推送自鎖式肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

蔣恩臣，孟醒，權(quán)龍哲，查韶輝

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

推送自鎖式肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析

蔣恩臣，孟醒，權(quán)龍哲，查韶輝

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

為提高農(nóng)業(yè)自動化程度，改善農(nóng)業(yè)機(jī)器人的多樣性與適應(yīng)性，增大農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)空間，增強(qiáng)機(jī)械手的靈活性和作業(yè)穩(wěn)定性，文章提出一種基于三自由度的具有橫向推送和徑向自鎖功能的農(nóng)業(yè)機(jī)器人新型肩關(guān)節(jié)，并對該新型機(jī)構(gòu)進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)以及運(yùn)動學(xué)分析，運(yùn)用Matlab軟件對其進(jìn)行控制試驗(yàn)與誤差分析。結(jié)果表明，該機(jī)構(gòu)作業(yè)穩(wěn)定性好，精度可靠，工作空間可提高50%以上，可推廣應(yīng)用于多功能機(jī)器人。

農(nóng)業(yè)機(jī)器人；肩關(guān)節(jié)；自鎖；試驗(yàn)設(shè)計(jì)；運(yùn)動學(xué)

隨著計(jì)算機(jī)人工智能和自動控制技術(shù)迅速發(fā)展，機(jī)器人已越來越多應(yīng)用于各個領(lǐng)域[1-3]。其中，田間采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人類型，已引起國內(nèi)外學(xué)界的關(guān)注。

農(nóng)業(yè)采摘是一項(xiàng)勞動強(qiáng)度大，消耗時間長的作業(yè)。采摘機(jī)器人的應(yīng)用可提高勞動生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量，減輕勞動強(qiáng)度，解決勞動力不足等問題，因而具有很大的發(fā)展?jié)摿?。目前采摘機(jī)器人大多針對某一特定品種作物進(jìn)行單一采摘，且手臂的采摘范圍有限，作業(yè)穩(wěn)定性差，甚至不夠靈活，制約作物采摘的多樣性，同時意味著在單季作物采摘工作結(jié)束后，該類型采摘機(jī)器人就進(jìn)入休眠期，大幅降低采摘機(jī)器人利用率[4-5]。為充分高效地使用采摘機(jī)器人，使其產(chǎn)生更大效率，增加機(jī)器人采摘多樣性和作業(yè)穩(wěn)定性，本文提出一種能夠更換機(jī)械手且擴(kuò)大手臂采摘范圍、具有橫向推送和徑向自鎖功能的新型肩關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。

1 肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人新型肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

在U型架的內(nèi)腔底部固定一旋轉(zhuǎn)平臺，該旋轉(zhuǎn)平臺下表面固定在180°旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，在其上表面固定一套T型傘齒輪組，在沿T型傘齒輪組中軸線上依次連接增速器和180°旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，在T型傘齒輪組兩端連接兩根長度相同的梯形絲杠，交叉式折疊推進(jìn)裝置的兩端分別鉸接在兩根梯形絲杠的螺母上，其末端連接機(jī)械手推送裝置，推送裝置的外側(cè)固定機(jī)械手臂。工作時，該機(jī)構(gòu)中U型架在機(jī)械動力帶動下可實(shí)現(xiàn)徑向180°可控角度的旋轉(zhuǎn)，而在U型架腔內(nèi)的旋轉(zhuǎn)平臺在其底部旋轉(zhuǎn)舵機(jī)的帶動下可實(shí)現(xiàn)橫向180°可控角度的旋轉(zhuǎn)，同時，在舵機(jī)經(jīng)增速器增速帶動下，連接在T型傘齒輪組兩端的兩個梯形絲杠可實(shí)現(xiàn)等速反向旋轉(zhuǎn)，從而使鉸接在梯形絲杠螺母上的交叉式折疊推進(jìn)裝置實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動。

在這3種不同運(yùn)動的結(jié)合下，機(jī)械手推送裝置的運(yùn)動實(shí)際上是一種球體運(yùn)動，從而保證機(jī)械手可精確到達(dá)指定空間位置，且伸縮機(jī)構(gòu)的設(shè)置有效增大推送裝置的空間運(yùn)動范圍。在徑向采用蝸輪蝸桿傳動以實(shí)現(xiàn)肩關(guān)節(jié)的自鎖功能，從而增強(qiáng)其自身作業(yè)穩(wěn)定性。

