（机械电子工程专业论文）果蔬采摘机器人机械系统设计与关键技术研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 本文以果蔬采摘机器人中关键的末端执行器与多自由度机械臂为研究对象，提 出将欠驱动多指手用于果蔬采摘机器人的末端执行器，对欠驱动多指手进行了力学 分析与结构设计，制造了多指手实验样机，完成了基本的抓取实验；进行了机械臂 的本体结构设计，对虚拟样机进行建模与仿真分析，验证了样机的可行性。主要工 作可概括为如下几个方面： 口运用螺旋理论，建立了手指的静态模型，详细分析与计算了抓取力和驱动 力之间的关系，给出了表征抓取力的雅可比矩阵与力传递关系矩阵，它们 能为分析抓取力提供直观的表达式，并给出了实际的算例。 口对多指手的设计尺寸进行了综合分析，以手指性能为指标，给出了当前抓 取范围下的最优结构参数，对整体结构、精确捏取机构、手掌及驱动系统 作了详细的分析与设计，并为多指手选择了合适的驱动电机。 口开发了基于m c s 5 1 系列单片机的多指手的驱动控制系统，对所制作的多指 手样机进行了不同类型果蔬的抓取实验，验证了分析与设计结果的正确性。 口确定了机械臂的结构，简述驱动系统的选型方法，对机械臂的机械结构与 驱动系统作了详细的设计。 口利用m a t l a b 的机器人工具箱作了机械臂的运动学分析与计算，并用二次开 发的方法将将计算结果导入c a t i a 建立的机械臂的虚拟样机中，实现了虚 拟样机仿真与m a t l a b 分析计算的联合，大大提高了分析验证的效率与准确 性。 本文的研究工作对以欠驱动多指手作为末端执行器的果蔬采摘机器人的实际应 用有现实的意义。 关键词：欠驱动；末端执行器；机械臂；c a t i a - - 次开发 浙江理工大学硕上学位论文 r e s e a r c ho nm e c h a n i c a ls y s t e md e s i g na n dk e yt e c h n o l o g y o fa f r u i t - - v e g e t a b l eh a r v e s t i n gr o b o t a b s t r a c t t h i st h e s i sf o c u s e so nt h ee n d - e f f e c t o ra n dm u t i d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) m a n i p u l a t o r u n d e r - a c t u a t e dr o b o t i c h a n di s p r o p o s e d 嬲t h ee n d e f f e c t o r o fa f r u i t - v e g e t a b l eh a r v e s t i n gr o b o t s t a t i ca n a l y s i sa n dm e c h a n i c a ls t r u c t u r e o fu n d e r a c t u a t e dr o b o t i ch a n di ss t u d i e d ap r o t o t y p eo ft h eu n d e r - a c t u a t e dr o b o t i ch a n di sb u i l t a n db a s i cg r a s p i n ge x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e d m a i nm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo fs e r i a l m a n i p u l a t o ri sd e s i g n e d v i r t u a lp r o t o t y p eo ft h em a n i p u l a t o ri s m o d e l e da n di t s s i m u l a t i o na n a l y s i si sf i n i s h e dt ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o t o t y p e t h em a i nw o r k s o f t h er e s e a r c ha r ea sf o l l o w s 口s t a t i cm o d e lo fu n d e ra c t u a t e dr o b o t i cf i n g e r si se s t a b l i s h e db ye m p l o y i n gs c r