苹果采摘机器人的设计与研究

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1、分类号 UDC 密级 学号2150220055 硕士学位论文硕士学位论文 苹果采摘机器人的设计与研究苹果采摘机器人的设计与研究 刘鹏莉刘鹏莉 学学 科科 门门 类：类：工学工学 学学 科科 名名 称：称：机械设计及理论机械设计及理论 指指 导导 教教 师：师：郗向儒教授郗向儒教授 申申 请请 日日 期：期：2018 年年 4 月月 苹果采摘机器人的设计与研究刘鹏莉西安理工大学 西安理工大学硕士学位论文 II 西安理工大学硕士学位论文 II calculated.Based on Matlab/Simulink and Adams software, a joint simulation sys

2、tem of the manipulator is set up, and the ideal and actual angular displacement curves are compared. The motion of the first joint is relatively stable, which is in good agreement with the ideal curve, indicating the robustness of the control algorithm, the tracking effect and the adaptive ability.

3、Second, the actual angle displacement curves of the three passes have a certain fluctuation and the tracking effect is general. Key words:apple picking robot；underactuated；the end effector；the shear mechanism；the adaptive PD control method 目录 I 目录 1 绪论绪论.1 1.1 课题研究意义.1 1.2 国内外研究进展.1 1.3 本文研究内容.4 2 机

4、械臂的设计与分析机械臂的设计与分析. 5 2.1 机械臂的设计指标.5 2.2 机械臂的参数选择.5 2.3 机械臂工作空间分析.6 2.3.1 机械臂运动学模型的建立.6 2.3.2 机械臂运动学正解分析.8 2.4 机械臂工作空间仿真分析及优化.9 2.4.1 机械臂工作空间的仿真.9 2.4.2 基于工作空间的机械臂优化.12 2.4.3 驱动系统的分析与设计.15 2.5 本章小结.16 3 末端执行器的设计与分析末端执行器的设计与分析. 17 3.1 苹果特性分析.17 3.1.1 苹果几何特性及质量.17 3.1.2 夹持力分析.17 3.1.3 苹果三维模型的建立.17 3.2

5、夹持机构的设计.18 3.2.1 手指材料的选取.18 3.2.2 建立机构三维模型.19 3.2.3 扭簧的选取.20 3.3 收集装置设计.22 3.4 有限元分析.23 3.4.1 夹持物的静力学分析.23 3.4.2 各手指静力学分析.27 3.5 手指工作空间分析.28 3.6 末端执行器的运动学仿真.29 3.7 本章小结.31 4 剪切机构的设计与分析剪切机构的设计与分析. 33 4.1 果柄分离方式.33 西安理工大学硕士学位论文 II 4.2 剪切机构三维模型建立.33 4.3 剪切机构的驱动系统.34 4.4 运动学仿真.36 4.5 本章小结.38 5 三关节机械臂控制三

6、关节机械臂控制系统的联合仿真系统的联合仿真. 39 5.1 机械臂控制方法的选定.39 5.1.1 控制方法分析.39 5.1.2 控制方法确定.40 5.2 机械臂的动态方程的建立.41 5.2.1 拉格朗日动力学模型的建立.41 5.2.2 各杆件的广义力.43 5.3 机械臂联合仿真系统的建立.46 5.3.1 联合仿真方法.46 5.3.2 虚拟样机的建立.46 5.3.3 虚拟样机的交互变量的设定.48 5.3.4 联合仿真系统设定及分析.50 5.3.5 联合仿真结果分析.53 5.4 本章总结.53 6 总结与展望总结与展望.55 6.1 总结.55 6.2 展望.55 致谢致谢

7、.57 参考文献参考文献.59 硕士学位期间发表的论文及获得荣誉硕士学位期间发表的论文及获得荣誉. 63 第一章 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 课题研究意义课题研究意义 随着工业的快速发展，全国各地面临着人口老龄化的问题。这一严峻问题，使得劳 动力的获取变得艰难。在果蔬采摘中，一般都是由人进行采摘的，但是在人工进行采摘 的过程中，仅靠人是完成不了的，必须借助一些辅助工具。所以，果蔬的采摘是最消耗 时间、最费人力，并存在危险的一个环节。随着人们生活水平的提高和科技的发展，人 们想要寻找一种工具来取代这种劳动力，于是，农业釆摘机器人也就由此诞生了。该釆 摘机器人对于农业未来的发展方向和农民的收入

