基于D-H法油茶果采摘机器人正运动学分析

连一个坐标 系 ， 那么若 其 中一个 关节发 生 了运动 ， 但
是 该 关节 在 相 对 于 上 一 个 关 节 固连 的 坐 标 系 中 的 位
油 茶果 采 摘 机 器 人 基 于 振 动 原 理 实 现 对 油 茶 果
姿 并 未发 生 变 化 ， 仅仅 是 下一 个 关 节 的位 姿 相 对 于 该 关 节 固连 坐 标 系发 生 了变 化 ， 其 他 关 节 相 对 于 相 邻 关
果 采 摘 机 器人 正 运 动 学模 型 ， 为今 后 进 一 步研 究 实 验 提 供理 论 依 据 。
关键 词 ：油茶 果采摘机器人 ；Ｄ — Ｈ坐标 系法 ；正运动学分析 中图分 类号 ：ＴＰ ２ ４： Ｓ １ ２ ６ 文献标 识码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ０ ０ ３ — １ ８ ８ Ｘ（ ２ ０ １ ４ ） ０ ４ － ０ ０ ２ ５ － ０ ４
姿态 （ 位置 和 姿态 ） 。 油茶 果 采 摘 机 器 人 正 运 动 学 分 析 其 主 要 目的 如
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ — ０ ４ — ２ ７
和对 机器 人 进 行运 动 建模 的标准 方 法 Ｊ 。 如 果 机器 人 存在 ｎ个关 节 ， 那 么 需 要 为 该 机 器 人 建立 ｎ ＋ １个 坐 标 系 Ｊ 。 固连 在 基 座 上 的坐 标 系 为 基 准 坐标 系 ， 记 为 坐标 系 ｛ ０｝ ； 与第 ｉ 个 关 节 固连 的坐 标 系为 坐标 系 ｛ ｉ ｝ ； 机 械 手 固 连 坐标 系 为 坐 标 系 ｛ ｎ ｝ ， 其
极其 广泛 。茶油作为油茶果加工后的食 用油 ， 含有 丰
富 的 营养 成分 ， 为 广大 消 费 者 所 喜 爱 ； 同时 ， 油 茶 果 经 加工 后 还 可 用 于 工 业 润 滑 和 防 锈 等 。 我 国 油 茶 产 业 发展 经过 了一 段 较 为 曲折 的 过 程 ， 曾在 ２ ０世 纪 得 到
２ ０ １ ４年 ４月
农 机 化 研 究
第 ４期
基 于 Ｄ—Ｈ 法油 茶 果 采 摘 机 器 人 正 运 动 学 分 析
张 翔 ，李 立 君 ，易春 峰 ，高 自成 ，彭 少 波
４ １ ０ ０ ０ ４）
（ 中南 林 业科 技 大 学 机 电工程 学 院 ，长 沙 摘
要 ： 油 茶 作 为 一 种绿 色 植 物 ， 其 产业 在 中央 、 地 方 的大 力 支 持 下 得 到 了较 快 、 长足的发展 ， 但 限 于 目前 油 茶
０ 引言
油 茶 作 为一 种 天 然 绿 色 植 物 ， 其 果 实 油 茶 果 用 途
下： 在得 知 机 器人 的每 一 个关 节 的转 动 角度 或 者 移 动
距 离 的前提 下 ， 再 以此 确 定 机器 人 的 机械 手 所 表 现 出 的空 问位 姿 。此 理 论 基 础 为 今 后 进 一 步 研 究 机 械 手
产业 的发 展 。
方程 。他们认 为 ， 在 复杂多关 节机器人 中， 采 用传
统坐 标 系来 确 定每 个 关 节 的空 间 位 姿 极 为 复 杂 ， 如 果 其 中有一 个 关 节变 动 ， 则将 涉及 到很 多关 节 的空 间位 姿相 对 于绝 对 坐标 系 的变 化 ； 但 如 果 给每 一 个 关 节 固
节 的均未 发 生 改 变 。该 方 法 目前 已成 为 表 示 机 器 人
采摘 。该 机器 人 的机 械 手部 分 采用 曲柄 滑 块 机 构 ， 并 将 滑 块 与 树 干夹 持 机构 （ 夹头 ） 固连 在 一 起 ， 从 而达 到 将 曲柄 的转 动 转 换 成 滑 块 的来 回移 动 并 带 动 树 干 往 复振 动 的 目的 ， 最 终使油 茶果从树 枝上震 落下来 ， 实 现油 茶 果 采摘 。与 此 同 时 ， 油 茶 果 采 摘 机 器 人 也 是 一 个２ Ｐ ４ Ｒ ６自由度机 器 人 ， 其 中的关 节 １ ， ２ ， ３用 于控 制 夹头 的空 间位 置 ， 关节 ４ ， ５ ， ６用 于 控 制 机 械 手 的空 间
谷， 而 后 发 展 极 为 缓慢 。进 入 ２ １世 纪 ， 我 国 油茶 产 业 在 中 央和 地方 的大 力 支 持 下 得 到 了较 快 的 发 展 ， 为 我 国油茶 产 业 的 发 展 创 造 了 良好 的 政 策 环 境 和 机 遇 。 但是 在 此 良好 的发 展 势 头 下 ， 油 茶 果 采 摘 机 械 化 程 度 低、 人 工采 摘 油 茶效 率 低 下 的 问题 已严 重 制 约 了油 茶
用 来 表示 机 械 手 的空 间位 姿 。Ｄ— Ｈ 坐标 系建 立 的 方
法为 ：
１ ） 在 为 每个 关 节 建 立 Ｄ— Ｈ坐标 系时， 必 须 指 定
一
基 金项 目 ：林 业公益性 行业 科研 专项 基 金项 目（ ２ ０ １ ０ ０ ４ ０ ９ ０ ）； 湖南科 学技术厅科 研条件创新 专项 （ ２ ０ １ ２ ＴＩ ＇ ２ ０ ４ ８ ）
作 者 简 介 ：张 翔（ １ ９ ８ ８ 一） ， 男， 四川渠 县人 ， 硕 士研究 生 ， （ Ｅ— ｍ ａ ｉ ｌ ）
果 采 摘 机 械化 程 度 低 ， 致 使 人 工采 摘 效 率 低 ， 严 重 制约 了油 茶 产业 的发 展 。以机 器 人 坐 标 系建 立 最 为 常用 的 Ｄ— Ｈ 坐标 系法 为 基 础 ， 并 对 Ｄ— Ｈ坐 标 系 的 建 立予 以介 绍 ， 以 自行 研 制 的 油 茶 果 采 摘 机 器 人 为 研 究 对 象 ， 建 立 油 茶
了大 面积 的种 植 ， 由于一 些 特 殊 的历 史 原 因 又跌 入 低
奠定 了 良好 的基 础 。
１ Ｄ － Ｈ坐 标 系简 介
Ｄ — Ｈ坐标 系是 Ｄ ｅ ｎ ａ ｖ ｉ ｔ — Ｈ ａ ｖ ｔ ｅ ｎ ｂ ｅ ｒ ｇ ＿ ｌ 在 １ ９ ９ ５年 提出的， 对 机 器 人 进 行 了表 示 和 建 模 ， 并 推 导 出 运 动