溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真_王怡旎.pdf

年 第 期 第 卷 農(nóng)機化研究 溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真 王怡旎 趙棟杰 石有圣 柳長進 李洪凱 聊城大學機械與汽車工程學院 山東聊城 聊城市科技信息研究中心 山東聊城 摘 要 為滿足中小型塑料溫室大棚作物自動對靶施肥施藥的作業(yè)需求 設計了一種 自由度繩驅(qū)并聯(lián)對靶噴施機器 人 首先 描述了其機構特征 建立運動學模型 其次 根據(jù)閉環(huán)矢量法構建繩索長度的運動學方程 使其能夠精準描述繩 索在不同位置下的長度變化 基于差分進化算法對正運動學進行數(shù)值求解 對其進行位置正 逆解分析 確保機器人在不 同作業(yè)條件下的精準定位 并通過 組隨機生成的具體算例對正 逆解分析結果進行了初步驗證 最后 構建了機構的數(shù) 值仿真模型 分別對溫室對靶噴施作業(yè)中 種作業(yè)情況進行模擬 結果表明 位置理論分析結果可信 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機 構各繩索可協(xié)調(diào)運動且運動軌跡穩(wěn)定 研究不僅為深入研究機器人動力學 工作空間和運動控制等問題提供了理論依 據(jù) 也為機器人的實際應用奠定了基礎 關鍵詞 機器人 對靶噴施 并聯(lián)機構 自由度 繩驅(qū)動 差分進化算法 建模 仿真分析 中圖分類號 文獻標識碼 文章編號 收稿日期 基金項目 山東省高校科研計劃項目 聊城市科技副總協(xié)同 創(chuàng)新項目 作者簡介 王怡旎 女 山東濰坊人 碩士研究生 通信作者 趙棟杰 男 山東聊城人 副教授 博士 引 言 隨著農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展 溫室對靶噴施機器人已 成為當今溫室植保領域的研究熱點 對靶噴霧技術 是指依據(jù)檢測到的靶標信息控制噴頭運動到目標位置 進行噴施作業(yè)的一類技術 可實現(xiàn)農(nóng)藥的高效利用和 環(huán)境保護 減少人工作業(yè)的勞動強度和健康風險 目前 溫室對靶噴施機器人驅(qū)動裝置多采用履帶式底 盤或高架軌道 雖易于實現(xiàn)對靶噴施功能 但存在占用 種植空間 增加投資成本 且難以在不同環(huán)境間靈活遷 移 等問題 繩驅(qū)并聯(lián)機構 可提供一種新的解決方案 利用繩 索代替?zhèn)鹘y(tǒng)剛性連桿來驅(qū)動機器人末端執(zhí)行器的并聯(lián) 機器人機構 具有結構簡單 適應性強和無需預留大通 道等優(yōu)點 可適用于不同規(guī)模的溫室大棚 提高了 噴施作業(yè)的安全性和效率 繩驅(qū)并聯(lián)機構作為機器人的一種新型驅(qū)動方式已 在攝像 生物 康復等領域有了初步應用 而在農(nóng) 業(yè)植保領域中的應用剛剛起步 等 設計了一 款用于農(nóng)業(yè)自動化采摘搬運的繩索驅(qū)動推車 軌道機 器人 通過繩索驅(qū)動來實現(xiàn)在軌道上的靈活移動和精 準定位 等 設計了一種為溫室內(nèi)作 物生產(chǎn)自動化而開發(fā)的繩驅(qū)并聯(lián)機器人 采用 自由 度的懸掛結構 由固定平臺和移動平臺組成 通過滑輪 絞盤系統(tǒng)控制 根纜繩來實現(xiàn)運動和操作 等 設計了一種結合了 自由度纜索并聯(lián) 機器人和 自由度三角機器人的智能農(nóng)業(yè)機器人 執(zhí) 行除草 噴灑農(nóng)藥化肥 采摘水果花卉和監(jiān)測植物健康 等任務 上述研究雖然在農(nóng)業(yè)植保方面取得了一定進 展 但多為多自由度機器人 存在結構復雜 控制難度 大和成本高等問題 且未充分考慮溫室結構的特殊性 