項(xiàng)目(如蔬菜和水果的挑選與采摘、蔬菜的嫁接等)都是勞動(dòng)密集型工作,再加上時(shí)令的要求,保證作業(yè)質(zhì)量成為關(guān)鍵問(wèn)題;同時(shí),工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速,農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力將逐漸向社會(huì)其他產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移;隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應(yīng)提高,這樣大大降低了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。果品采摘作業(yè)是水果生產(chǎn)鏈中最耗時(shí)、最費(fèi)力的一個(gè)環(huán)節(jié)。采摘作業(yè)季節(jié)性強(qiáng)、勞動(dòng)強(qiáng)度大、費(fèi)用高,因此保證果實(shí)適時(shí)采收、降低收獲作業(yè)費(fèi)用是農(nóng)業(yè)增收的重要途徑。由于采摘作業(yè)的復(fù)雜性,采摘自動(dòng)化程度仍然很低。目前,國(guó)內(nèi)水果采摘作業(yè)基本上都是人工進(jìn)行, 其費(fèi)用約占成本的50%70%,并且時(shí)間較為集中。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型,其作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)采收,因而具有很大發(fā)展?jié)摿Α? 采摘機(jī)器人的特點(diǎn)(1)采摘機(jī)器人主要工作在非結(jié)構(gòu)化的開(kāi)放環(huán)境下,環(huán)境條件受季節(jié)和天氣的影響較大,因采摘機(jī)器人應(yīng)具有高水平的智能控制系統(tǒng);(2)采摘機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象表皮組織柔軟、易損傷,由此決定了采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器應(yīng)具柔軟性,避免碰傷果實(shí);(3)果實(shí)生長(zhǎng)位置的隨機(jī)性、個(gè)體形狀的差異性和成熟期的不一致性等,增加了機(jī)器人的視覺(jué)定位的難度。(4)采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)應(yīng)在考慮栽培方式的基礎(chǔ)上使果實(shí)處于其作業(yè)空間內(nèi),并且能避免莖稈、葉子等障礙物,準(zhǔn)確抓取到果實(shí),這就要求機(jī)械手具有一定的避障能力,必要時(shí)可考慮采用冗余度機(jī)械手,但自由度多難于控制;(5)采摘機(jī)器人的操作者是農(nóng)民,因此要求機(jī)器人具有操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn),另外還應(yīng)在保證高可靠性的前提下有更低的價(jià)位2機(jī)械手機(jī)械手又稱操作機(jī),是指具有和人手臂相似的動(dòng)作功能,并使工作對(duì)象能在空間內(nèi)移動(dòng)的機(jī)械裝置,是機(jī)器人賴以完成工作任務(wù)的實(shí)體。在采摘機(jī)器人中,機(jī)械手的主要任務(wù)就是將末端執(zhí)行器移動(dòng)到可以采摘的目標(biāo)果實(shí)所處的位置,其工作空間要求機(jī)器人能夠達(dá)到任何一個(gè)目標(biāo)果實(shí)。機(jī)械手一般可分為直角坐標(biāo)、圓柱坐標(biāo)、極坐標(biāo)、球坐標(biāo)和多關(guān)節(jié)等多種類型。多關(guān)節(jié)機(jī)械手又稱為擬人( 類人) 機(jī)器人,相比其它結(jié)構(gòu)比較起來(lái),要求更加靈活和方便。機(jī)械手的自由度是衡量機(jī)器人性能的重要指標(biāo)之一,它直接決定了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)靈活性和控制的復(fù)雜性。2.1工業(yè)機(jī)械手工業(yè)機(jī)械手發(fā)展比較迅速,多指手出現(xiàn)在20世紀(jì)80年代,其中最具有代表性的是stanford/JPL三指手(如圖2-7)和Utah/MIT四指手(圖2-8 )。