黄瓜采摘机械手运动规划与控制系统设计

图 １ 采摘机械手结构简图
收 稿 日期 ：２０１６—１２—２９ 作者简介 ：王燕（１９８１一及智能仪表方 面的研 究 基 金 项 目 ：河 南 省 高 等 学 校 重 点 科 研 项 目（１６Ａ４１３００７）．
第 ２期
王 燕 ：黄 瓜采摘机械手运动规划与控制系统设计
机械臂 ４个 关节 的机 械结 构形 式基本 相 同 ，均 采用 直 流力矩 电 机 串接谐 波减 速器 的传 动 方式 ，所 设 计 的机 械 手 利 用 ＣＡＮ 总线 通 信 技 术 ，所有 关节 只需 ４根 连线 （两 根 电 源 线 和 两根 通信 线 ） 即 可实现与上位机及关节之间的通信 ；各关节控制器具体执行各关节 的位 置 和速度 控制 算法 。智 能关 节 的设 计 简化 了系 统布线 ，缩 小 了 控 制 系统体 积 ，可 方便 地实 现机 械臂关 节 的扩展 ，这 为机 器人 构件 的标 准化 、模 块化 提供 了有 利条 件 。
迹 ，如果 直 接 采 用 基 于 摆 线 运 动 的规 划 ，会 碰 撞 其 他 果
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２ 黄瓜采摘机械手运动规 划算法
运 动规 划是 根据 末端 执行 器 的作 业 要 求来 设 计 各 关 节 位 移 、速 度 、加 速度 对 时 间 的运动 规 律 ，规 划 函数 必须保 证关 节 变量及 其前 两 阶导 数 的连续 性 ，使 规 划 的关 节 轨迹 光 滑 ，同时 应 尽量 较 少 额 外 的运 动 如游移 和抖 振 ＿８］。摆线 运动 因其 计算 简单 ，轨 迹连 续平 滑 ，并能在 有 限 区间的端 点产 生零速 度 和零加 速 度 ，特别 适用 于点 到点 的关 节空 间轨迹 规划 。在正则 形式 下 ，其运 动方 程可描 述 为 ：
ｓ（丁）＝７－一 １ ｓｉｎ２盯ｒ 。
（１）
容 易得 到它 的各 阶导数 为 ：
ｓ （ ）＝ １～ｃｏｓ２－ｒｒｒ， ５”ｆ ） ＝２＂ｒｒｓｉｎ２盯 。
（２） （３）
其中： ＝七Ｌ ＝ ， 是归一化时间，Ｔ为规划时间。
ｆ — Ｌ０
１
从初 始工 作状 态位 姿运 动到 目标 黄瓜过 程 中 的这 段轨
机 运 动控 制 器 ４－ＣＡＮ 总线 ４－ＤＳＰ关 节控 制 器 的 分 布 式 控 制 系统 。 机 械 手 定 位 精 度 测 试 实验 结 果 表 明 ：机 械 手 定
位 精 度 可 达 ６．９ ｍｍ，基 本 可 满足 黄瓜 采摘 作 业 的要 求 。
关键 词 ：黄瓜 采摘机械 手 ；运动规 划 ；控 制 系统
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｉ．ｉｓｓｎ．１６７４ —５４０３．２０１７．０２．０１６
中图分 类号 ：ＴＰ２７３ ４ －５
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１６７４—５４０３（２０１７）０２—００５６—０５
农 业机 器人是 一类 以农 产 品为 操 作对 象 、兼 有 人 类 部 分信 息 感 知 和 四肢 行 动 功能 、可重 复 编 程 的 柔 性 自动 化或半 自动化设 备 。采摘 机器 人作 为农 业机 器 人 的重 要类 型 ，具 有 很 大 的发 展 潜力 。 目前 ， 日本 、 荷 兰等 国 已研 制 出应用 于温 室和 小型农 场 的西 红柿 、黄瓜 、甘蓝等 多种 采摘 机器 人 ¨ Ｊ，我 国在该 领 域 中 的研究虽然还处于起步阶段 ，但也取得 了一些可喜的成果 ，如 中国农业大学研制 的草莓 、茄子采摘机器 人 和浙 江大学 研 制 的番茄 收获机 械 手等 。综合 国内外果 蔬采摘 机 器人 的研 究文献 发 现 ，对 于 采摘 机 器 人 的研究 大 多集 中在视 觉 系统 对 目标 果 实 的识 别 和 定 位 上 ，对 机 械 手 本 体 结 构 与 控 制 系 统 的研 究 较 少 。 很 多农 业采 摘机 器人 大都 直接 购买 现有 的工业 机械 手 ，控制 系统 采用 ＰＣ机 ＋运动 控 制卡 的结 构 形 式 ，这 就存 在 机构 笨重 、成本 高 、智 能化 水平 不 够 高 等 问题 。针 对 这种 情 况 ，研 制 了一 套 四 自由 度关 节 型 采 摘 机械 手 ，并提 出 了基 于 ＤＳＰ上位 机 运动控 制器 ＋ＣＡＮ总 线 ＋ＤＳＰ关 节 控 制 器 的控 制 系统 结 构 ，并 通 过 实 验 验证 了机 械手 及控 制 系统 的性 能 。
第 ２７卷 第 ２期 ２０１７年 ６月
洛阳理工学 院学报 （自然科学版 ） Ｊｏｕｒｎａ ｌ ｏｆ Ｌｕｏｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ）
ＶｏＬ ２７ Ｎｏ．２ Ｊｕｎ．２０１７
黄 瓜 采 摘 机 械 手 运 动 规 划 与 控 制 系 统 设 计
１ 黄瓜采摘机械手机械结构设计
黄瓜采摘机械手机械本体 主要 由机械臂 与末 端执行 器组成 。机械 手实物如 图 １所示 ，由腰关节 、肩关节 、肘关 节 和腕关 节 ４个 旋转关 节组成 ，属于关节式机械 手 ，它 的一端 固定在基 座上 ，另一端 自由并 安装末端执行器。机械 臂前 ３个 自由度 来确定 目标 果实 的位置 ，而为 便于采摘 ，应使末端执行器在采 摘过程 中保持水 平 ，在腕关 节加一个 旋转 自由度 ，故 ４个 自由度 的机械臂 即可满足采摘作业要求 。
王 燕
（洛 阳理 工学院 电气工程 与 自动化 学院 ，河南 洛阳 ４７１０２３）
摘 要 ：针对现有采摘机 器人 存在机 构笨重 、成本 高、智 能化 水平低 下等 问题 ，研 制 了一套 四 自由度 关节 型采
摘 机 械 手 。 结合 黄瓜 采摘 作 业 的 特 点 ，采 用 两段 摆 线 运 动 组 合 的 水 平 抓 取 运 动 规 划 算 法 ，提 出 了基 于 ＤＳＰ上 位