難以滿足自動對靶噴施的需求 差分進化 算法結構簡 單 操作便捷 具有良好的可靠性 魯棒性和高效性 被廣泛地應用于機器人 機械優(yōu)化設計和并聯(lián)機構位 置正解 等 為滿足溫室中自動對靶噴施的需求 并考慮到溫 室作業(yè)的特殊性 設計一種基于 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機 構的對靶噴施機器人 對其繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學性 能進行研究 分析其位置正 逆解 通過具體算例驗證 位置分析的正確性 為進一步驗證理論分析結果和運 動學性能 建立基于 的數(shù)值仿真模型 分別對溫 室對靶噴施作業(yè)中 種作業(yè)情況進行模擬 以期為深 入研究機器人動力學 工作空間和運動控制等問題提 供理論依據(jù) 第 期王怡旎等 溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真第 卷 繩驅(qū)并聯(lián)機構 繩驅(qū)對靶噴施機器人 在溫室中 壟種植通過有序排列的土壟為作物提 供了結構化的生長空間 這種結構化布局使得 作物的高度和形態(tài)多樣性能夠與機器人在水平 方向和垂直 方向的平移運動相適應 從而實現(xiàn)了 自由度的運動模式 結合溫室整體結構和運動特性 所設計的繩驅(qū)對靶噴施機器人方案如圖 所示 繩驅(qū)對靶噴施機器人 驅(qū)動系統(tǒng) 運動平臺 驅(qū)動繩 運動平臺 驅(qū)動系統(tǒng) 對靶相機 噴槍 超聲波傳感器 圖 機器人結構方案圖 運動平臺布置在作業(yè)地塊上方 各驅(qū)動系統(tǒng)之 間 用于判定靶標位置 控制驅(qū)動系統(tǒng)運動實現(xiàn)對靶 并在對靶后完成噴施作業(yè) 驅(qū)動系統(tǒng)放置在作業(yè)區(qū)域 四周 為運動平臺的移動提供必要的驅(qū)動力 根據(jù)繩 索數(shù)目 和并聯(lián)機構自由度數(shù)目 之間的關系 繩驅(qū) 并聯(lián)機構可以分為 種類型 欠約束 完全 約束 和冗余約束 鑒于繩索 的單向受力特性 機器人需采用冗余驅(qū)動策略 即關 節(jié)的數(shù)量要超過運動自由度的數(shù)量 機器人采用 根高強度的凱夫拉繩作為機器人關節(jié)連接運動平 臺 繩索通過導向輪組與驅(qū)動組件連接 由伺服電機 控制繩索伸縮 以實現(xiàn)運動平臺平面內(nèi) 自由度的 平動 根驅(qū)動繩兩兩呈中心對稱分布 互不干涉 確保 整體結構的簡潔性 有效性和高空間利用率 目前 國內(nèi)中小型溫室大棚多為半拱圓型棚面 根據(jù)其特殊 的結構 設計 根立柱高度為 兩高兩低 橫跨度方 向兩立柱高 縱跨度方向兩立柱低 高度差不超 過 繩驅(qū)對靶噴施機器人的作業(yè)過程 根據(jù)作物種植 情況規(guī)劃運動平臺的運動路徑 運動過程中 系統(tǒng)依 據(jù)對靶相機采集的作物圖像信息 判斷靶標作物冠層 的位置和大小 并據(jù)此計算靶標作物的噴施位置 對 靶相機瞄準作物冠層中心 噴施高度依據(jù)冠層大小而 定 系統(tǒng)計算噴施位置處各驅(qū)動繩的對應收放量 通 過驅(qū)動系統(tǒng)控制運動平臺運動到位 并控制噴槍完成 對靶噴施 系統(tǒng)可依據(jù)對靶相機的反饋信息 實時檢 測對靶誤差 對靶噴施結束后 噴施平臺返回 繼續(xù) 尋找下一株作物進行對靶噴施作業(yè) 系統(tǒng)可利用超 聲波傳感器實時監(jiān)測噴施平臺周圍障礙物 若判斷障 礙物對噴施平臺的運動有影響 可及時作出規(guī)避 動作 繩驅(qū)并聯(lián)機構建模 為方便建模與分析 將繩驅(qū)對靶噴施機器人簡化 為 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機構平臺模型 