Salisbury于1982年設(shè)計(jì)的Stanford/JPL手是當(dāng)時(shí)乃至現(xiàn)在都很具有代表性的三指手,它首次引入了模塊化設(shè)計(jì)方法,并模仿人手的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)布置手指的相對(duì)位置,具有9個(gè)自由度。StanfordlJPL手對(duì)多指手的貢獻(xiàn)不僅僅在于多關(guān)節(jié)、多自由度的模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),更重要的是它首次完整引入了位置、觸覺(jué)、力等傳感器系統(tǒng),從而開(kāi)始了多指手對(duì)外部環(huán)境的感知時(shí)代,并開(kāi)創(chuàng)了多指手實(shí)際抓取操作的先河。圖2-7 StanfordlJPLS手 圖2-8 Utah/MIT手1998年德國(guó)研制的DLR- I多指手實(shí)現(xiàn)了當(dāng)自由度的數(shù)目超過(guò)某個(gè)值時(shí),把所有的驅(qū)動(dòng)器和電路完全集成在手指、手掌或手腕里,被公認(rèn)為是當(dāng)時(shí)世界上最復(fù)雜、智能化和集成度最高的靈巧手,如圖2-9。1999年由美國(guó)宇航中心(NASA)研制的Robonaut手,如圖2-10是一種面向國(guó)際空間站應(yīng)用的多指手,其目的是為了在危險(xiǎn)的太空環(huán)境中代替人進(jìn)行艙外操作。 圖2-9DLR手 圖2-10 NASA Robonaut手從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始,我國(guó)的很多研究機(jī)構(gòu)相繼開(kāi)展了多指手的研究工作,其中北京航空航天大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在這方面的研究很具代表性。北航對(duì)多指手的研究開(kāi)展較早,并于1993年首先研制了我國(guó)第一只三指手,然后在此基礎(chǔ)上不斷改進(jìn),先后研制了BUAA- II , BUAA-III三指手和BUAA四指手。哈工大在HIT I多指手的研究基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的改進(jìn),研制了HIT/DLR多指手。如圖2-11和圖2-12圖2一11 HIT I手 圖2一12HIT/DLR多指手 2.2農(nóng)業(yè)機(jī)械手農(nóng)業(yè)上最早研制的機(jī)械手為SDOF番茄收獲機(jī)械手(Noboru Kawamura eta1,1984) 機(jī)械手與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械完全不同,它是由許多桿件組成的空間開(kāi)式鏈機(jī)構(gòu),具有較采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究大的靈活性,但是不適合處理重量大的物體,否則會(huì)出現(xiàn)負(fù)載過(guò)重的問(wèn)題。桿件越多,機(jī)械手身的重量越大,尤其用于像西瓜、甜瓜等較人果實(shí)收獲與運(yùn)輸時(shí),機(jī)械手設(shè)計(jì)必須從組成結(jié)構(gòu)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)方面使其承受較大的負(fù)載重量。 機(jī)械手的控制有點(diǎn)位控制(PTP)和連續(xù)軌跡(CP)控制兩種類型。PTP控制主要用于在機(jī)械手初始位置和目標(biāo)點(diǎn)之間不存在障礙物的情況,此時(shí)不必考慮運(yùn)動(dòng)路徑,其路徑也是不可預(yù)測(cè)的。有時(shí)由于莖葉等障礙物的存在,必須通過(guò)控制其電機(jī)速度和預(yù)定運(yùn)動(dòng)軌跡到達(dá)目標(biāo)位置,進(jìn)行CP控制。 末端執(zhí)行器安裝在機(jī)械手的末端,其功能類似于人手,是直接與目標(biāo)物體接觸的部件。在末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)之前,不僅需要研究工作對(duì)象的物理特性(物體大小、體積、形狀、重量)和機(jī)械特性(young、模量、泊松比、粘性、摩擦阻力、剪切阻力等),還包括電特性和光學(xué)特性以及生物學(xué)特性和化學(xué)特性等。 末端執(zhí)行器的形式主要有吸盤式(真空式吸盤、噴射式負(fù)壓吸盤、擴(kuò)散式負(fù)壓吸盤、擠壓排氣式吸盤、電磁式吸盤等)、針式、噴嘴式、杯狀、多關(guān)節(jié)手爪式、順應(yīng)型指結(jié)構(gòu)等,通常是末端執(zhí)行器都是專用的(N. Kondo, 1998) 末端執(zhí)行器所需的重要傳感器主要有觸覺(jué)傳感器和接近傳感器。