圖1 新型肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structure model of new shoulder joint

2 肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)分析

機(jī)械手臂的功能是將末端執(zhí)行器移動到接近目標(biāo)位置，并調(diào)整方向使其容易接觸目標(biāo)。考慮作物有不同形狀、分布特點(diǎn)、栽培方式及生長環(huán)境，要求機(jī)械手有一套靈活而精確的路徑規(guī)劃，因此，需要對新型肩關(guān)節(jié)進(jìn)行空間運(yùn)動學(xué)分析。

2.1 利用D-H矩陣求解肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)正解和逆解

為描述新型肩關(guān)節(jié)的特征參數(shù)以及各自由度之間的運(yùn)動關(guān)系，采用Denavit-Hartenberg方法設(shè)定新型肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系，如圖2所示。

圖2 新型肩關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系Fig.2 Coordinate system of new shoulder joint

2.1.1 運(yùn)動學(xué)正解

已知該肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 肩關(guān)節(jié)的運(yùn)動學(xué)參數(shù)Table 1 Kinematics parameter of shoulder joint

由此可得，機(jī)構(gòu)連桿的D-H坐標(biāo)變換矩陣為：

因此，肩關(guān)節(jié)推送裝置末端位置和姿態(tài)為：

假定肩關(guān)節(jié)末端目標(biāo)位置坐標(biāo)為M（a,b,c），則：

2.1.2 運(yùn)動學(xué)逆解

所謂逆向運(yùn)動學(xué)求解，就是針對式（6）給定的末端位姿，求解機(jī)器人各個關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角[6-7]。

2.1.3 運(yùn)動學(xué)空間分析

肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的空間坐標(biāo)系O-XYZ如圖2所示，圓心O選在徑向轉(zhuǎn)軸中間位置的軸心處。已知該機(jī)構(gòu)的目標(biāo)位置坐標(biāo)為M（a,b,c），推送裝置初始位置坐標(biāo)為S1（s1,0,0），橫向轉(zhuǎn)軸初始位置坐標(biāo)為S2（s2,0,0）；機(jī)構(gòu)徑向轉(zhuǎn)角為α，橫向轉(zhuǎn)角為β，推進(jìn)裝置推送距離為s，由于肩關(guān)節(jié)末端的運(yùn)動為球體運(yùn)動，則：

因此，推送自鎖式肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作空間可提高：

為了保證肩關(guān)節(jié)整體的緊密性以及機(jī)構(gòu)末端力矩的合理性，該機(jī)構(gòu)橫向轉(zhuǎn)軸與徑向轉(zhuǎn)軸的距離s2控制在<10 cm，而推送距離s控制在10～15 cm，因此由式（9）可得，該推送自鎖式肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作空間可提高50%以上。

2.2 求解雅可比矩陣

雅可比矩陣是關(guān)節(jié)空間速度向笛卡兒空間速度的傳動比。因此，利用雅可比矩陣可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在笛卡兒空間的速度控制。

對于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的第i個連桿，其雅可比矩陣的列矢量為：

Ji=[(p×n）z(p×o）z(p×a）znzozaz]T，由式（1）和式（2）得：

對于平移關(guān)節(jié)的第j個連桿，其雅可比矩陣的列矢量為：

因此，機(jī)構(gòu)的雅可比矩陣為：

3 實(shí)體搭建與試驗(yàn)

在設(shè)計(jì)好機(jī)械手新型肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)模型并對其進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析后，搭建該新型肩關(guān)節(jié)的實(shí)體結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 新型肩關(guān)節(jié)的實(shí)體圖Fig.3 Entity graph of new shoulder joint

在搭建好新型肩關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)實(shí)體后，對其進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M及程序控制，試驗(yàn)步驟如下：

1）隨機(jī)選取六組不同的目標(biāo)位置，并通過運(yùn)動學(xué)逆解求出六組與之相對應(yīng)的轉(zhuǎn)角α、β和推送距離s；

圖4 新型肩關(guān)節(jié)的控制界面Fig.4 Control interface of new shoulder joint

2）創(chuàng)建機(jī)械手新型肩關(guān)節(jié)的上位機(jī)控制界面，如圖4所示（轉(zhuǎn)角一即α，轉(zhuǎn)角二即β）；