搭建的簡化幾何 模型如圖 所示 運動平臺 繩索 圖 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機構幾何模型 運動平臺由 根繩線牽引 考慮到使用的凱夫拉 線直徑小 強度大 可以忽略繩線質(zhì)量 自由度繩驅(qū) 并聯(lián)機構幾何關系如圖 所示 建立以第一根立柱與底盤連接點為原點的全局 坐標系 和以末端運動平臺中心方向上為 原點的局部坐標系 滑輪上繩索引出點定 義為 在繩索與運動平臺 末端鉸接點定義為 第 卷農(nóng)機化研究第 期 運動平臺 滑輪 圖 繩驅(qū)并聯(lián)機構幾何關系圖 位置正逆解分析 逆解分析 位置逆解是根據(jù)運動平臺的中心坐標 求解該 位置下 根繩索的長度 運動平臺位 置矢量表示為 第 個繩索位置矢量表 示為 則根據(jù)矢量的運算法則得 合并式 和式 得 式中 為全局坐標系下運動平臺 的矢 量 為全局坐標系中 到第 個繩索連接點 的 矢量 為全局坐標系中立柱頂點 的矢量 為 機器人從局部到全局的坐標旋轉(zhuǎn)矩陣 首先圍繞 軸 旋轉(zhuǎn) 角度 然后圍繞 軸旋轉(zhuǎn) 角度 最后圍繞 軸旋轉(zhuǎn) 角度 旋轉(zhuǎn)矩陣表示為 null null null null nullnull null null null null nullnull null null null null null null null null nullnull null null null null null nullnull 第 根繩索的長度為 具體表示為 正解分析 位置正解是根據(jù) 根繩索的長度 確定運動平 臺的中心坐標 通過將式 式 合并 可以 得到 個非線性方程組 此方程組很難求得解析解 但可以等效為 個最優(yōu)解求解問題 故采用差分進化 算法來求解 差分進化算法 是一種基于種 群的全局優(yōu)化算法 通過模擬自然界中的進化過程來 迭代地改進候選解 與粒子群算法 遺傳算法等智能 優(yōu)化算法相比 算法使用更加簡單 魯棒性更強 并且具有全局尋優(yōu)能力 算法能夠有效地搜索 解空間 找到滿足精度要求的運動平臺中心坐標的最 優(yōu)解 適用于復雜的非線性優(yōu)化問題 基于差分進化算法對正解的求解 遵循以下步 驟 初始化種群 并定義目標函數(shù) 確定算法參 數(shù) 最大迭代次數(shù) 和收斂閾值 將目標函 數(shù) 帶入算法 若 小于收斂閾值 或者迭 代次數(shù)等于最大迭代次數(shù) 則輸出最優(yōu)解 若不滿 足終止條件 則再次進行差分 交叉 選擇 直至滿足 終止條件為止 其計算流程如圖 所示 第 期王怡旎等 溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真第 卷 圖 差分法正解流程圖 差分進化算法執(zhí)行過程包括 個關鍵步驟 初始 化種群 定義目標函數(shù) 變異操作 交叉操作和 選擇操作 其中 種群規(guī)模 應與決策變量維度 成一定比例 推薦范圍為 較大的 有 助于提升搜索能力和種群多樣性 但會增加計算成 本 鑒于繩驅(qū)溫室對靶噴施機器人為 自由度 且作 業(yè)時需保證高實時性 故將 設定為 根據(jù)位置 正解求解需求 將最優(yōu)方程的目標函數(shù)設置為 式中 為末端執(zhí)行器中心坐標 為末端執(zhí)行器出繩點坐標 此算法主要依靠差分操作 交叉操作和選擇操作 完成最優(yōu)解的搜索機制 差分操作表達式為 null null null null null null null nullnull null 式中 為從當前種群中隨機選擇的 個不同的 個體 為縮放因子 其中 縮放因子 是 算法中最敏感的參數(shù)之 一 通常實踐中 在 范圍內(nèi)取值有效 經(jīng)試驗 分析 確定 為正解計算中的最優(yōu)取值選擇 交叉操作的表達式為 null null null