1、基 于 运 动 力 学 模 型 的 采 摘 机 械 臂 结 构 设 计董文(武汉城市职业学院,武汉430400)摘 要:以果蔬采摘机械臂为研究对象,设计一种能够在特定环境中使用的 4 自由度果蔬采摘机器臂,利用拉格朗日法建立机械臂运动学分析模型,并进行数值仿真。结果表明:机械臂运动过程平稳,能够满足采摘过程的精确控制和使用,各关节的最大力矩值均在合理设计范围内,能够满足果蔬采摘过程的作业需求。关键词:采摘机械臂;动力学模型;拉格朗日方程;自由度中图分类号:S225;TP242 文献标识码:A 文章编号:1003-188X(2023)12-0050-040 引言果蔬采摘是一种劳动密集型工作,耗费
2、的劳动力较大,随着大规模果蔬种植的开展,机械化采摘也得到不断的发展1-2。采摘机器臂是自动化采摘过程的执行部件,要求使用过程具有较强的操作性,同时能够在采摘过程中有效进行避障3-4。为此,针对果蔬采摘过程中的传统问题,设计了一种 4 自由度关节式果蔬采摘机器臂,利用拉格朗日方程建立机械臂的动力学模型,进行求解仿真,并对果蔬采摘机械臂的设计合理性进行验证。1 采摘机械臂结构设计果蔬采摘机械臂自由度直接决定了机械臂的控制复杂程度,也会对机械臂的生产成本产生不同程度的影响。果蔬采摘过程作业空间小,进行采摘机械臂结构设计时,拟选用一种 4 自由度机械臂5-7,主要包含机械臂基座、肩关节、肘关节以及腕关
3、节。图 1 为果蔬采摘机器臂结构示意图。根据采摘作业需求,设定采摘过程中末端负载质量为 m=3kg,腕关节中心与采摘手爪中心的距离为30mm,腕关节作业过程中的运转速度为 rad/s,腕关节回转中心力矩为 8.82Nm,摩擦力矩为 0.882Nm。综 合 考 虑 安 全 使 用 系 数,电 机 使 用 功 率 为45.71W,为此选用 100W 直流伺服电机。表 1 为采摘机器臂关节参数表。收稿日期:2021-09-03基金项目:武汉市市属高等学校产学研项目(CXY201637)作者简介:董 文(1981-),男,武汉人,讲师,硕士,(E-mail)yanocaq-xky98915 。图 1
4、果蔬采摘机械臂结构示意图Fig.1 Structure diagram of fruit and vegetable picking manipulator表 1 采摘机械臂关节参数表Table 1 Joint parameters picking manipulator关节参数长度/mm角度范围/()初始角度/()基座375-909090肩关节6502911990肘关节614-124290腕关节300-1539502 果蔬采摘机械臂运动学模型果蔬采摘机械臂的末端采摘手爪中心位姿可表示为0A4=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001其中,nx、ny、nz为采摘手爪法向向量;o
5、x、oy、oz为采摘手爪方位向量;ax、ay、az为采摘手爪接近向量;px、py、pz为采摘手爪中心位置坐标8。采摘机器臂相邻两个关节的坐标系齐次变换矩阵可表示为052023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期i-1Ai=cosi-sinicosisinisiniaicosisini cosicosi-cosisiniaisini0sinicosidi0001其中,i为关节转角;di为关节偏距;i为关节扭角;ai为结构件长度9。将采摘机械臂结构参数代入,可得0A4=0A11A22A33A4=c1c234s1c1s234c1a2c2+a3c23+a4c234()s1c234-c1s1s
6、234s1a2c2+a3c23+a4c234()s2340-c234d1+a2s2+a3s23+a4s2340001 其中,c1=cos1,s1=sin1,c12=cos 1+2(),s12=sin 1+2(),c234=cos 2+3+4(),s234=sin 2+3+4()。3 采摘机械臂动力学模型利用拉格朗日方程建立果树采摘机械臂的动力学模型,并对相关动力学参数进行计算10。果树采摘机械臂的动力学模型方程可表示为Ti=nj=1Dijqj+Iaiqi+nj=1nk=1Dijkqjqk+Di其中,qi为采摘机器臂关节的速度向量;qj为采摘机器臂关节的加速度向量;Dij为对称惯性矩阵;Dijk
7、为动力学离心力矩阵;Di为重力向量11。对称惯性矩阵可表示为Dij=np=max(i,j)Trace0ApqjIp0ATpqi()动力学离心力矩阵可表示为Dijk=np=max(i,j,k)Trace20Ap()qjqkIp0ATpqi()重力向量可表示为Di=np=1mpgT0Apqiprp()其中,Trace 为矩阵中对角线元素之和;g 为基准坐标系中的重力加速度;rp为机械臂连杆质心所在位置;0Ap为果蔬采摘机器臂的齐次变换矩阵;Ip为机械臂连杆惯量矩阵12。4 果蔬采摘机械臂仿真与试验分析对果蔬采摘机械臂运动学模型进行数值仿真,设置仿真时间为 5s,仿真步数为 50,仿真计算得出果蔬采
8、摘机械臂的末端中心位置的运动性能曲线。图 2为位移曲线,图 3 为速度曲线,图 4 为加速度曲线。图 2 位移曲线Fig.2 Displacement curve图 3 速度曲线Fig.3 Velocity curve图 4 加速度曲线Fig.4 Acceleration curve依据果蔬采摘机械臂末端中心位移曲线,对机械臂的运动学方程准确性进行验证,可知在运动过程中机械臂运转平稳。由运动学仿真结果可以看出:当果蔬采摘机器臂水平展开时,关节处所承受的力矩最大。经果蔬采摘机器臂动力学数值仿真后,可得出各关节的力矩曲152023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期线。图 5 为腰关节力