8、情况，起着至关重要的作用，而作为农 业经济作物的果蔬，由于其在农业中有着重要的位置，因此，对果蔬采摘机器人的研究 必不可少。 果蔬采摘机器人主要包括三大部分：执行系统、驱动系统和控制系统。其中，执行 系统包括机械臂、末端执行器、移动平台；驱动系统包括电机、液压、气动驱动；控制 系统包括视觉系统、触觉系统、传感系统等。整体设计过程相对来说，较为复杂，因此， 在设计与研究果蔬采摘机器人时，主要来考虑一下四方面因素： （1）周围的环境会对采摘工作产生影响。例如气候变化、天气状况，它们都是无法 预测的，因此，对果蔬采摘机器人的控制系统要求很高。 （2）在采摘的过程中，果蔬质量的保证是至关重要的。除了自

9、然环境外，还有其他 因素影响果蔬的质量。 在人对果蔬采摘的过程中，手掌对果蔬的夹持力、手指对果蔬果梗的扭断力、果蔬 放到框子里的力度等，都需要人为精确的掌握这些力度。 果蔬在运输的过程中，运输工具具有一定的振动，其对果蔬的质量也具有一定的影 响。因此，对采摘机器人的执行系统进行设计时，其较为复杂。 （3）对果蔬进行采摘时，会遇到障碍物（树叶、树枝、果梗、未成熟的果蔬），其 对采摘率具有一定的影响，故采摘机器人的避障能力应该好。 （4）因为果蔬采摘机器人的系统设计比较复杂，使得生产成本较高。而果蔬采摘机 器人主要是由从事农业的农民购买，成本较高，达不到其实用的普遍性，难以达到市场 化。 1.2

10、国内外研究进展国内外研究进展 目前许多国家都对果蔬采摘机器人进行了设计与研究。 （1）John Baeten 和 Sven Boedrij 等人研制的一款苹果采摘机器人，如图 1-1（a）所 示，其具有六自由度的机械臂，并可在架子上进行水平方向和竖直方向的移动，其移动 平台是一台拖拉机，其整体占地面积比较大、机械手重量较重，而且成本较高，只适于 植株较矮小的苹果树 【1】。 西安理工大学硕士学位论文 2 （a）（b） 图 1-1苹果、番茄采摘机器人 Fig.1-1Apple and Tomato Picking Robot （2）番茄采摘机器人是最先被研究的。其中，由日本近藤直(KONTO)等

11、人研制的采 摘机器人是影响最大的，如图 1-1（b）所示，其主要包括机械手、视觉传感器、移动机 构，其机械手臂的自由度为 7 【1】。同人采摘时一样，通过腕关节的转动完成果柄与果树 的分离。但是，对于大部分的成熟番茄，其位置恰巧位于叶茎相对茂密的地方，因此， 此机器人的避障能力较差。 （3）2004 年，加利福尼亚机械公司展出一款采摘机，其是全自动西红柿采摘机，如 图 1-2（a）所示。其主要工作流程是将西红柿的枝和叶一起割倒，然后卷入分选仓，通 过设备挑出成熟的西红柿，再将其余枝叶粉碎，作为肥料，喷撒在田里 【2】。 （a）（b） 图 1-2西红柿、黄瓜采摘机器人 Fig.1-2Tomato

12、 and cucumber Picking Robot （4）日本的近藤直(Naoshi-Kondo)等人研制了番茄和黄瓜采摘机器人，如图 1-2（b） 所示，其是六自由度工业机器人，在采摘的过程，因为黄瓜是长条形的，故其受茎叶的 影响较大，所以采摘的成功率较低 【2】。 20 世纪 90 年代中期，我国开始接触农业采摘机器人领域，与发达国家相比，我国起 步有点晚。虽然我国起步较晚，但是不少院校、研究所一直致力于智能农业机械的开发。 （1）沈阳自动化研究所研制了一种西红柿采摘机器人 【3】，如图 1-3（a）所示。此 机器人所设计的的机械手是一种四指机构，在机械手上带有一个由气泵驱动的复合形式