觸覺(jué)傳感器包括接觸傳感器、壓力傳感器和滑覺(jué)傳感器.接近傳感器通常用來(lái)獲得位置信息,識(shí)別物體的存在,避障,測(cè)量物體的形狀,補(bǔ)償位置傳感器的誤差等。 在完成抓取動(dòng)作后,末端執(zhí)行器還需要將果實(shí)與果柄分離。分離方式為切斷或擰斷。在條件允許的情況下,應(yīng)盡量采用剪斷果柄而不是擰斷果柄的方式,避免擰斷時(shí)給果蔬表面造成傷口,導(dǎo)致病菌侵入使果實(shí)腐爛,例如桃、李、杏的采摘都要求留有果柄。但對(duì)于某些束狀生長(zhǎng)、果柄較短的果實(shí),采用剪斷的方式比較困難。 末端執(zhí)行器中手指和關(guān)節(jié)的數(shù)量與抓取效果密切相關(guān),數(shù)量越多,末端執(zhí)行器的自由度就越多,抓取動(dòng)作更為靈活,抓取效果更好。但大多數(shù)的靈巧手系統(tǒng)復(fù)雜,成本高,通用性差,仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段,更難以運(yùn)用到農(nóng)業(yè)工程實(shí)踐之中。如何協(xié)調(diào)末端執(zhí)行器的通用性、靈活性和成本之間的矛盾,是果蔬采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器研究發(fā)展的方向。3機(jī)械手的設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)方案果蔬采摘機(jī)器人的機(jī)械手直接接觸工作對(duì)象。為了避免碰傷果實(shí),多數(shù)收獲機(jī)器人的手指內(nèi)側(cè)接觸果實(shí)的部位采用橡膠和尼龍材料。由于果實(shí)的外形有圓形、近似方形、近似長(zhǎng)方形等,所以末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮手指數(shù)量、手指關(guān)節(jié)數(shù)量、尺寸方式等問(wèn)題。3.2手指數(shù)量 果實(shí)的外形有規(guī)則的和不規(guī)則的。對(duì)于規(guī)則的小型果實(shí),多數(shù)收獲機(jī)器人采用帶有吸盤的2個(gè)直手指的末端執(zhí)行器直接抓取果實(shí)。相對(duì)2個(gè)手指,3個(gè)手指的收獲機(jī)器人也有一些研究,抓取果實(shí)的穩(wěn)固更好。而采用具有4個(gè)手指和一個(gè)吸盤的西紅柿收獲機(jī)器人,效果更好,但難于控制。對(duì)于大型的果實(shí),雖然外形規(guī)則,但用2個(gè)手指顯然不行。西瓜收獲機(jī)器人中采用4個(gè)帶有橡膠的手指,指尖的滑輪沿西瓜表面向下滑動(dòng),利用橡膠與西瓜的摩擦力抓住果實(shí)。此外,還有一些特殊的手指,梳子式龍?zhí)资种缚梢詫⒐麑?shí)與相臨的果實(shí)分開(kāi)。 手指的數(shù)量和形狀與果實(shí)的外形密切相關(guān),一般數(shù)量越多,抓取效果越好,但控制也越難,應(yīng)在手指數(shù)量、控制難度和抓取成功率之間找到平衡點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求選取3個(gè)手指最為合適。3.3手指關(guān)節(jié)數(shù)量對(duì)于多數(shù)形狀規(guī)則的果實(shí),多數(shù)收獲機(jī)器人采用1個(gè)關(guān)節(jié)的手指。對(duì)于類人的柔性手指,由于材料和控制比較困難,研究成果不多。夏柑收獲機(jī)器人的柔性手指,手指的指尖通過(guò)細(xì)軟鋼絲與人工肌肉相連,當(dāng)人工肌肉產(chǎn)生收縮力時(shí),鋼絲產(chǎn)生拉力使指尖能夠柔和地彎曲。西紅柿收獲機(jī)器人有4個(gè)具有4個(gè)關(guān)節(jié)的手指,通過(guò)控制纜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究繩的伸縮,使手指彎曲成不同的形狀。對(duì)于不同的果實(shí),控制鋼絲繩的拉力、拉動(dòng)的距離、人工肌肉的收縮力等的控制都比較難。鑒于關(guān)節(jié)的控制比較難,和設(shè)計(jì)要求考慮采用兩個(gè)關(guān)節(jié)的手指。3.4尺寸的設(shè)定機(jī)械手的結(jié)構(gòu)尺寸可以參考人類手指的長(zhǎng)度比例,并加以適當(dāng)放大或縮小,或根據(jù)所設(shè)計(jì)的多指靈巧手的使用場(chǎng)合作適當(dāng)?shù)某叽缯{(diào)整。通過(guò)對(duì)某學(xué)校的青年學(xué)生的手指長(zhǎng)度的測(cè)量,得到了如表1所示的結(jié)果。