9、矩曲线,图 6 为肩关节力矩曲线,图 7 为肘关节力矩曲线,图 8 为腕关节力矩曲线。图 5 腰关节力矩曲线Fig.5 Lumbar joint torque curve图 6 肩关节力矩曲线Fig.6 Shoulder moment curve图 7 肘关节力矩曲线Fig.7 Elbow moment curve图 8 腕关节力矩曲线Fig.8 Wrist moment curve由图 5 图 8 可以看出:采摘机械臂运动过程中,腰关节力矩最大值为 0.114Nm,肩关节力矩最大值为 120.48Nm,肘关节力矩最大值为 35.49Nm,腕关节力矩最大值为 5.26Nm。为对果蔬采摘机器臂的
10、定位精度进行测量,分别在 X、Y、Z 等 3 个坐标轴方向进行试验测量。测量过程中,保持其他两个坐标轴方向位置不变,果蔬采摘机械臂在测量坐标轴方向按照控制指令进行移动,测量动作后的位移值,并计算其绝对误差值。X、Y、Z 等3 个坐标轴方向采摘机械臂位移值变化范围为-200200mm,每移动 100mm 对其位移值进行 1 次测定,重复 3 次。设定 X 方向初始坐标值为 500mm,Y 方向初始坐标值为 800mm,Z 方向初始坐标值为 1000mm。表 2 为 X 方向定位精度测量结果,表 3 为 Y 方向定位精度测量结果,表 4 为 Z 方向定位精度测量结果,表 5为 X、Y、Z 等 3
11、个坐标轴方向机械臂运动误差试验结果。表 2 X 方向定位精度测量结果Table 2 Measurement results of positioning accuracy in X direction控制位移量/mm测定坐标值/mm123位移量/mm123200699.9700.2700.6199.9200.2200.6100600.8599.6599.7100.899.699.70500.0500.0500.0000-100400.5399.8400.2-99.5-100.2-99.8-200300.6300.4299.8-199.4-199.6-200.2200999.61000.6100
12、1.2199.6200.6201.2100900.4900.9901.2100.4100.9101.20800.0800.0800.0000252023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期表 3 Y 方向定位精度测量结果Table 3 Measurement results of positioning accuracy in Y direction控制位移量/mm测定坐标值/mm123位移量/mm123-100700.0701.0700.6-100.0-99.0-99.4-200599.6600.4599.5-200.4-199.6-200.5表 4 Z 方向定位精度测量结果Tab
13、le 4 Measurement results of positioning accuracy in Z direction控制位移量/mm测定坐标值/mm123位移量/mm1232001200.71201.21199.4200.7201.2199.41001101.21099.61100.8101.299.6100.801000.01000.01000.0000-100900.6900.2899.6-99.4-99.8-100.4-200799.9800.4801.2-200.1-199.6-198.8表 5 采摘机器臂运动误差试验结果Table 5 Test results of mot
14、ion error of picking manipulator控制位移量/mm运动误差/mmXYZ2000.30.730.831000.50.830.800000-1000.30.530.40-2000.40.430.57均值0.30.510.525 结论利用拉格朗日法建立果蔬采摘机器臂的动力学模型方程,并对其进行求解,验证运动学模型的正确性。对果蔬采摘机器臂运动过程合理性进行验证,为果蔬采摘机器臂结构设计过程的理论计算和设计结果的验证提供参考。参考文献:1 王毅,滕举元,张哲,等.六自由度采摘机械臂采摘姿态规划研究J.机械设计与制造,2019(8):235-238,242.2 任晓智,李福
15、敏,江山,等.机械臂夹剪苹果采摘机的仿真设计与制造J.农机化研究,2020,42(8):112-117.3 马冀桐,许洪斌,王毅,等.基于三维重建的柑橘采摘机械臂避障研究与实验J.中国农业科技导报,2020,22(7):90-98.4 朱富丽,杨磊,刘志龙.基于 VR 技术的采摘机器人动力学仿真分析J.农机化研究,2021,43(3):30-34.5 郗厚印,张栋,周涛,等.采摘机器人识别抓取重叠番茄果实的方法研究J.农机化研究,2021,43(12):17-23,50.6 任耀星,王一高,景超.基于深度学习的串型番茄采摘机器人设计J.电子技术与软件工程,2021(14):62-63.7 朱容
16、芳,朱煜华.基于 UG 的苹果采摘机械臂与末端执行器的结构设计J.农机使用与维修,2021(4):21-22.8 刘继展,吴硕.草莓全程生产机械化技术与装备研究进展J.农业机械学报,2021,52(5):1-16.9 杨萍,李凯欣.花椒采摘机器人机械臂的运动学分析及工作空间求解J.甘肃科学学报,2021,33(3):109-113.10 段锦晶.关于花椒采摘机器人的机械系统方案设计及其关键技术的分析J.中国设备工程,2021(12):112-113.11 杨栋皓,蒋爱德.苹果采摘机械手的设计与实现J.农业开发与装备,2020(11):117-118.12 杨絮,牛亚琼,张璟言,等.基于六自由度
17、机械臂的水果采摘装置设计J.科技创新导报,2019,16(20):102,104.(下转第 62 页)352023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期sion system is preprocessed and segmented.Firstly,Retinex algorithm is used to enhance the dim light,blur and other defects in the image,and bilateral filtering algorithm is used to denoise the image;Secondly,the RGB fea