e w t h e o r y r e l a t i o n s h i pb e t w e e ng r a s p i n gf o r c 启a n di n p u tt o r q u ei sa n a l y z e d t w o m a t r i c e sw h i c hc o m p l e t e l yd e s c r i b et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ei n p u tt o r q u eo f t h ef m g e ra c t u a t o ra n dt h ec o n t a c tf o r c e so nt h ep h a l a n g e sa r ei n t r o d u c e d a n e x a m p l ei sg i v e nb a s e do nt h ee x p r e s s i o no f t h ec o n t a c tf o r c e s 口t h ep a r a m e t e r so ft h eu n d e r - a c t u a t e dr o b o t i ch a n da r es y n t h e t i z e d ag r o u po f p a r a m e t e r si so p t i m i z e di na c c o r d a n c e 、析mt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i n g e r f i n g e r c o n f i g u r a t i o n , p r e c i s i o ng r a s ps t r u c t u r e ，p a l ms t r u c t u r ea n dd r i v e rs y s t e mo ft h e h a n da l ea n a l y z e da n dd e s i g n e di nd e t a i l a na p p r o p r i a t em o t o ri sc h o s e nf o rt h e p r o t o t y p e 口a na c t u a t o rc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h em c s 51s e r i a lm c u ( m i c r oc o n 仃o l l e r u n i oi sd e v e l o p e d e x p e r i m e n t so ng r a s p i n gd i f f e r e n tt y p e so ff r u i ta n dv e g e t a b l e a r ef i n i s h e d t h ea n a l y s i sa n dd e s i g nc o n c l u s i o n sa r ev e r i f i e db yt h eg r a s p i n g e x p e r i m e n t s 口m a i ns t r u c t u r eo ft h es e r i a lm a n i p u l a t o ri ss e l e c t e d d r i v es y s t e ms y n t h e s i si s p r e s e n t e d t h ed e s i g no fm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dd r i v e rs y s t e mi sd e s i g n e di n d e t a i l 口k i n e m a t i c so ft h es e r i a lm a n i p u l a t o ri sa n a l y z e db yt h em a t l a br o b o t i ct o o lb o x ， a n dt h er e s u l ti si m p o r t e dt ot h ev i r t u a lp r o t o t y p ew h i c hi sm o d e l e db yc a t i a 浙江理工大学硕士学位论文 t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h ea n a l y s i sa n dv i r t u a lp r o t o t y p ei se s t a b l i s h e d , b y w h i c