13、 的真空吸盘，其具有吸附果实的功能。 （2）2009 年，江苏大学的杨文亮，对机械手的结构进行了研究 【2】，如图 1-3（b） 所示。该采摘机器人的腰部可以实现升降，除此之外，根据苹果的几何参数，设计了几 种末端执行器，并通过实验操作，得出最合适末端执行器结构。 第一章 绪论 3 （a）（b） （c） 图 1-3西红柿、苹果、智能移动式水果采摘机器人 Fig.1-3Tomato、Apple and Intelligent mobile fruit Picking Robot （3）2012 年，南京农业大学的顾宝兴，在低矮密植型果园的基础上，对智能移动式 水果采摘机器人 【4】的系统进行研究

14、。实现了多动作的智能协调控制，如图 1-3（c）所示。 （a）（b） 图 1-4 新型苹果采摘机器人 Fig.1-4New type Apple Picking Robot （4）2016 年，伍锡如等人对新型苹果采摘机器人 【5】进行了设计和实验。这种新型 的苹果采摘机器人将四轮驱动与远程控制、柔性机械臂控制、视觉识别等技术融为一体， 是一种可以快速采摘的机器人，其结构如图 1-4（a）所示。移动平台的具体设计方案如 图 1-4（b）所示，该移动平台具备优良的越野性能，在移动平台的前方装有激光测距仪， 西安理工大学硕士学位论文 4 是为了避障而设计的。 1.3 本文研究内容本文研究内容 本文

15、以苹果作为研究对象，来设计一款苹果采摘机器人。苹果采摘机器人主要由移 动平台、机械臂、末端执行器、传感器装置、视觉定位识别及控制系统组成。 不管是国外研究的采摘机器人还是国内研究的采摘机器人，从某种程度上来说，都 存在识别率较低、采摘率较低、成本较高等不足之处。 基于以上的分析，本论文中设计的苹果采摘机器人，主要包括四部分内容： （1）机械臂的设计与分析 模仿人采摘苹果的过程，设计苹果采摘机器人的机械臂。其主要由四个关节构成， 即腰关节、肩关节、肘关节、腕关节。 根据机械臂的设计指标，建立机械臂的运动学模型，并对机械臂的工作空间进行分 析。基于机械臂的工作空间，对机械臂各杆件长度进行优化，从而

16、，得到各杆件的长度。 通过计算各杆件所需的转矩，来对驱动系统进行设计与分析。 （2）末端执行器的设计与分析 末端执行器就像人的手一样，对苹果进行采摘。为了让机器人能完全取代人力，末 端执行器上必须装有传感器装置，才能确保采摘的果实质量高。 首先，将苹果分为两部分，每一部分只由一种物质组成，其属性相同，但是这两部 分之间的组织力学特性不一样。根据各部分的参数，建立苹果的三维模型。 其次，基于苹果的几何参数和人的手指，来确定末端执行器中各手指种各指节的长 度和厚度，从而去建立末端执行器的三维模型。然后，选择各关节处所需的扭簧的型号， 并进行参数计算。 最后，采用 Ansys 对苹果受到手指的夹持力

17、进行分析，得到夹持力的取值范围。当 夹持力在最大情况下，在 Ansys 中对各指节和手掌进行静力学分析。并对末端执行器进 行运动学分析，看其设计是否合理。 （3）剪切机构的设计与分析 为了提高采摘率，本文采用剪切机构来完成果柄与果树的分离。首先，基于设计参 数，建立剪切机构的三维模型；其次，对其驱动机构的参数进行设定与计算。最后，对 其进行运动学分析，并进行后处理，得到其在各方向上的参数曲线图，看其是否有突变， 分析所设计结构的合理性。 （4）基于 MATLAB/Simulink 和 Adams 的机械臂控制系统的联合仿真模型的建立 首先，对机械臂的控制方法进行确定。其次，建立基于拉格朗日的三

18、杆机械臂动态 方程。最后，基于 MATLAB/Simulink 和 Adams 软件，建立机械臂的自适应 PD 控制联合 仿真模型，得到各关节角位移图，并对比理想和实际角位移图，分析所建立的控制系统 是否具有较好的跟踪效果和自适应能力。 第二章 机械臂的设计与分析 5 2 机械臂的设计与分析机械臂的设计与分析 人类在采摘的过程中，需要四步来完成采摘工作。第一步：通过胳膊的上下左右移 动来确定苹果的位置；第二步：通过手指之间的配合来完成果实的抓取；第三步：通过 另一只胳膊、剪刀、手进行剪切；第四步：将采摘下来的果实放进框子中，完成采摘。 因此，本文中机械臂的设计主要来源于人类的采摘过程。 2.1