18、tures of the color image are used to distinguish the apples and leaves in the image,and the canny edge detection algorithm is used to describe the edge information of the apples,and the minimum circle wrapping method is used to identify the radius and coordinates of the apples;Finally,in order to ve
19、rify the feasibility of this method,50 images of Red Fuji Apple collected by industrial camera were tested.The results show that the correct rate of image recognition is 86%,and the correct rate of Apple recognition is 92.8%.Key words:apple picking robot;visual system;image preprocessing;image segme
20、ntation and recognition;retinex algo-rithm(上接第 53 页)Abstract ID:1003-188X(2023)12-0050-EA Structural Design of Picking Robot Arm Based on Kinematic Mechanics Model Dong Wen (Wuhan City Vocational College,Wuhan 430400,China)Abstract:Taking the fruit and vegetable picking manipulator as the research o
21、bject,this paper designs a 4-DOF fruit and vegetable picking manipulator that can be used in a specific environment,establishes the kinematics analysis model of the manipulator by Lagrange method,and carries out numerical simulation.The results show that the movement process of the manipulator is st
22、able,which can meet the accurate control and use of the picking process,and the maxi-mum torque of each joint is within the reasonable design range,which can meet the operation requirements of the fruit and vegetable picking process.Key words:picking manipulator;dynamic model;lagrange equation;freed
23、om(上接第 57 页)Abstract ID:1003-188X(2023)12-0054-EAStructure Design and Simulation of Picking Robot Based on CAD/CAE Technology Wang Lixia (Baotou Iron&Steel Vocational Technical College,Baotou 014010,China)Abstract:Aiming at the problem of research and development of the picking robot structure,the s
24、tructure design and simulation test of the picking robot based on CAD/CAE technology were carried out.The picking robot was constituted of control system,intelligent system,actuator,drive transmission device and detection system.In order to ensure the struc-tural performance and geometric rationalit
25、y of the picking robot,the structural parameters of the manipulator and the end effector was optimized,and the control model o the end effector was determined.To verify the operation performance of the picking robot,the forward kinematics test was carried out by using the Matlab software.The test results show that the robot structure is reasonable and its precision could meet the requirement of the picking robot precision.Key words:picking robot;CAD/CAE technology;end effector262023 年 12 月 农 机 化 研 究第 12 期