he f f i c i e n c ya n da c c u r a c ya r eg r e a t l yi m p r o v e d t h er e s e a r c hi so fs i g n i f i c a n c et ot h ea p p l i c a t i o no ft h ef r u i t - v e g e t a b l eh a r v e s t i n g r o b o tu s i n gu n d e r - a c t u a t e dr o b o t i ch a n da se n d - e f f e c t o r k e y w o r d s ：u n d e r - a c t u a t e d ；e n d - e f f e c t o r ；s e r i a lm a n i p u l a t o r ；c a t i ar e d e v e l o p m e n t i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：瓢拉 日期： 认了年；月罗日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在 不保密一 。 学位论文作者签名：稍捐l 日期： 2 。口f 年月7 日 年解密后使用本版权书。 指导教师签名：胁1 1 7 t , 1 1 1 1 ：卅年3 月j7 日 浙江理t 大学硕。卜学位论文 1 1 课题的目的与意义 第1 章绪论 设施农业已成为农业增效和农民增收最直接、最有效的途径之一，但温室内工 作环境恶劣，急需开发相关的机械化作业装备。温室内的茄果类和瓜果类的年栽培 期可长达9 个月以上，采摘劳动强度大，非常有必要开发该类果蔬的采摘机器人， 特别是其利用率远远高于大田或果园的果蔬自动化采摘装备，经济效益显着，更有 可能率先得到应用。使用农业机器人可以提高劳动生产率，解决劳动力的不足，可 以改善农业生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害，同时提高作业质量。机器 人应用于农业生产中，特别是设施农业生产过程，是农业生产向自动化和智能化发 展的标志。 农业生产有其特殊性，因此农业机器人必须考虑气候、作业环境、作业对象、 操作者等因素的影响，和一般的工业机器人相比，农业机器人具有以下特点： a ) 作业对象是有生命的生物体。作业对象娇嫩、形状复杂且个体差异大。i b ) 通常要在非结构化的、苛刻的和多变的环境下作业，如气候变化、行走路 线不平坦等； c ) 除了那些传统机器人所具备的安全装置之外，当农业机器人与操作人员一 起作业时还需要一些特殊的安全装置； d ) 同工业机器人相比，农业机器人的结构和控制系统相对复杂，并具有周期 性、短时间和利用率低的特点，要求采用开放式、可重构的机器人系统； e ) 使用者的知识技术水平相对较低，要求农业机器人必须有高可靠性、操作 方便等特点； f ) 价格问题，使用者经济实力相对较差，如果不是价格低就很难普及。 曲果蔬采摘机器人作为农业机器人的典型代表，其研究2 0 世纪8 0 年代中期始 于以日本为代表的发达国家，包括荷兰、法国、英国、意大利、美国、以 色列、西班牙等国，先后研制了多种智能化的果实采摘机器人样机1 1 ，涉及 浙江理工大学硕士学位论文 到的研究对象主要有甜橙、苹果、西红柿、樱桃西红柿、芦笋、黄瓜、甜 瓜、葡萄、甘蓝、菊花、草莓、蘑菇等。 1 2 国内外研究状况 本文的研究对象是果蔬采摘末端执行器和采摘用多自由度机械臂，下面就两方 面阐述国内外的研究现状和趋势。 1 2 1 果蔬采摘末端执行器研究状况 由于果蔬的外表较为脆弱，而它的形状及生长状况复杂，因此末端执行器的设 计通常被认为是农业机器人的核心技术之一【2 】。果蔬外表在机器人采摘过程中发生 的损伤主要原因有：果蔬位置识别或机械臂控制规划有误，导致末端执行器划 伤或刺伤果蔬外表。末端执行器放置果蔬时，新采摘的果蔬与已采摘的果蔬发 生碰撞，外表发生挤压伤。末端执行器抓取或夹持力过大，压伤果蔬外表。末 端执行器抓取不稳定，果蔬掉落，与地面或其它坚硬物体接触而碰伤外表。 原因、主要与机械臂的控制规划和图像识别处理系统有关。原因、则 与末端执行器及其驱动方式、传动系统和控制系统的特性相关。 对于原因，不同的果蔬其外表特性不同，对于橙、柚等外表皮较厚且富弹性 的果蔬，夹持力稍大也不致压伤外表；对于西红柿、草莓、茄子、苹果等外表皮较 薄较脆的果蔬，则对末端执行器抓持力的控制要求很高，同时要求夹持系统具有一 定柔性，可以补偿部分力控制产生的误差，避免夹持力过大压伤外表和夹持力过小 抓取失稳，果蔬掉落。 果蔬采摘机器人末端执行器可分为：纯吸盘式、筒式、针式、多指式等几类。 