19、 机械臂的设计指标机械臂的设计指标 本文中，对于苹果采摘机器人的设计，是基于移动平台上的，因此，在机械臂设计 的时候，要考虑移动平台上的负载。 在机械臂结构设计中，需要考虑三方面内容，第一方面：机械臂应具有轻型结构； 第二方面：在本文中，机械臂采用串行连接，因此，机械臂的质量主要由各个关节的驱 动电机质量决定，故机械臂的关节数量取最小关节数量加 1；第三方面：对于现在大多数 的农园来言，农园都趋于统一化管理，即树形较小，障碍物较少，因此，机械臂的总长 度设为 1000mm。 根据以上三方面的要求，机械臂的相关设计参数指标，如表 2-1 所示。 表 2-1机械臂的设计指标 Tab. 2-1Des

20、ign index of mechanical arm 指标具体要求 自由度5 连杆数目3 总长度1000mm 夹持物质量不超过 250g 机械臂质量不超过 1kg 2.2 机械臂的参数选择机械臂的参数选择 由上节机械臂的设计指标，本文初步设定机械臂为五自由度的三连杆串联结构。机 械臂包括五个关节，即腰关节、肩关节、肘关节、辅助关节、腕关节。腰关节主要完成 大臂 1 l绕竖直轴的转动，辅助关节主要是腰关节还可以在水平方向上发生转动；肩关节 主要完成大臂在水平方向上的转动；肘关节主要完成小臂在水平方向上的转动；腕关节 主要辅助增加末端执行器的灵活性。其构型图如图 2-1（a）所示。 连接各个关节

21、之间的连杆，即 1 l、 2 l、 3 l，均采用质量均匀的铝制结构件材料，其质 量为 0.3kg/m，故机械臂中连杆的质量取决于连杆的长度，因此，各个连杆长度的设计较 为重要。而其长度的确定，是基于工作空间的分析，具体分析在 2.4 节做详细介绍。 西安理工大学硕士学位论文 6 l1 l2 l3 O1 O2 O3 l1 l2 l3 1 2 3 O4 x1 y1 y2 y3 x2 x3 （a）（b） 图 2-1 机械臂构型图、结构简化图 Fig.2-1Asimplified diagram of the configuration and structure of a mechanical a

22、rm 2.3 机械臂工作空间分析机械臂工作空间分析 机器人三维工作空间即为各个关节运动时，末端执行器所能到达的空间点的总和。 机械臂工作空间的大小决定了机器人的活动范围，因此，衡量机器人工作能力的一个重 要指标是工作空间 【6】。机械臂的工作空间和关节空间之间存在着一定的关系，如图 2-2 所示。 图 2-2机器人工作空间和关节空间的关系图 Fig.2-2Adiagram of the relationship between the workspace of a robot and the space of the joint 本篇文章中，采用 D-H 坐标系，建立机械臂的运动学模型。在各关

23、节转角范围给定， 各杆长取某一值时，运用 MATLAB 软件进行编程，得到机械臂的工作空间图。 2.3.1 机械臂运动学模型的建立机械臂运动学模型的建立 如图 2-1（b）所示，在各个转动关节处建立坐标系，其中，坐标原点在各个关节处， X 轴正方向为沿杆方向，Y 轴方向为垂直于杆的方向。从而，建立各个关节处的的 D-H 坐标系。D-H 坐标系的变换矩阵是某一个坐标系相对于另一个坐标系发生相对移动和相 对转动，在图 2-3 中可以看出坐标系 jjj yox是由坐标系 iii yox先移动，在旋转得到的。在 旋转的过程中， 是先绕 mi zz轴转过 j ， 在接着绕 mj xx轴旋转 ij 。 如

24、图 2-3 所示， 其中， 涉及到两个特殊矩阵，移动矩阵 ij r和旋转矩阵 ij C。 xj(xm) xi yi ym yj zi(zm)zj j ij ij j 图 2-3D-H 坐标变换关系 Fig.2-3D-H coordinate transformation relation 移动矩阵 ij r为： 第二章 机械臂的设计与分析 7 j jj jj ij s l l r sin cos （2.1） 旋转矩阵 ij C为： ijij ijjijjj ijjijjj ijij ijijjj jj mjimij ccc cossin0 sincoscoscossin sinsincossi

