基于FPA的多指機械手及其在果實采摘中的應用研究.pdf

1、多指機械手作為機器人與外界環(huán)境互相作用的末端執(zhí)行部件一直受到研究人員的關注。傳統(tǒng)的機械手爪存在抓持動作單一、自由度少及通用性差等缺點,嚴重制約了機器人的發(fā)展與應用。
　　 在果實生產(chǎn)中,收獲采摘作業(yè)約占整個作業(yè)量的40％。隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動力的減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也將隨之提高。因此,發(fā)展機械化收獲技術,研究開發(fā)果實采摘機器人,具有重要的現(xiàn)實意義。本文在以往研究的基礎上,進一步深入研究了基于FPA的彎曲關節(jié)的基本特性,分析了

2、三自由度手指的輸出力特性、提出了新型氣動柔性多指采摘機械手的設計目標、機械結構和傳感檢測單元配置、控制算法,通過模塊化設計,能夠較好地適應不同種類果實的采摘。主要完成的研究工作如下:
　　 (1)提出了由FPA直接驅(qū)動的彎曲關節(jié)。從靜力學的角度,建立彎曲關節(jié)的轉角及輸出力矩靜態(tài)模型;以熱力學第一定律為理論依據(jù),結合彎曲關節(jié)的動力學方程,推導了關節(jié)的動態(tài)模型。對彎曲關節(jié)進行了靜態(tài)特性測試實驗,實驗結果與仿真結果基本一致;關節(jié)轉角開

3、環(huán)階躍響應時間大約是1s,關節(jié)輸出力的開環(huán)階躍響應時間大約是0.5s;采用前饋補償及PI反饋控制可使關節(jié)轉角實現(xiàn)精確控制。
　　 (2)提出了基于專家控制器的柔性手指指端抓持模型。基于氣動柔性彎曲關節(jié)設計了一種三自由度手指,采用D-H法建立了三自由度手指的運動學方程及力雅可比矩陣;在分析手指受力狀況的基礎上,建立了指端輸出力與各個關節(jié)FPA內(nèi)腔氣壓值之間的映射關系,實驗結果與指端輸出力模型基本吻合。建立了氣動柔性彎曲關節(jié)的剛度模

4、型,進行了實驗研究,其結果與仿真曲線基本一致;進一步分析了三自由度手指指端剛度,并進行了仿真研究。介紹了一種基于關節(jié)柔性的手指指端抓持模型,針對不同類型的干擾力,分析了手指指端抓持的穩(wěn)定性,提出了基于專家控制器的柔性指端抓持控制,并完成了相應的實驗研究,取得了良好的控制效果。
　　 (3)提出了一種手指指節(jié)正壓力可控的包絡抓持模型。分析了目標物體受力狀況,按照手指指節(jié)與目標物體之間的各個接觸力大小盡量均勻的原則,對目標物體受力進

5、行了優(yōu)化。建立了關于手指指節(jié)接觸點所受到的正壓力及摩擦力與關節(jié)FPA輸出力之間的力學模型。使用兩個觸力傳感器,應用杠桿原理建立了接觸點正壓力及其作用點的測量模型。提出了指節(jié)接觸點正壓力的雙閉環(huán)控制策略,設置了補償器對摩擦力進行實時補償,對壓力反饋信號進行微分處理,用以消除壓力檢測信號中所包含的高頻噪聲。搭建了實驗平臺,實驗結果表明:手指正壓力動態(tài)響應時間為約1s,誤差穩(wěn)定在±0.5N范圍。
　　 (4)分別測定了黃瓜和蘋果的抗壓

6、特性、果實表面與硅膠表面之間的摩擦系數(shù)和果柄切斷阻力等特性。
　　 (5)詳細闡述了多指采摘機械手的設計目標、機械結構、傳感單元、控制單元和切割器。提出了兩類不同精度等級的多指采摘機械手,分別為標定多指采摘機械手和實用多指采摘機械手。標定多指采摘機械手配備了關節(jié)位置傳感器、多維指端力傳感器、指節(jié)觸力傳感器及壓力比例閥;實際采摘作業(yè)時使用實用多指采摘機械手,它只對各個關節(jié)FPA中的壓力值進行閉環(huán)反饋控制。用力學分析的方法建立了黃瓜

7、和蘋果的抓持模型,分析了氣動驅(qū)動器中的氣壓值與抓持能力之間的關系。研制了可用于黃瓜采摘的機械手,采摘效果良好,黃瓜抓持成功率為90%,黃瓜果柄割斷成功率為100%,采摘時間約為3s。
　　 本文研究的新型氣動采摘多指機械手,采用課題組自主研發(fā)的氣動柔性驅(qū)動器FPA.直接驅(qū)動,具有結構簡單,便于控制,易于小型化等特點,具有良好的柔性,同時不缺乏剛度。適合應用在一些柔性要求相對較高,對響應速度要求相對較低的場合,如農(nóng)業(yè)采摘機器人,手