c h o l 2 l 等设计的生菜收获机器人采用了两指夹持器；图1 1 为k u t z 吲等研制的移栽 机器人中的两指平行夹持器；图1 2 ) 白t i n 9 1 4 】等开发的移栽机器人用两指气压针式 夹持器；图1 3 为r y u l 5 】等设计的两指气动夹持器。 2 淅江理工大学碰l 学位论文 剧1 1 两指夹持嚣凹1 2 两指气针夹持器 恻i j 两措气动夹持器 k o n d 0 1 6 1 等设计的西红柿采摘机器人的末端执行器采用吸盘和两指夹持器结合 形式，如图14 所示，采摘成功率达n 8 5 ；m o n t a 口1 等设计了西红柿采摘四指手， 矗j 4 个9 0 。问隔分布的手指和一个吸引器组成，如图1 5 所示，每个手指山4 节组成， 通过缆绳驱动；l i n g l s l 等设计了腱缆驱动的西红柿采摘四指手如图1 6 所示， 手指用复合材料制成。k i t a m u r a 9 1 等设计的甜椒采摘机器人的束端执行器也使用两 3 祈江4 工， = 学碡学位论文 指形式，如图1 7 所示。 浙江工业大学提出了一种基于气动弯曲关节的三爪气动机械手，通过控制各个 弯曲关节腔体中的气压值来控制手指的弯曲，可用于抓取水果。 每 ：塞孽曼翌争0 盖耋2 曼：i ；2 i 1 支撑面2 缆绳3 管子 4 齿轮5 支架& 触觉传感器7 吸盘一。 圈l 番茄夹持器 围1 j 番茄采摘四指手的手指 a k i s i - i i 等i l ”发明的气动两指手，可用来进行抓取橙子之类的水果，通过气压使 具有多层褶皱结构的手指弯曲，同时使用一个吸盘用来吸住和保持水果的位鼍。除 了气压系统本身固有的不稳定性外，手指的裙皱结构层数太多，结构复杂，控制困 难，而且在温室的湿热环境下，由复合材料制成的褶皱结构寿命会受到相当程度的 影响。 实际应用中大多数末端执行器是多指式。多指式末端执行器属于机器人学中的 多指灵巧手研究领域，果实的采摘可以归结为多指手对具有不同几何形状和外表特 性的物体抓取问题。在设计果蔬采摘机器人末端执行器时必须考虑被采摘果实的生 物、机械等特性以及栽培方式。目前大多数果蔬采摘机器人末端执行器为二指，主 要用于外形规则的小型果实；也有一些三指和四指的末端执行器，用于外形不规则 或较大的果实1 一。 浙江理t 人学颐j t 学位论文 图1 6 番茄采摘四措手 图1 7 甜教采摘机器人 在完成抓取动作后，末端执行器还需要将果实与果柄分离。分离方式为切断或 拧断。在条件允许的情况f ，麻尽量采用剪断果柄而不是拧断果柄的方式，避免拧 断时给果蔬表面造成伤口，导致病菌侵入使果实腐烂，例如桃、李、杏的采摘都要 求留有果柄。但对于某些束状生长、果柄较短的果实，采用剪断的方式比较困难川。 末端执行嚣中手指和关节的数量与抓取效果密切相关，数量越多，末端执行器 的自由度数日就越多抓取动作更为灵活，抓取效果更好。然而在传统的多指手或 末端执行器中，驱动器数目和关节自由度数目相等，属于全驱动机构。因此手指和 关节数量的增多意味着驱动器数目的增加，不仅导致控制上的困难，还带来传动系 统的复杂化，系统制造和维护成本增加，町靠性降低，能耗上升等负面影响。 目前果蔬采摘机器人末端执行器基本都是专用的i 。“】，采摘机器人只能对一种 果实进行收获，是采摘机器人效率难以提高的主要原因，也是制约采摘机器人未来 发展与应用推广的关键瓶颈。要突破这一瓶颈，就必须提高术端执行器的通用性和 灵活性。这就要求增加束端执行器中手指和关节的数量，但同时又会带来系统成本 和使用成本大增等负面影响，这和多指灵巧手的研究和应用现状也是一致的。尽管 2 0 多年来多指灵巧手的理论和实践研究都取得了显着的进步【“l ，但绝大多数的灵 巧手系统太复杂，成本高，通用性差，仍停留在实验室阶段，更难以运用到农业工 程实践之中。如何协调末端执行器的通用性、灵活性和成本之间的矛盾，是果蔬采 摘机器人末端执行器研究发展的方向。 理想的果蔬采摘机器人末端执行器应该具备以下特点： 通用性和灵活性强。无需更换或只需很少的调整就可以抓取不同类型的果 浙江理t 大学硕上学位论文 蔬。 系统简单、成本低、可控性好、易于操作和维护。 可以实现果蔬的无损采摘。 这就要求是必须对末端执行器进行创新设计，以结构更为简单、通用性强的末 端执行器来实现期望的抓取功能，这是一个极具挑战性和工程实际意义的难题。现 代空间机构学和人手运动机理研究的进展为解决这一难题指出了新的方法：欠驱动 多指手。 通常一般机构正常工作的条件是驱动器数目等于机构本身自由度数目，即所谓 的全驱动方式，如常见的6 自由度工业机器人都具有6 个电动机。当机构的驱动器数 目少于机构本身自由度数目，但可靠机构自身的动力约束条件来正常工作6 】，称这 类机构为欠驱动机构。多指手的手指通常有数个关节，关节数就等于该手指机构的 自由度数目，在全驱动方式下，手指上每个关节都必须加装驱动器；而在欠驱动方 式下，手指上可以只装一个驱动器，依靠弹簧和机械限位装置来实现机构正常工作 所需的动力约束条件。 