3）將搭建好的機(jī)械手新型肩關(guān)節(jié)連接到上位機(jī)；

4）打開上位機(jī)通訊，將已求得的α、β和s輸入到通過Matlab編寫的控制程序中，進(jìn)行試驗(yàn)；

5）記錄數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

通過試驗(yàn)得到六組目標(biāo)位置的試驗(yàn)值，如表2所示。

表2 新型肩關(guān)節(jié)的試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Test parameters of the new shoulder joint

試驗(yàn)得到上述數(shù)據(jù)后，在Matlab環(huán)境下繪制出6組不同目標(biāo)位置進(jìn)行誤差分析，如圖5所示。

圖5 肩關(guān)節(jié)目標(biāo)位置的試驗(yàn)值和理論值Fig.5 Shoulder joint target location's test value and theoretical value

通過圖5中目標(biāo)位置試驗(yàn)值與理論值的空間落點(diǎn)可以看出，新型肩關(guān)節(jié)在試驗(yàn)過程中存在一定誤差，但機(jī)構(gòu)目標(biāo)位置試驗(yàn)值和理論值非常接近，誤差在允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。其中，存在誤差的原因以及優(yōu)化方法如下：（1）所選用的舵機(jī)扭矩偏小或脈寬頻率不穩(wěn)定；可選擇大扭矩、高精度的舵機(jī)解決；（2）供電電壓不穩(wěn)定；可在系統(tǒng)中安裝穩(wěn)壓模塊解決；（3）機(jī)械加工及安裝過程中存在誤差；需嚴(yán)格控制加工精度，保證安裝精度；（4）所選運(yùn)行路徑不是最優(yōu)路徑；需進(jìn)行路徑優(yōu)化，確定選出最優(yōu)解；（5）機(jī)構(gòu)所用材料具有一定彈性；可選擇剛性材料解決。

4 結(jié)論

本文提出一種基于三自由度的具有橫向推送和徑向自鎖功能的農(nóng)業(yè)機(jī)器人新型肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，并對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，運(yùn)動學(xué)分析以及實(shí)驗(yàn)誤差分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：由于增設(shè)了機(jī)械手推進(jìn)裝置，使得機(jī)械手的運(yùn)動范圍在原球面的基礎(chǔ)上向外擴(kuò)展，加大新型肩關(guān)節(jié)工作范圍，可提高50%以上；由于在新型肩關(guān)節(jié)的徑向采用蝸輪蝸桿傳動，使得新型肩關(guān)節(jié)具有徑向自鎖功能，增強(qiáng)其作業(yè)穩(wěn)定性；經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析，該新型肩關(guān)節(jié)的作業(yè)誤差在允許范圍內(nèi)，拆裝方便，可推廣應(yīng)用于多作業(yè)機(jī)器人。

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Experimental design and analysis for a new shoulder joint with pushing and self-locking function

JIANG Enchen,MENG xing,QUAN Longzhe,ZHA Shaohui(School of engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China)

In order to improve the degree of automation in agriculture,ameliorate the diversity and adaptability of agricultural robot and increase the work space when agricultural robot works,enhance the flexibility and operation stability of manipulator,the dissertation puts forward a kind of new shoulder joint of agricultural robot with pushing and self-locking function which was based on 3-D,and also carried out the principle design and kinematics analysis of the new mechanism,did the control experiment and analysed the result's error by Matlab.The experimental results showed that this mechanism's operation stability was good, its accuracy was reliable and its work place could improve more than fifty percent,and it could be popularized to the structure of multijob robot.

agricultural robot;shoulder joint;self-locking;experimental design;kinematics

S767.5；X172

A

1005-9369（2014）02-0089-05

2012-12-24

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2011BAD20B08）；教育部博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金項(xiàng)目（20132325120007）

蔣恩臣（1960-），男，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械化工程。E-mail：ecjiang@sina.com

時間2014-1-17 16:37:31[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20140117.1637.006.html

蔣恩臣,孟醒,權(quán)龍哲,等.推送自鎖式肩關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(2):89-93.

Jiang Enchen,Meng xing,Quan Longzhe,et al.Experimental design and analysis for a new shoulder joint with pushing and self-locking function[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(2):89-93.(in Chinese with English abstract)