null null null null nullnull 式中 為交叉因子 為隨機數(shù) 用于判斷是否 對當前維度進行交叉操作 為隨機維度索引 整 數(shù) 其中 交叉因子 是影響算法搜索能力和收斂 速度的關鍵參數(shù)之一 值較高時 算法傾向于探索 新的搜索空間 有助于算法跳出局部最優(yōu)解 而 值 較低時 算法更傾向于利用當前搜索到的解 有助于 算法在找到的解附近進行精細搜索 經(jīng)試驗分析 將 設置為 能夠?qū)崿F(xiàn)探索與利用之間的平衡 同 時滿足搜索效率和計算資源需求的優(yōu)化 鑒于溫室繩驅(qū)對靶噴施機器人的應用場景要求 算法能夠快速且精準地完成對靶任務 迭代次數(shù)取 以實現(xiàn)快速收斂 同時 在對靶噴施時誤差容忍 度較低 故誤差閾值設置為 以確保噴施的 精確度 選擇操作是將選擇的兩個子個體通過目標函數(shù) 來評價檢驗個體和目標個體的適應度 如果試驗個 體的適應度 目標函數(shù)值 優(yōu)于目標個體 則試驗個體 被保留在新的種群中 否則 目標個體被保留 算例驗證 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機構各項參數(shù)值 出繩點 與 鉸接點坐標 如表 所示 表 系統(tǒng)各項參數(shù)值 主要參數(shù)規(guī)格 機體框架長度 機體框架寬度 機體框架最高尺寸 機體框架最低尺寸 運動平臺尺寸 坐標 坐標 為驗證上述運動學分析正確性 選取 組隨機生 成的運動平臺期望坐標 通過逆解獲得各繩索長度 結果如表 所示 表 位置逆解計算 序 號 動平臺期望坐標 繩索長度 第 卷農(nóng)機化研究第 期 續(xù)表 序 號 動平臺期望坐標 繩索長度 在 中建立差分進化算法正解模型 對 自 由度繩驅(qū)并聯(lián)機構進行位置正解驗算 差分進化算法 曲線圖如圖 所示 由圖 可知 算法進化到約 代時 相對誤差達到最小值 此時求得的動平臺中心坐 標 最優(yōu) 將坐標 與期望坐標 對比并由式 計算出相對誤差 結果如表 所示 圖 差分進化算法曲線圖 表 位置正解計算 序號 繩索長度 運動平臺中心坐標 相對誤差 對比表 中運動平臺中心坐標 與表 中運動 平臺期望坐標 值 兩者基本吻合 最大誤差僅為 且遠低于設定的誤差閾值 正 逆解得到相互 驗證 由此驗證了位置正 逆解分析的正確性 仿真分析 為進一步驗證上述分析結果 以及 自由度繩驅(qū) 并聯(lián)機構的運動學性能 建立基于 的數(shù)值仿真 模型 分別對溫室對靶噴施作業(yè)中作物從低到高噴 施 重復噴施 繞作物四周噴施 種情況進行模擬 直線運動實例 給定運動平臺初始位置 最終位置 設定運動平臺運動軌跡為直線運動 模 擬噴施作業(yè)中作物從低到高噴施情況如圖 所示 一 個仿真周期 軌跡方程為 null null null null null nullnull null null nullnull 式中 為單位向量 圖 直線噴施軌跡 直線運動下繩長度化曲線如圖 所示 第 期王怡旎等 溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真第 卷 圖 直線運動下繩長變化曲線 由圖 可知 繩 繩 長度變化曲線單調(diào)上升 因運動平臺向 軸正方向運動 也是繩 繩 的出繩 點 故繩 繩 逐漸縮短 繩長變化連續(xù) 符合運動學 規(guī)律 往復運動實例 給定運動平臺初始位置 最終位置 設定運動平臺運動軌跡為直線往復運 動 一個仿真周期 軌跡方程為 null null null null null nullnull null null nullnull 往復運動繩長變化曲線如圖 所示 由圖 可 知 繩 繩 長度變化趨勢相同 繩 繩 長度變化 趨勢相同 由于繩系布局非完全對稱 同組繩長非完 全相同 繩長變化曲線連續(xù)且平滑 符合運動學規(guī)律 間接驗證了所建立的運動學模型的正確性 圓周運動實例 