以一个两关节欠驱动手指为例，其工作原理如图1 8 所示。虽然机构结构上具 有两个自由度，但由于机构设计中引入了动力约束条件( 弹簧+ 机械限位装置) ，使其 正常工作时只需要一个自由度。一旦机构运动受阻，驱动力大于动力约束，就启动 另一个自由度。 ( a )(b)(c)( d ) 图1 8 欠驱动手指工作原理示意图 图9 所示为作者设计的z s t u 欠驱动多指手c a d 模型。欠驱动多指手具有两种抓 取模式：精确捏取( 图1 9a ，b ) 和包络抓取( 图1 9c ，d ) 。仔细分析这两种抓取 6 新江理工大学硕士学位论文 模式可以发现，精确捏取模式适用于捏紧果实近端果柄后再切断远端果柄，如葡萄 等柬状生长水果；包络抓取模式适用于抓住果实后再切断或拧断果柄，如苹果、橙、 西红柿等球形或类球形水果，以及茄子、黄瓜等长条形水果。这两种模式覆盖了大 多数常见果蔬的采摘方式。 囝1 9 欠驱动多指手对不同几何形状翱体的抓取 伪x 捏取杆状物体叭耪确捏取球状物体 ( c ) 包络抓取柱状物体( o 包络抓取球状物体 和一般的全驱动多指灵巧手相比，欠驱动多指手具有驱动器数日少、成本低、 控制简单、可靠性高、体积小而且可实现对物体形状的自适应抓取等特点。欠驱动 多指手这种自适应抓取的特点由机构设计决定，不需要额外的控制。 此外，由于欠驱动多指手手指机构中存在作为动力约束的弹簧，扭簧，使多指手 本身具有一定的柔性。可通过调整弹簧刚度来改变整个多指手的柔性，再通过抓取 稳定性规划算法，并与智能力控制方法结合，可以在不损伤果蔬外表的同时实现稳 定抓取，最终实现无损采摘。 目前对欠驱动多指手研究大都集中于机械构型设计及优化方面。如国际上研究 欠驱动多指手水平领先的为加拿大l a v a l 大学g o s s e l i n 研究组开发的1 0 自由度欠驱动 三指手【1 - 3 2 1 ，只使用2 个电动机驱动，一个电动机负责三个手指的抓取开合运动， 另一电动机完成手指的转向。l a v a l 大学的欠驱动多指手随2 1 , 2 5 2 6 l 用于太空操作机械 臂，每个手指含有两组连杆机构，一组用于驱动手指的开合：另一组机构由2 个平 行四连杆机构组成，用于保持手指末端的姿态。使其在与被抓物体发生接触前都垂 直于手掌，避免将被抓取物体挤出，从而可以增加精确捏取的稳定性。而在进行包 浙江理丁丈学硕十学位论文 络抓取时，通过机械限制装置使平行四连杆机构失效，手指末端的姿态可适应物体 形状。由于姿态保持机构的存在，l a v a l 多指手的整个机构较为复杂，尺寸是人手的 2 倍，质量为9 k g ，最大负载7 0 1 吨，不适用于果蔬采摘。此外，r o d r i g u z e 等研制了 一台1 5 自由度单电动机驱动的多指手，该手无需任何传感器及反馈控制即可实现安 全而可靠的抓取【3 3 】；g i o v a n n i 等研制了一台2 0 自由度9 个驱动电机的多指手i 蚓。 国内研究单位主要有哈尔滨工业大学、清华大学、北京航空航天大学、合肥智 能机械研究所等。张文增等提出利用手指抓取物体时与物体存在的相互运动关系来 设计欠驱动多指手【3 5 】；刘宏等研制了4 手指1 3 自由度的d l r - h i t 欠驱动多指手，所 有驱动器都集成在手掌中，质量小，结构紧凑，该手还集成t 9 6 个传感裂3 6 1 ，手指 是根据欠驱动原理设计的，靠四连杆机构推动。骆敏舟等研制了锥齿轮差动传动的 三关节欠驱动手指及抓取特性p 7 ，3 羽。刘正士等设计了基于水下典型操作任务的欠驱 动手爪i 圳。 此外，g o s s e l i n 及其同事还对欠驱动多指手的运动学、抓取稳定性、抓取力分析、 参数优化设计以及基于触觉和位置传感器信息的模糊控制等作了系统研究【2 7 ，2 8 ，3 0 ，3 1 ， 柏】。陆震等研究了欠驱动多指手的优化近似控制h 1 1 。 目前国内外欠驱动多指手的应用背景主要是人工假手( 清华大学1 3 5 1 ，哈尔滨工业 大学 3 6 1 ，北京航空航天大学h 1 1 ) ，海底探测( 合肥工业大学3 明) ，宇航器仓内欠驱动手 爪( 合肥智能机械研究所d 7 ，3 跚) 及太空机器人的末端操作器( l a v a lu n i v e r s i t y 2 0 ，2 1 , 2 5 ， 驯) 等，尚未见到欠驱动多指手用于果蔬采摘的报道。 末端执行器的通用性与系统成本和使用成本之间的矛盾是制约采摘机器人未来 发展与应用推广的关键难题，目前国内外对此困难无论在基础研究还是在应用研究 上均尚无十分有效的解决思路和方案。采用欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末 端执行器，为突破这一瓶颈提供了新的思路。