基于FPA的多指機(jī)械手及其在果實(shí)采摘中的應(yīng)用研究.pdf

1、多指機(jī)械手作為機(jī)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(guān)注。傳統(tǒng)的機(jī)械手爪存在抓持動(dòng)作單一、自由度少及通用性差等缺點(diǎn),嚴(yán)重制約了機(jī)器人的發(fā)展與應(yīng)用。
　　 在果實(shí)生產(chǎn)中,收獲采摘作業(yè)約占整個(gè)作業(yè)量的40％。隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)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(jī)械化收獲技術(shù),研究開發(fā)果實(shí)采摘機(jī)器人,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在以往研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步深入研究了基于FPA的彎曲關(guān)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(dòng)柔性多指采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)目標(biāo)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳感檢測(cè)單元配置、控制算法,通過(guò)模塊化設(shè)計(jì),能夠較好地適應(yīng)不同種類果實(shí)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(dòng)的彎曲關(guān)節(jié)。從靜力學(xué)的角度,建立彎曲關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角及輸出力矩靜態(tài)模型;以熱力學(xué)第一定律為理論依據(jù),結(jié)合彎曲關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)方程,推導(dǎo)了關(guān)節(jié)的動(dòng)態(tài)模型。對(duì)彎曲關(guān)節(jié)進(jìn)行了靜態(tài)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致;關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角開

3、環(huán)階躍響應(yīng)時(shí)間大約是1s,關(guān)節(jié)輸出力的開環(huán)階躍響應(yīng)時(shí)間大約是0.5s;采用前饋補(bǔ)償及PI反饋控制可使關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角實(shí)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?；跉鈩?dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)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(yùn)動(dòng)學(xué)方程及力雅可比矩陣;在分析手指受力狀況的基礎(chǔ)上,建立了指端輸出力與各個(gè)關(guān)節(jié)FPA內(nèi)腔氣壓值之間的映射關(guān)系,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與指端輸出力模型基本吻合。建立了氣動(dòng)柔性彎曲關(guān)節(jié)的剛度模

4、型,進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果與仿真曲線基本一致;進(jìn)一步分析了三自由度手指指端剛度,并進(jìn)行了仿真研究。介紹了一種基于關(guān)節(jié)柔性的手指指端抓持模型,針對(duì)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(yīng)的實(shí)驗(yàn)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(luò)抓持模型。分析了目標(biāo)物體受力狀況,按照手指指節(jié)與目標(biāo)物體之間的各個(gè)接觸力大小盡量均勻的原則,對(duì)目標(biāo)物體受力進(jìn)

5、行了優(yōu)化。建立了關(guān)于手指指節(jié)接觸點(diǎn)所受到的正壓力及摩擦力與關(guān)節(jié)FPA輸出力之間的力學(xué)模型。使用兩個(gè)觸力傳感器,應(yīng)用杠桿原理建立了接觸點(diǎn)正壓力及其作用點(diǎn)的測(cè)量模型。提出了指節(jié)接觸點(diǎn)正壓力的雙閉環(huán)控制策略,設(shè)置了補(bǔ)償器對(duì)摩擦力進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償,對(duì)壓力反饋信號(hào)進(jìn)行微分處理,用以消除壓力檢測(cè)信號(hào)中所包含的高頻噪聲。搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:手指正壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間為約1s,誤差穩(wěn)定在±0.5N范圍。
　　 (4)分別測(cè)定了黃瓜和蘋果的抗壓

6、特性、果實(shí)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(xì)闡述了多指采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)目標(biāo)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感單元、控制單元和切割器。提出了兩類不同精度等級(jí)的多指采摘機(jī)械手,分別為標(biāo)定多指采摘機(jī)械手和實(shí)用多指采摘機(jī)械手。標(biāo)定多指采摘機(jī)械手配備了關(guān)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(shí)際采摘作業(yè)時(shí)使用實(shí)用多指采摘機(jī)械手,它只對(duì)各個(gè)關(guān)節(jié)FPA中的壓力值進(jìn)行閉環(huán)反饋控制。用力學(xué)分析的方法建立了黃瓜

7、和蘋果的抓持模型,分析了氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器中的氣壓值與抓持能力之間的關(guān)系。研制了可用于黃瓜采摘的機(jī)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(shí)間約為3s。
　　 本文研究的新型氣動(dòng)采摘多指機(jī)械手,采用課題組自主研發(fā)的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器FPA.直接驅(qū)動(dòng),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,便于控制,易于小型化等特點(diǎn),具有良好的柔性,同時(shí)不缺乏剛度。適合應(yīng)用在一些柔性要求相對(duì)較高,對(duì)響應(yīng)速度要求相對(duì)較低的場(chǎng)合,如農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人,手