給定動平臺初始位置 設定動平臺運動軌跡為橢圓形狀 橢圓 長軸為 短軸為 模擬噴施作業(yè)中繞作 物周圍噴施情況 如圖 所示 一個仿真周期 則角速度為 軌跡方程為 null null null null null nullnull null null nullnull 圖 往復運動下繩長變化曲線 圖 空間橢圓位置軌跡圖 圓周運動下繩長變化如圖 所示 由圖 可 知 圓周運動在空間中是個閉合圖形 其起點與終點 相連 因此在初始位置和最終位置時 根繩索的長度 保持一致 由于運動軌跡的對稱性 繩 與繩 繩 與繩 長度變化表現(xiàn)為鏡像對應 圖 圓周運動下繩索長度變化圖 仿真結果表明 位置逆解理論分析結果可信 整 個運動過程中繩索長度變化平穩(wěn) 在切入切出時都沒 有發(fā)生突變 可以滿足溫室中對靶噴施作業(yè)運動需求 結 論 設計了一種 自由度繩驅(qū)并聯(lián)對靶噴施機器 人 是農(nóng)業(yè)領域的新型植保機器人 更貼合溫室大棚 的結構特點 工作更高效 對 自由度繩驅(qū)并聯(lián)機構進行運動學建模分 第 卷農(nóng)機化研究第 期 析 利用閉環(huán)矢量法構建了運動學逆解方程 基于差 分進化算法對正運動學進行數(shù)值求解 并以繩驅(qū)并聯(lián) 機構工作空間內(nèi)的 個位置為具體算例 驗證了正 逆解算法的準確性 建立了繩驅(qū)并聯(lián)機構基于 的數(shù)值仿真 模型 進行了不同作業(yè)要求下繩驅(qū)并聯(lián)機構繩長變化 的仿真實驗 結果表明位置理論分析結果可信 自由 度繩驅(qū)并聯(lián)機構各繩索可協(xié)調(diào)運動且運動軌跡穩(wěn)定 參考文獻 蘭玉彬 閆瑜 王寶聚 等 智能施藥機器人關鍵技術 研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 農(nóng)業(yè)工程學報 陳志剛 王玉光 孟婷 等 噴霧施藥植株紅外對靶試驗 排灌機械 李毅軒 趙耀輝 汪星星 基于無人機果樹冠層卷吸效 應的窄弧扇形防漂移噴嘴設計 農(nóng)機化研究 李子含 李躍松 鄭帥 等 模塊化多關節(jié)繩驅(qū)動并聯(lián)機 器人設計 人工智能與機器人研究 靳文停 葛宜元 張闖闖 等 履帶式溫室智能噴藥機 器人的設計 農(nóng)機使用與維修 張俊雄 曹崢勇 耿長興 等 溫室精準對靶噴霧機器 人研制 農(nóng)業(yè)工程學報 增刊 王曉光 吳軍 林麒 欠約束繩牽引并聯(lián)支撐系統(tǒng)運動 學分析與魯棒控制 清華大學學報 自然科學版 許澤華 楊凱盛 陳特歡 等 繩驅(qū)動剛 柔 軟耦合機 器人的設計與分析 機械制造 侯曉曉 王蒙 農(nóng)業(yè)管理中多臺無人拖拉機路徑優(yōu)化智 能算法研究 農(nóng)機化研究 車林仙 程志紅 何兵 并聯(lián)機構及其位置分 析的差分進化算法 機械工程學報 梁玉剛 胡文彬 劉燁 等 中國壟作栽培模式的研究進 展 生態(tài)學雜志 王陽 朱孝勇 徐磊 等 壟耕模式的無人四驅(qū)四轉(zhuǎn)移動 作業(yè)平臺路徑跟蹤控制 農(nóng)業(yè)工程學報 李永泉 吳鵬濤 張陽 等 球面二自由度冗余驅(qū)動并 聯(lián)機器人系統(tǒng)動力學參數(shù)辨識及控制 中國機械 工程 蔣兵兵 改進差分進化算法對 并聯(lián)機器人的 軌跡跟蹤與位置正解研究 信息記錄材料 易小蘭 肖紅 基于阻尼減振材料下拖拉機車身輕量化 設計 農(nóng)機化研究 曲泉 基于差分進化的六自由度并聯(lián)機構運動學正解 機床與液壓 彭炫 周建平 許燕 等 基于差分進化算法的水肥配 比控制系統(tǒng)設計 江蘇農(nóng)業(yè)科學 陳金榮 許燕 周建平 等 基于改進 的紅花 目標檢測算法研究 農(nóng)機化研究 第 期王怡旎等 溫室對靶噴施機器人繩驅(qū)并聯(lián)機構的運動學分析與仿真第 卷