从系统成本、通用性以及抓取能力各 方面综合考虑，欠驱动多指手是一种理想的果蔬采摘机器人通用末端执行器。面向 果蔬采摘的欠驱动多指手是传统农业装备技术与现代机器人学的交叉融合，体现了 农业装备技术向精细化、智能化方向的发展趋势。目前，果蔬采摘欠驱动多指手尚 无成熟的工程应用实践，及时开展这方面的深入研究具有重要意义。 8 浙江理t 大学硕士学位论文 1 2 2 果蔬采摘机械臂研究状况 果蔬采摘机械臂所处的外部环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果蔬的 栽培方式有很大关系。因此，设计机械臂应在考虑栽培方式的基础上，使果实处于 其作业空间内，并且能够避免植株茎秆等障碍物，准确地抓取到果实。目前对于果 实采摘机械臂的研究主要有： 在室外的环境中，对于苹果、柑橘等树冠高大的果树，机械臂需要较大的作业 空间。韩国开发的苹果收获机器人采用3 自由度极坐标机械臂，旋转关节可以左右 转动，直动关节可以前后移动、丝杠关节可以上下移动，使作业空间可以达到3 m 。 另外，为了便于机器人的运输和在狭窄的果园内作业，设计了一种3 自由度可以折 叠的关节型机械臂【6 】。对于地面生长的果实，如甜瓜和西瓜，为使采摘和输送一次 完成，美国普渡大学e d a n 等人研制了的5 个自由度机械臂，全部采用液压驱动旋转 关节1 4 2 1 。 温室环境中作业的果蔬采摘机械臂与栽培方式密切相关。传统栽培的西红柿， 茎叶繁茂，日本k o n d o 等人研制的5 个自由度机械臂的西红柿收获机器人，效果并不 理想。为此将5 自由度的机械臂安装在可以上下、前后移动的直动关节座上，形成7 自由度的机械臂，可以上下、前后接近果实。为了简化机器人的结构，日本开发了 单串西红柿生产系统，果串从高架上下垂，遮挡物少，直接采用直角坐标机械臂就 可以完成收获1 4 引。传统的黄瓜栽培是直立生长，这样叶子很容易遮住果实。日本开 发出了v 型栽培方式，搭成v 型格子架，架子与地面的夹角为6 5 。，叶子在架子上 方，而果实垂落在架子下方，减少了障碍物。在此栽培方式下，井关农机等联合开 发了黄瓜收获机器人，6 d 自由度机械臂由一个倾斜的直动关节和5 个旋转关节组 成，倾斜关节的倾斜角度与黄瓜架的倾斜角度相同( 6 5 。) ，使手爪沿黄瓜架移动。 荷兰农业环境工程研究所( i m a g ) t 4 4 1 在三菱r v e 2 的6 个自由度机械臂的基础上，增 加一个线性滑动自由度，研究出了7 个自由度的黄瓜收获机器人的机械臂。张铁中 等人1 4 5 】研制了一种三自由度直角坐标系机械臂的草莓采摘机器人，可用于垄作栽培 的草莓收获。武传宇则从控制系统的角度出发，提出了一种农业机器人开放式控制 系统的研究方案，建立了基于p c - - i - d s p 模式的开放式机器人控制器，实现了对 p u m a 5 6 0 机器人、s c a r a 机器人、2 自由度x y 平台和移动机器人的控制m 】。 目前在机械臂机械结构的研究方面，由于机械臂的结构与果蔬的生长状态有关， 9 浙江理工大学硕上学位论文 对于温室环境中的西红柿、黄瓜和茄子等果蔬，一般采用关节型的机械臂结构。在 机械臂控制系统的研究方面，一般都是沿袭工业机器人的研究思路，采用专用的控 制系统。专用控制系统基本上是封闭式的，这种控制系统使机械臂的可扩展性、灵 活性都受到很大的限制。因此，采用开放式控制系统，使其具有良好的可扩展性、 灵活性和可重构性是农业机器人采摘机械臂研究重点之一【4 5 4 6 。 综上所述，果蔬采摘机器人技术是目前国际上极具活力的研究热点之一，但目 前大多还仅处于实验室研究阶段，尚没有可供实际生产使用的产品。在国内，本领 域的研究才刚刚起步，与国际先进水平相比，还有较大的差距，急需加大力度，加 快开展本领域的研究工作，赶上并超过国际同行的研究步伐，以满足我国农业现代 化发展的实际需要。 1 3 本文主要研究内容 本文密切结合国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 温室内全方位自主行走果 蔬采摘机器人关键技术研究项目，以果蔬采摘机器人中关键的末端执行器与多自 由度机械臂为研究对象，对末端执行器即欠驱动多指手进行了力学分析与结构设 计，制作了第一轮样机，进行了基本的抓取实验；进行了机械臂的本体结构设计， 进行了虚拟样机的建模与仿真分析，验证了样机的可行性。全文编排如下： 第一章阐述课题的目的与意义，综述国内外相关的领域的研究概况和存在的 问题，提出了以欠驱动多指手为末端执行器的方案，阐述了主要的研究内容。 第二章以螺旋理论为基础，建立了手指的静态受力模型，对抓取力作了详细 的计算，给出了实际的算例。 第三章对多指手的设计尺寸进行了综合分析，给出了当前抓取范围下的最优 结构参数，对整体结构、精确捏取机构、手掌及驱动系统作了详细的分析与设计， 并为多指手选择了合适的驱动电机。 