1、 毕业论文（设计）毕业论文（设计）外 文 翻 译外 文 翻 译题题 目目：运动学和轨迹规划的黄瓜采摘机器人机械手运动学和轨迹规划的黄瓜采摘机器人机械手系部名称：系部名称：专业班级：专业班级：学生姓名：学生姓名：学学 号：号：指导教师：指导教师：教师职称：教师职称：20*年 03 月 10 日张利兵、王雁、杨庆华、宝冠君、高锋、薰易(教育部重点实验室的机械制造及自动化、浙江理工大学、中国杭州 310012)摘要摘要：为了降低成本，提高黄瓜收获经济效益，黄瓜收获机器人得以发展。黄瓜果蔬采摘机器人由一辆汽车,一个四自由度关节机械手,一个手端,一个上一个视觉系统与监控、四直流伺服驱动系统组成。把黄瓜的
2、运动学果蔬采摘机器人机械手使用 D-H 标系建立了框架模型。而且它提供了一个逆运动学轨迹规划的基础已经解决了逆变换技术。摆线针轮运动，它具有的性能的连续性和零速度和加速度的港口及有界区间，采用一种可行的方法在关节空间轨迹规划，研究了果蔬采摘机器人的机械臂的黄瓜。此外，硬件和摘要软件基于上面的显示器之间的交流及关节的控制器的设计。实验结果表明，上面的显示器与四关节控制器的沟通，有效地摘要错误的思想和综合四关节角不超过四度。误差产生的可能因素分析及相应的解决方案，为提高测量精度的措施提出了建议。关键词关键词：黄瓜果蔬采摘机器人轨迹规划、关节机械臂、运动、摘要、摆线针轮分类号：分类号：10.3965
3、/j.issn.1934-6344.2009.01.001-007。引文：引文：张利兵，杨庆华，宝冠君，高锋，薰易。运动学和轨迹规划黄瓜收获机器人的机械手。农业与生物学工程，2009；2（1）：1-7。一介绍一介绍水果和蔬菜的收获是一个劳力密集的工作，由人类劳动和收获的成本大约是 33总数的 50，生产成本1。因此，机械化和自动化，迫切需要水果和蔬菜收获。目前，许多国家正在研究。收稿日期：08-11-20 接受日期：009-03-28传记：传记：张利兵，教授，博士，主要从事农业机器人，机电一体化和控制。王雁，博士候选人浙江工业大学，主要从事，机器人，智能仪表。杨庆华，教授，博士，主要从事机器人
4、技术，机电一体化和控制。宝冠君，讲师，博士，主要从事机器人技术，控制人数及机器视觉。高峰，副教授，博士，主要从事机电工程等。薰易，博士，主要从事视觉系统和图像处理。通讯作者:通讯作者:张利兵，教育部重点实验室机械制造、自动化、浙江工业大学 310012 技术,中国,杭州，310012。电话及传真：+86-571-88320007。电子邮箱：研究了果蔬采摘机器人,尤其是荷兰和日本。机器人的一些收获,如黄瓜、西红柿、葡萄收获机器人已广泛应用在温室里和其他人在农场上2、3。在中国,虽然研究是迟于果蔬采摘机器人在发达国家,一些有利的方面取得通过努力在国内许多高等院校和研究机构,就是这样的采摘机器人的设
5、计由中国茄子农业大学和一个番茄收获机器人浙江大学开发的。国家高技术大力支持下,国家级高新技术研究和发展计划(863)(2007AA04Z222),第一个系统化的黄瓜研究了果蔬采摘机器人在中国是联合研制开发的中国农业大学和浙江工业大学技术。它由一个车，一个 4 自由度（简称自由度）关节机械手，一最终效应，一上位，视觉系统和四个直流伺服驱动系统。由浙江工业大学，利用一种工业机械手来代替四自由度关节机械手的关节，旨在减少成本和适应环境的收获。本文主要考察了四自由度铰接式机器人运动学和轨迹规划，这是概述如下。在第一节中，结构黄瓜收获机器人机械臂描述。机械手的运动学建造的第 2 节逆运动学和第 3节中得
6、到解决。第 4 节的轨迹规划算法摆线运动。硬件和软件设计轨迹规划基于 CAN 总线技术的引入第 5 节。实验测量的实际位置 4 节进行抢修，对错误的可能原因在第 6 节进行了分析。最后，结论是画在第 7 节。二黄瓜采摘机器人机械手结构二黄瓜采摘机器人机械手结构 本文详细介绍了运动学机械手和轨迹规划的实现基于 CAN 控制总线。线图和关节机械手的照片显示在图 1。它是由四个旋转接头：腰围关节（J1），肩关节（J2），肘关节（J3）和手腕联合（J4）。一端固定在底座上，另一端连接到终端效应其中包含两个部分：一爪抓水果和切割设备另外从植物的果图 1 线框图和相片的黄瓜果蔬采摘机器人机械臂该系统采用黄