25、ncos cossin0 sincos0 001 100 0cossin 0sincos （2.2） 根据移动矩阵和旋转矩阵可得到，D-H 坐标系下，空间某点 P 的坐标，从 j 系向 i 系变换的变换矩阵?ij为： 1000 ijij ij rC M （2.3） 式中： j s沿 j z轴从坐标轴 i x量至 j x的距离（与 j z轴正向一致为正）； j 沿 j z轴从坐标轴 i x量至 j x的转角（逆时针方向为正）； j h沿 i x轴从坐标轴 i z量至 j z的距离（与 i x轴正向一致为正）； ij 绕 i x轴从坐标轴 i z量至 j z的角度（逆时针方向为正）。 表 2-2

26、相邻坐标参数 Tab. 2-2Adjacent coordinate parameters 构件编号（i-j）?j?j?j?ij关节变量 0-1?1sin?1?1?1cos?10?1 1-2?2sin?2?2?2cos?20?2 2-3?3sin?3?3?3cos?30?3 各个相邻坐标参数，如表 2-2 所示，将表 2-2 中的各参数，分别带入式（2.3）中， 可得各相邻坐标系之间的变换矩阵，其变换矩阵?01、?12、?23分别为： 1000 sin100 00cossin cos0sincos 11 11 1111 01 l l M （2.4） 1000 sin100 00cossin c

27、os0sincos 22 22 2222 12 l l M （2.5） 西安理工大学硕士学位论文 8 1000 sin100 00cossin cos0sincos 33 33 3333 23 l l M （2.6） 根据变换矩阵，可得该机构的位姿矩阵M为： 231201 MMMM （2.7） 设 P 点在末端坐标系 444 yox中的坐标为Tzyx1 , 444 ， 在机械臂基座的坐标系 111 yox中 的坐标为Tzyx1 , 111 ，则可得其之间的关系式为： 11 4 4 4 1 1 1 z y x M z y x （2.8） 则机械臂的数学模型得以建立。 2.3.2 机械臂运动学正解

28、分析机械臂运动学正解分析 所谓的机械臂运动学正解， 即已知各个机械臂杆长， P 点在末端坐标系?中的坐 标为?1?，给定机械臂中各个关节的转角，求解 P 点在机械臂基座坐标系?1?1?1 中的坐标?1?1?11? 【 6 】。反之，给定 P 点在机械臂基座坐标系? 1?1?1中的坐标 ?1?1?11?，对机械臂中各个关节的转角进行计算，则为机械臂运动学的逆解。其目的 是为了验证坐标变换矩阵?ij(i=0，1，2；j=1，2，3)的正确性。 表 2-3机械臂正解分析 Tab. 2-3Positive solution analysis of a mechanical arm 1 2 3 P 00

29、0T1001000 303030T.1078847854486459 606060T.10237580325 909090T1010330 120120120T.10660385 150150150T.1021162144486129 180180180T100340 设机械臂的三个杆件长度分别为： 340mm， 330mm， 330mm， P 点在末端坐标系? 中的坐标为?0 0 0 1?T。本文中选取七组数据进行坐标变换矩阵?ij验证，如表 2-3 所示。 通过计算所得的机械臂正解分析的结果，将其与机械臂几何运动学求解出来的结果 进行对比，得到两个结果一致，故所建立的运动学模型是正确的。对

30、于逆解的分析，就 第二章 机械臂的设计与分析 9 是正解的逆过程，通过计算与分析，也可得到相同的结论。 2.4 机械臂工作空间仿真分析及优化机械臂工作空间仿真分析及优化 2.4.1 机械臂工作空间的仿真机械臂工作空间的仿真 机械臂的工作空间即为机械臂末端所能到达空间点的集合 【6】。在本文中，三杆长度 之和为 1000mm，且三杆长度非负。基于蒙特卡罗方法，用 MATLAB 软件画出机械臂的 工作空间。 图 2-4机械臂工作空间仿真流程图 Fig.2-4Workspace simulation flow chart of manipulator 蒙特卡罗方法的步骤如图 2-4 所示，图中 min i 为转角取值区间的下限， max i 为转角 取值区间的上限，i 取值范围为1,3，随机样本 N 为 10000，即产生 10000 个随机姿态， 即机械臂工作空间的仿真是由 10000 个随机位姿组成。下面主要用两种方法讨论机械臂 的