第四章简单介绍了多指手的驱动控制系统，对所制作的多指手样机进行了实 验，验证了分析与设计结果的正确性。 第五章确定了机械臂的基本结构，简述驱动系统的选型方法，对机械臂的机 械结构与驱动系统作了详细的设计。 第六章应用m a t l a b 的机器人工具箱作了机械臂的运动学分析与计算，建立了 1 0 浙江理下大学硕上学位论文 机械臂的虚拟样机，并将m a u a b 计算结果应用于虚拟样机，验证了计算结果。 第七章对全文主要内容作了总结，提出工作中的不足与进一步的展望。 浙江理r t 大学硕士学位论文 第2 章欠驱动多指手抓取力分析 虽然在对欠驱手研究中，不断地克服各种理论困难和实际的结构设计问题，但 手指的抓取能力我们仍然不是非常清楚。机械手原型的建立往往是凭借个人感觉， 而不是借助于仿真和计算。因为整个手指只有一个驱动器，抓取力在手指上的分布 是由机械手的机械结构来决定的，在某些情况下，手指的特定指节不能提供抓取力。 这种不可控的抓取力分布将导致不稳定的抓取状态。而且手指的各个自由度是不能 单独控制的，手指的行为是由设计参数来决定的，如几何尺寸和弹性系数，因此选 择合适的设计参数非常重要。由此可见分析机械手的抓取力是十分必要的，本章将 致力于建立一个通用的计算模型以分析包络抓取时手指所产生的抓取力。 2 1 螺旋理论基础 螺旋理论是一种重要的数学工具，它具有几何概念清楚、物理意义明确、表达 形式简单、代数运算方便、理论难度也不是很高，它在空间机构的某些分析上有着 独特的优势。本章的理论基础是基于螺旋理论的，因此简单介绍螺旋理论的一些概 今【4 7 ，删 j b 0 作用在刚体上的任何力系都可以合成为一个由沿某直线的集中力与绕该直线轴 的力矩组成的广义力，这一广义力称为力旋量。任何物体从一个位形到另一个位形 的刚体运动都可以用绕某直线的转动和沿该直线的移动复合实现。通常将这种复合 运动称为螺旋运动，而螺旋运动的无穷小量就是运动旋量。 在螺旋理论中，如果空间一个矢量被约束在一条空间位置确定的直线上，则这 个被直线约束的矢量称为线矢量，定义如下 ( s ；已) = ( s ；，s ) 2 ( 1 ) 式中s 一一表示螺旋轴线方向的单位矢量，可用三个方向余弦表示， 即s = ( ，m ，z ) ； &一 线距： 1 2 浙江理工大学硕上学位论文 ， 一 螺旋轴线上的任意一点的位置矢量； 螺旋的定义为 墨= ( s ；s 。) = ( s ；，s + p s ) 2 ( 2 ) 式中s 。 一 对偶部矢量； p 一 螺距，p = s s 。s s ： 若螺旋的两个矢量部分表示为标量，即，m ，；p ，q ，r ) ，则称之为p l i i k e r 坐标。螺旋的两部分也可以以对偶标记结合起来，记为墨= s + s 。当螺距为零 时，螺旋就退化为线矢量。当螺旋表示刚体的瞬时运动时，称之为运动螺旋；当螺 旋表示力或力偶时，称之为力螺旋，在本文中主要用螺旋表示手指受到的约束力或 力偶，因此又称力螺旋为约束螺旋。 两个螺旋s = ( s ；瓯) 和s 。= ( ；) 满足下列关系时被称为是互逆的，即 so = s o ，- ! - s s o = 0 2 - ( 3 ) 式中“0 ”表示螺旋的互易积。从物理意义上看，互易积为零的两个螺旋，一个 表示物体运动，一个表示物体受到的约束力，则互易积就是力螺旋对运动螺旋所作 的瞬时功，如两个螺旋的互易积为零，则表示力螺旋不能约束运动螺旋代表的瞬时 运动。由以上运动螺旋和力螺旋的互逆定义可知，如果墨7 与墨和是互逆，则墨7 也 与墨和& 任意线性组合所得的螺旋互逆。 一组线性无关的螺旋墨，& 及其所有线性组合构成的矢量空间成为螺旋 系，可记为 墨，疋) ，以6 。称这组线性无关的螺旋墨，& ，疋为生成该螺旋系 的一组基，挖称为该螺旋系的最大线性无关数或维数。刚体在空间的所有瞬时运动 可以由一个六维螺旋系表示，即 浙江理r t 大学硕士学位论文 甄= ( 1 00 ；000 ) & = ( o lo ；000 ) 墨= ( 0 01 ；000 ) 疋= ( 0 0o ；100 ) 瓦= ( 0 o0 ；010 ) 瓯= ( 0 00 ；001 ) 上式中的六个螺旋也称为螺旋系的标准基。 2 2 手指静态模型 y l 2 一( 4 ) 图2 1 手指结构示意图 图2 1 是本文所使用的手指模型。该手指是平面的，所有的指节都是以转动关 节连接的。整个手指只有一个驱动装置。 由虚功原理可得输入和输出之间的关系： 2 一( 5 ) 其中t 为电机和指骨间的弹簧的输入扭矩矩阵，是相应的关节速度，专第i 个 1 4 o t ，瑚 | | 叱 ， 浙江理t 大学硕士学位论文 指节上接触点的运动螺旋( 假设一个指节只有一个接触点) ，蠡是该接触点的力螺 旋。操作符。指螺旋在平面内的互逆积。