7、瓜采摘机器人多 CPU，分布式控制，上位机和联合伺服控制器的结构。此外，四个关节驱动的完美和谐的工作通过 CAN 总线通讯，有效支持分布式实时控制系统。该通信系统黄瓜收获机器人如图 2 所示。在上位监控用于监控和管理整个机器人系统，找到黄瓜目标，并规划轨迹。CAN 总线是传输的桥梁上位监控和联合控制器。伺服控制器，分布在各个关节驱动力矩马达和他们能够实现闭环控制从接受角度编码器反馈信号。图 2 通信系统中的黄瓜收获机器人三学模型坐标框架三学模型坐标框架运动学模型坐标框架 Denavit-Hartenberg 模型,构造了(D-H 型),这已被广泛使用在机器人由于它吗明确的机制和物理解释在相对容
8、易实施的程序机器人操作臂控制的。D-H 标系框架模型基于任务的笛卡尔坐标框架固定相对于机器人机械臂的每一环节。而且它描述了空间变换关系两个连续的 44 连结变换矩阵我i-1Ai，以链接的氮转化成相应的坐标框架坐标系可以被写为4,5：其中 a a 是一个是接近的方向向量；0 0 定向的矢量，n n=0 a0 a 是一个正常的向量；P P 为最终效应相对位置向量基础坐标系。在 D-H 的变换矩阵i-1Ai关一数的旋转和平移两连续帧坐标表示为6，7：其中是联合角；i是扭转角；di是一个联合抵消；ai是一个链路长度。图 3 所示的 D H 坐标系的帧机器人机械臂和表 1 总结它的 D H 参数。图 3
9、 D H 坐标系黄瓜收割机器人操作臂控制表 1 机器人的机械臂 D H 参数四黄瓜收获机器人的机械手逆运动学四黄瓜收获机器人的机械手逆运动学逆运动学问题的机器人机械手是要找到一个载体，联合变量产生一个理想的最终效应位置和方向。逆变换技术来解决问题8,9。为了挑选黄瓜方便，腕关节，必须平行于 X轴的坐标系的基础，所以可以得到：2+3+4=0对于方程（1），它可以改写为：而首先，让等式（3,4）矩阵（4）及（5）是等价的，1 可表示为：那就让等式（1，4）和（2,4）矩阵（4）及（5）是等价的，下面的公式可以得到：通过简化方程（7）：从方程（7），可得出2，3 可表示为：五在关节空间轨迹规划的基础
10、上摆线运动五在关节空间轨迹规划的基础上摆线运动该机器人的机械手轨迹规划以这种方式定义：找到共同的时空运动规律位置，速度和加速度，根据给定操作的最终效应。运动规律由轨迹规划师产生的必须使用一些特别是战略来消除额外的运动，如抖振和共鸣。他们必须是足够光滑，连续的第一及第二衍生物10,11。在规划数算法，摆线运动，尤其适合适用于点对一点，因为它的轨迹规划金额较小的计算，平滑度和连续性，零速度和加速度，并在最初的功能和有界区间12终点。它的运动曲线可以描述为13：那么它的第一和第二导数可以表示为：而 是常规时间，T 为一个收获的工作时间。图 4 显示了弯的摆线针轮运动和它的第一和第二衍生物在规范区间(
11、-1,1)。从图 4,它可以清楚地看出摆线针轮运动是平的;同时,充分的速度和加速度运动和价值观都是连续的。图 4 摆线运动和第一及第二衍生物开始和结束点的区间 01 足轻重。这证明了机器人末端执行器的的运动机器人操作臂控制不会抖振，所以它可以确保运动稳定性的机器人系统。如属联名我，轨迹规划和位置依赖定位最终效应。所以,第一步的获取轨迹规划是三维的描述目标的空间小黄瓜。这描述是基于感官信息等机器视觉以及先验信息机器人的机械臂运动学结构。从目标位置的机器人末端执行器与逆 6 日运动学(Eqs 10、12、13)。开始后关节角 qi(f)我问被红牌罚下,通过从关节控制器的摘要,这个位置,速度,加速度
