苹果采摘机器人机械臂优化设计及仿真.pdfVIP

第 卷 第 期 北 京 工 业 大 学 学 报 年 月 苹果采摘机器人机械臂优化设计及仿真 李 伟 , 李 吉 , 张俊雄 , 陈 英 , 任永新 中国农业大学 工学院 , 北京 摘 典 为了提高苹果采摘机器人的收获空间和采摘效率 ,减小机械嘴的操作空间和结构尺寸 以适应果树 的 非结构化环境 ,结合苹果果树的特点和生长环境 ,采用参数化分析方法 ,探讨 了机器人基座高度 、采摘距离与机 械臂长度 、转角和操作空间 、工作空间之 间的关系 ,优化 了苹果采摘机械臂结构参数 在求解位移正逆解和雅克 比矩 阵基础上 ,通过 和 建立 了集三维实体设计 、动力学建模 、 控制于一体的交互式仿真系 统 仿真结果表 明 ,在满足果园采摘条件 的前提下 ,该机械臂结构简单 、紧凑 ,能收获 目标 区域 内 以上 的 果实 , 以最优结构尺寸获得 了最佳收获空间 关桩词 采摘机器人 参数化分析 机械臂 中圈分类号 文献标识码 文章约号 一 一 一 采摘机器人是工作在非结构环境下的机器人系统 ,通过各种传感器对被采摘果实进行识别 、定位 ,利 用末端执行器实现果实的抓取与分割 机械臂结构及运动精度直接决定 了末端执行器 的工作范 围和采摘 成功率 ,是采摘机器人的最重要组成部分 与工业机器人相 比,非结构化 的工作环境和操作对象 的易损伤 性 ,对机械臂 的形状和结构提 出了更高的要求 同时 ,机械臂 的工作空间对采摘模式和采摘效率有很大影 响 , 因此 ,机械臂 的优化设计在采摘机器人的设计 中占据重要地位 〔‘〕 提〕出了机械臂可操纵性指标 ,对末端执行器的指 向和定位进行 了优化 等 通过对 机械臂进行运动学和动力学分析确定机械臂 的最优结构 等 提 出了全局可操纵性 能指标 ,并 对 纯 机器人机构及尺寸参数进行优化设计 等 ”提 出了机械臂灵活度 的方 向恒 定特 性 ,并据此对柑橘收获机器人结构进行设计 和 提 出通过 方法 ,对机 械臂运动学和动力学参数进行优化整合 ,提高 了机械臂 的工作性 能 国内梁喜凤等川应用蒙特卡洛方法 对番茄收获机械手工作空 间进行 了仿真和分析 崔玲丽等 基于 同时设计 思想 ,对柔性机械 臂进行 了全 局优化设计 ,提高 了系统 的整体性 能 作者结合苹果果树特点建立 了数学模型 ,采用参数化分析方法对苹果采摘机械臂采摘空间 、结构参数 进行优化设计 ,并建立非结构环境下的机器人仿真系统 ,通过联合仿真对设计结果进行检验 机械臂结构参数计算 目标采摘空间的确定 对苹果果树种植环境和树冠形态进行调研 ,结果表 明 树冠顶部和底部苹果分布较少 ,树冠 中部苹果 分布较 多 ,约 以上的苹果分布在 轴方 向距地面 一 、 轴方 向距树干 一 的空间 苹果的分 布在 阴阳面没有 明显差异 本文最终确 定 一 面果树 的采摘 区域 为 图 所示矩 形剖面线 区域 , 宽度和 长度均为 收稿 日期 一 一 基金项 目 国家 “八六三 ”计划资助项 目 作者简介 李 伟 一 , 女 , 吉林长春人 , 教授 , 博士生导师 北 京 工 业 大 学 学 报 年 机械 , 参数 的确定 苹果采摘机械臂为 自由度关节型 ,其结构 简图见 图 以基座底部 中心为坐标原点 , 建立 坐标系 ,对机械臂进行参数化 , 如 图 所示 基 座高