即： r 叁 m a = i 够 l 幺 2 一( 6 ) 其中乏指驱动装置施加在基座指节上的力矩，互是指第i 个关节的扭矩，k 是 指第i 个关节上的弹簧刚度( 注1 ) ，a o , 是指第i 个指节相对于后端指节的转动量。 塌乞= 2 - ( 7 ) 其中哆，哼，是第i 个指节相应的角速度，x 和y 是指速度在坐标轴方向的分 量，厶，z 和0 分别是指第i 个指节上相切方向的受的力，垂直方向所受的力和施 加的驱动力。可以更准确地将缶定义为： j 专- e 4 乎 2 ( 8 ) k = l 其中铲为关节关于q 的运动螺旋，考虑到接触点，该螺旋可表示为： 铲= 瑚 2 - ( 9 ) 因为每个关节连接了两个指节，且该关节是旋转关节，所以是指第i 个指节上 从o k 指向接触点的向量。e 为该平面内矩阵的叉积，即 e = 一 2 羽。， 考虑摩擦系统为固定的情况，即五= 鸬一z ，其中雠一为第i 个指节上的 摩擦系数。将这种表示方法广义化，我们可得z = a f ，其中 1 5 岛岛 互叱也 = = 瓦五 。l = 浙江理- t 大学硕士学位论文 且有： 厂甥z =刭 = 雎羽 2 一( 1 1 ) 2 一( 1 2 ) 注意，这其中的鸬可以为负数，并不一定要是静态的摩擦系数。一般而言，摩 擦力不会处在最大静摩擦的边界，尤其是多个指节同时到达，因此，鸬以一。 矩阵使我们能简单地表示，和之间的关系，但其中分量的确切值通常都不可 知。 相似地，对于，也可以写为r = ，旷，其中 因此，幺可以写为： 一 寸驴 碾0 0 0 r h 0 0 0 编 2 - ( 1 3 ) 毛t = l j + f 孓：七t 夏= 心：七u x ：七q 五、 2 - ( 1 4 ) 0 1 7 是沿着i 方向的单位力螺旋，它是和第i 个指节正交的单位 向量。同样，f = #o 7 是沿着置方向的单位向量，而z = 【o 0 1 r 是 沿着z 轴方向的力螺旋。因此，有： 因此， 1 6 2 - 0 5 ) 2 - ( 1 6 ) 虿研 + e肛 + y ，lz o 铲皖 ，料 = 缶 。 缶 、- 、 吼 ，捎 砚 + y 1r 吼 ，树 鸬 一r 幺 ，纠 l 彳 = 缶 o 毒 浙江理工大学硕t ：学位论文 其中 t r i o 口= 厂7 ( 力) = f7 ( j r o d o ) 2 - ( 1 7 ) j = j i 一z 七1 1 j 3 2 ( 1 8 ) 矩阵j 只依赖于接触点在指节上的位置，指节的相对方向，及摩擦系数( 如果考 虑的话) ，而矩阵t 依赖于机械结构将驱动力的转换到指节上的方式，矩阵t 和吃及 关节角速数相关，即 秒= t t o a 2 - ( 1 9 ) 矩阵，厶，以由公式2 - ( 1 8 ) 定义，可得 = 毛0 0 五砭0 吒：五丢墨毛 其中，杉置= k 为第i 个关节轴线到第i 个接触点的位置。 其中r 订t r = o 。 以= 0 吒三五 吒；墨 0 o l l 00i i e0 _ j j r 3 = 三 ； 矩阵和以的分量也可以表示为： 2 - ( 2 0 ) 2 - ( 2 1 ) 2 一( 2 2 ) j it 移= 巧+ c o s ( 吃) ，i j 2 一( 2 3 ) k = im = k + l j l_ ， 衫弓= 勺+ l 。s i n ( 吃) ，i d d v e b o t ( m y i o b o t ) m a f l a b 会出现如图6 3 所示的控制面板，面板上部黄色的部分表示末端执行器 ，曩-1暑_i五工。 浙江理1 人学硕士学位论立 的位置与姿态，下部蓝色的部分q 1 至q 6 分别表示各关竹变量，单位为米或弧度，可 以用鼠标拖动滚动条，也可以在滚动条右边的文本框中输入准确的数值，机械臂的 三维图形会有相应的更改以反映关节量的变化。这对于了解机械臂整体的工作原理 与工作空间是很有帮助的。 圈6 3 通过机城臂控翻面板米机械臂模型关肖变量 一= f 。口5 6 1 2 正运动学 正运动学是指绘定机械臂各关节变量以求得末端执行器位姿的问题。在工具箱 中使用蹦n e 0 函数以计算正运动学。如使用如下命令： ，q = 田0p - p i 2 0 0 1 ； ， t = l l d n e ( m y r o b o t , q ) 上述命令以各关节变量分别为01 5 ，p i 6 ，p i 2 ，0 ，p i 3 ，0 ，来计算正运动学。 m a t l a b 会给出如下结果： t2 05 0 0 00 0 0 0 00 踮6 003 6 5 6 - 08 6 6 00 0 0 0 0 加5 0 0 00 1 5 3 1 0 10 0 0 0 00 0 0 000 0 0 0 00010 0 0 0 如果想知道机械臂在这种关节变量下的样子，可以使用关节控制面板输入参数 或p l o t o 函数直接绘图得出。 浙江理t 大学硕十学位论文 6 1 3 逆运动学 逆运动学刚好和正运动学相反，是已经末端的位姿以求得