12、方程的基础上摆线针轮运动可以表达为:开机后关节角度 qi(0)智商已经从通过 CAN 总线控制器的联合，位置，速度，加速度方程的基础上摆线运动可以表示为：六硬件和软件设计的轨迹规划基于六硬件和软件设计的轨迹规划基于 CAN 总线总线6 1.接口电路的接口电路的 CAN 总线总线控制器区域网络（CAN）是一种先进的串行通讯协议的分布式实时控制系统。不同的设备，如处理器，传感器和执行器可以连接到 CAN 总线通过双绞线，可以互相沟通通过交换信息。最大传输速率可达 1Mbps 的在嘈杂的环境。和它利用载波感测多重存取及碰撞检测（CSMA/CD）为仲裁机制使其附着节点有访问总线14-16。黄瓜收获机器
13、人系统采用点多点的 CAN 总线通信。该上位机和四个控制器是由联合 dsPIC30F4012 为数字信号处理器包含标准 CAN 控制器和 MCP2551 收发器。和一个 4 线接口的设计基于 CAN 总线协议（CAN2.0A），它提供电源，接地和基础两个数据线（CAN 高和 CAN 低）。该接口的 CAN总线电路示于图 5。和上监视电路板如图 6 所示。该的 CAN 总线通信，采用 1Mbps 的传输率，和消息传递由 2 个字节的标识符，1 个字节的数据长度和 8 字节的数据。消息以时间为 10 毫秒内透光根据收获的要求。CAN 总线通信具有良好的实时性能，在实际申请专利。图 5 接口电路的
14、CAN 总线图 6 上监视电路板6 1.软件设计的轨迹规划黄瓜采摘机器人软件设计的轨迹规划黄瓜采摘机器人上部显示器具有管理职能和监理的机器人系统，黄瓜目标位置和轨迹规划。该方案设计采用了模块化的构想，是由几个子程序。图 7 说明过程为黄瓜收获机器人轨迹规划。它包括如 CAN 总线发送和子程序接收，黄瓜目标捕获，逆运动学和轨迹规划。图 7 流程图的轨迹规划七实验和分析七实验和分析为了验证弹道精度规划算法和 CAN 总线通信，实验测量的实际位置的四个黄瓜收获机器人的机械手的执行关节与坐标测量机（CMM）的法鲁技术白金 FaroArm 测量臂法团。作为世界上最畅销的便携式测量臂，铂 FaroArm
15、测量臂是在尺寸规格从 1.2 米到 3.7 米，有精度高达 0.013 毫米。实验进行如下：1）设置最终 effecor 位置：Px=700mm,Py=200mm,Pz=668mm。通过利用逆运动学，四个关节角度可以计算出来方程（6）（13）：1=15.95，2=55.82，3=-33.48，4=-22.34。2）对每一节理面与摆线轨迹运动算法和发送邮件的计划角通过 CAN 总线控制器的联合。3）使用铂 FaroArm 测量臂的角度来衡量实际扭矩马达的旋转。4）其他 9 月底效应，重复（1）（3）步的位置。实验结果列于表 2。实验结果表明，四个关节角度的综合误差不超过四度。对实验误差的可能原因
16、是：（1）单关节控制精度为 01，（2）机械结构错误，包括安装和变形误差;（3）最终没有意识到效应闭环位置控制。相应的解决方案是：（1）添加一些补偿算法，以提高单关节控制精度，（2）代替铝用于 PVC 合金制造的机械手，以减少机械误差;（3）安装在一个小型摄像机最终效应，实现了闭环控制机械手。表 2 实验结果对实际测量的位置机器人机械手的四个关节 理论值（度）测量值（度）八结论八结论1)研究了果蔬采摘机器人运动学的黄瓜机械手使用 D H 坐标系建立了框架模型。逆向运动学,它提供了一个轨迹规划的基础,已经解决了反变换技术。2）摆线运动，它的性质连续性，计算量小，速度为零并在有界区间的港口加速，是建议，作为可行的方法进行规划，关节轨迹空间机器人的机械手。3）软件和 CAN 总线的硬件上位机之间的沟通和联合控制器的设计。4）实验结果表明,上面的显示器有四个共同控制器有效地沟通摘要的,综合误差四关节角均小于四度。承认：承认：这项工作是支持国家自然科学中国基金（50575206）和国家高技术研究与发展（863）中国项目方案（2007AA04Z222）。九参考文献九参考文献【1】唐秀英，张铁忠。机