表1-1和表1-2中所列出的人手的各關(guān)節(jié)(如圖3-1)長(zhǎng)度尺寸值可以作為設(shè)計(jì)多指靈巧手的手指長(zhǎng)度的參考。圖3-1擬人手指簡(jiǎn)圖4其他零件的設(shè)計(jì) 4.1手掌的設(shè)計(jì)為了使手指能在手掌上旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形成不同的角度,將手掌底座設(shè)計(jì)成圓盤型如圖4-1所示。掌心則是長(zhǎng)方形。兩邊形成圓角便于手指的旋轉(zhuǎn)如圖4-2圖 4-1手掌底座 圖 4-2掌心4.2手指底座采摘手就兩個(gè)指節(jié),要完成在手掌上的旋轉(zhuǎn)需要有個(gè)連接底座。一是支撐手指,二是完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)其結(jié)構(gòu)如圖4-3所示 圖 4-3手指底座在手指底座的左端連接在手掌上,并由異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。在右邊的結(jié)構(gòu)中來(lái)連接第一個(gè)關(guān)節(jié),并安裝微型電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)使手指完成抓取運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-4圖4-4內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.3第一個(gè)指節(jié)第一個(gè)指節(jié)長(zhǎng)55mm,寬22mm。通過(guò)一個(gè)連接件與手指底座的傳動(dòng)軸過(guò)度連接,從而帶動(dòng)手指的轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)在一手指內(nèi)也裝有一個(gè)異步電機(jī),來(lái)傳動(dòng)第二個(gè)手指轉(zhuǎn)動(dòng)。連接件如圖5-5,手指零件如圖4-6,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-7圖4-5連接件圖4-6手指一零件圖 4-7內(nèi)部結(jié)構(gòu)4.4第二個(gè)指節(jié)第二個(gè)指節(jié)長(zhǎng)40mm,它的動(dòng)力來(lái)源是第一個(gè)指節(jié)上的電機(jī)。根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論,人手在自然狀態(tài)下手指成彎曲狀態(tài),當(dāng)手掌繃緊時(shí)指尖也與手掌自然形成一定角度。通過(guò)測(cè)量這個(gè)角度平均在之間。所以在設(shè)計(jì)中第二個(gè)指節(jié)與第一個(gè)指節(jié)通過(guò)連接件連接時(shí)的起始位置就形成一個(gè)角。連接件和指節(jié)二如圖5-8和5-9所示,手指總裝配如圖4-10所示。圖 4-8連接件圖 4-9指節(jié)二圖 4-10手指總裝配圖5工作形態(tài)因?yàn)楣叩男螒B(tài)各有不同,采摘機(jī)械手可以變換手指位置對(duì)不同形狀的果蔬進(jìn)行抓去任務(wù)。通過(guò)Solidworks建模進(jìn)行間隙驗(yàn)證推算抓取范圍。下面對(duì)主要的三種形態(tài)進(jìn)行分析。5.1形態(tài)一三指并攏狀態(tài)如圖7-2所示,最小抓取直徑為16.5mm,最大抓取直徑為60mm,長(zhǎng)度大于80mm的棒狀物體,如黃瓜之類的果蔬最佳,抓取狀態(tài)如圖5-3和5-4所示。 圖5-2形態(tài)一圖5-3最小抓取形態(tài) 圖5-4最大抓取形態(tài)5.2形態(tài)二形態(tài)二如圖5-5所示三指互成120,在這種狀態(tài)抓取球狀物體最為穩(wěn)定。抓取范圍為直徑在70100mm之間球體。抓取形態(tài)如圖5-6和5-7所示。圖5-5形態(tài)二圖5-6最小抓取 圖5-7最大抓取5.3形態(tài)三形態(tài)三如圖5-8所示,兩個(gè)活動(dòng)手指平行達(dá)與固定手指對(duì)立相比形態(tài)一抓取做大直徑為95mm。如圖5-9所示 圖5-8形態(tài)三 圖5-9最大抓取6結(jié)束語(yǔ)目前,大部分果蔬采摘機(jī)器人還處于研究階段,離實(shí)用化和商品化還有一定的距離。在采摘機(jī)器人的智能化果實(shí)識(shí)別和定位、機(jī)械本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、開(kāi)放式的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)等方面有待進(jìn)一步的研究。