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一个用于农业的重型搬料机器手的设计与控制 摘要：在这篇论文中，我们打算设计一个用于农业上重料搬运的机械系统，在了解农业机器人必威体育精装版知识之后设计这个由移动平台和机械臂所组成的系统，这个系统的控制部分设计存在参数摄动和不确定性,同时避免了保守的结论。通过运输西瓜的试验验证了结构和控制系统的正确性，此外，明确的设计过程已经在控制系统与结构上得到确证，而且用了三个关键的设计工具阐明。 关键字：农业机器人 机械手 鲁棒控制 评价指标 1 背景介绍 在农业领域，要完成各种各样的搬运重物的操作。例如，收割的时候，农民要在秋季处理很多的蔬菜，另外，在日益普及的有机农业领域，农民在施肥的季节要运大量沉重的肥料。这些操作是枯燥无味的，重复的，而且需要一定的力量和技巧。二十世纪八十年代开始大量开发和研究农业机器，Kawamura等人在1984年发明了一个果园的采摘机器人，Grand等人在1987年发明了收获苹果的机器，他们的研究都是基于其他人的发明,在开放领域，许多他们的研究特别是检测系统的设计和报告都基于基本操作的实现。综合考虑，这些研究都只是明确定义了结构或者是控制系统，极少为结构和控制系统编制明确的程序。无论如何，当前的农业机器人还没有达到商业推广的阶段，他们还处于研究和发展的阶段，因此，通过更深入的研究去提高绩效和降低成本非常重要。除了一些先进的组成部分，目前还不知道有多少程序可以提高，这是一个很严重的问题，因为我们不清楚是否还有设计工具可以使绩效和成本的评价降低。为了弄清楚这些设计工具的状态，我们必须确定一个明确的结构和控制系统的设计程序。 在这幅图中，可以看到我们实现了机械机器人的搬运，更准确的说，移动平台和机械手的结构系统已经通过必威体育精装版的关于农业机器人的建议进行了选择和设计，同时，控制系统在不确定性以及避免保守的情况下也已经进行了设计，两个系统的有效性通过在一个开放领域执行现场实验得到了证实，这些实验的结论是这篇论文最大的贡献。现场实验表明,总操作时间和成功率与工人的熟练程度有关，此外，一个显式的设计过程作为设计工具评估农业机器人可能的改进,这是本文的另一个重要贡献。本文组织如下，第二部分提出了工业机器人的一个新的性能指标，第三部分论述了移动平台和机械手的结构设计，第四部分用分析的方法设计了控制系统，第五部分通过户外实验证实了系统的有效性，第六部分是这篇论文的总结。 2 全局性能指标 在这部分我们我们讨论农业机器人的评价指标。总的来说我们无法在没有性能指标的情况下做出合理的设计，对于一般的机器人已经有了很多的指标。例如，可操作性是一个通用的指标，还有很多特殊的指标，例如空间预留是为了避免机械和植物之间的碰撞，危险程度是避免机器和人碰撞。然而这些指标都是关于空间和时间的，从整体的角度来研究机器人，还有一个可应用的指标叫做“理论容量”，已经被用于农业车辆，像卡车，收割机等。他的定义：Ct = wmVm, (1) Wm是机器工作宽度，Vm是直线运行速度。事实上，Wm是末端的宽度，Vm是最大速度，下标m意味着依赖机器的工作，e意味着依赖工作环境，c意味着两者兼备。他存在两个问题，第一他不能用于高自由度机器，像机械手，因为他是基于已经存在的低自由度的农业车辆，第二他没有考虑机器人和环境之间相互作用的载荷和翻转。 为了解决这些问题我们介绍一个新的指标，首先我们从某一工作环境开始，在农业领域，工作环境被分为两类，田地和道路，这表明也分为田地内移动和道路上移动。第二幅图显示了一种农业机器人的工作环境，由种植区和机械移动区组成，Be 指种植区的宽度，We 指移动区的宽度，Le 指种植区和移动区的长度，me 格子的列数，Ne 指格子的行数，Be 指宽度方向的间距，le 指在长度方向上由低向高的间距。 这个模型有如下的特性 植物的密度定义近似如下 这种近似基于经济时间和测量值。Se是场面积和常数，生产区域的面积如下 这是一个通用的方程式。 另一方面， 让Mc作为能够同时感知机械的成长区的面积，那是空间和视场的相交处种植区域的数目，对于常规的农业车辆，有wm = McBe，考虑到规范的计划，机器在种植区域直线运动的工作时间如下 Tmm 对于一个作物的操作时间 Tpm 感知时间 Tlc 装卸时间 L1c 装卸距离 T sc 的第三项是装载时机器从运动区域的一侧到另外一侧，同时前后穿梭运动的时间， 转弯的工作时间是 Tπm是旋转180度的时间，总的来说工作时间是 这是一个全球性工作时间方程，为简单起见省略功能符号，从5到8，一个新的评价指标如下 这一个工作频率明确定义了TFC的第一个问题（即，TFC不能用于高度的自由度机制的自由机制），在现有农用车辆的情况下，如果we = 0, 这相当于TFC第二个问题（即，TF