隨著農(nóng)業(yè)工廠化經(jīng)營(yíng)模式的推廣和采摘機(jī)器人成本的降低,相信采摘機(jī)器人最終會(huì)走出實(shí)驗(yàn)室,實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用,推動(dòng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)向著裝備技術(shù)精細(xì)化、自動(dòng)化、智能化方向的發(fā)展。參考文獻(xiàn)1 吳宗澤,羅盛國(guó).機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè).3版.北京:高等教育出版社2006.5.2 濮良貴,紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì).8版.北京:高等教育出版社,2006.5.3 毛謙德,李振清.袖珍機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè).2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002.4 孫桓,陳作模,葛文杰.機(jī)械原理.7版.北京:高等教育出版社,2006.5. 5 梁喜鳳.番茄收獲機(jī)械手機(jī)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)研究D.杭州:浙江大學(xué),2004.6 陳利兵.草茍收獲機(jī)器人采摘系統(tǒng)研究D.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2005.7 方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展J.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004(2):273-278.8 陸懷民,林木球果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(6):52-58.9 梁喜鳳,苗香雯,崔紹榮,等.果實(shí)采摘機(jī)械手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與工作性能分析J.農(nóng)機(jī)研究所,2004(2):133-13610 殷際平,何廣平.關(guān)節(jié)型機(jī)器人M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003RESEARCH ON DESIGN AND CONTROL OF HARVESTING MANIPULATORAbstract:Recently, the development of agriculture is heading to mass production,diversification and precision. The cost of labor force is getting higher, and the phenomenon of lack of labor force is getting obvious. Therefore, more and more people pay attention to the research on a幼culture robot. But the roboticized level of picking is still very low now in homeland because of the complicated object and non-structural working environment. Especially, the structure of manipulator that is the key part of harvesting robot is complicated and it is very difficult to control, which causes low in the production efficiency and high in the production cost. Therefore it is not likely to adapt this manipulator widely in agriculture. It is very important to do much research on the design and control of apple harvesting manipulator for the future agriculture.Key words:harvesting manipulator; grasping and picking
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