温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真_王怡旎.pdf

年 第 期 第 卷 农机化研究 温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真 王怡旎 赵栋杰 石有圣 柳长进 李洪凯 聊城大学机械与汽车工程学院 山东聊城 聊城市科技信息研究中心 山东聊城 摘 要 为满足中小型塑料温室大棚作物自动对靶施肥施药的作业需求 设计了一种 自由度绳驱并联对靶喷施机器 人 首先 描述了其机构特征 建立运动学模型 其次 根据闭环矢量法构建绳索长度的运动学方程 使其能够精准描述绳 索在不同位置下的长度变化 基于差分进化算法对正运动学进行数值求解 对其进行位置正 逆解分析 确保机器人在不 同作业条件下的精准定位 并通过 组随机生成的具体算例对正 逆解分析结果进行了初步验证 最后 构建了机构的数 值仿真模型 分别对温室对靶喷施作业中 种作业情况进行模拟 结果表明 位置理论分析结果可信 自由度绳驱并联机 构各绳索可协调运动且运动轨迹稳定 研究不仅为深入研究机器人动力学 工作空间和运动控制等问题提供了理论依 据 也为机器人的实际应用奠定了基础 关键词 机器人 对靶喷施 并联机构 自由度 绳驱动 差分进化算法 建模 仿真分析 中图分类号 文献标识码 文章编号 收稿日期 基金项目 山东省高校科研计划项目 聊城市科技副总协同 创新项目 作者简介 王怡旎 女 山东潍坊人 硕士研究生 通信作者 赵栋杰 男 山东聊城人 副教授 博士 引 言 随着农业智能化的发展 温室对靶喷施机器人已 成为当今温室植保领域的研究热点 对靶喷雾技术 是指依据检测到的靶标信息控制喷头运动到目标位置 进行喷施作业的一类技术 可实现农药的高效利用和 环境保护 减少人工作业的劳动强度和健康风险 目前 温室对靶喷施机器人驱动装置多采用履带式底 盘或高架轨道 虽易于实现对靶喷施功能 但存在占用 种植空间 增加投资成本 且难以在不同环境间灵活迁 移 等问题 绳驱并联机构 可提供一种新的解决方案 利用绳 索代替传统刚性连杆来驱动机器人末端执行器的并联 机器人机构 具有结构简单 适应性强和无需预留大通 道等优点 可适用于不同规模的温室大棚 提高了 喷施作业的安全性和效率 绳驱并联机构作为机器人的一种新型驱动方式已 在摄像 生物 康复等领域有了初步应用 而在农 业植保领域中的应用刚刚起步 等 设计了一 款用于农业自动化采摘搬运的绳索驱动推车 轨道机 器人 通过绳索驱动来实现在轨道上的灵活移动和精 准定位 等 设计了一种为温室内作 物生产自动化而开发的绳驱并联机器人 采用 自由 度的悬挂结构 由固定平台和移动平台组成 通过滑轮 绞盘系统控制 根缆绳来实现运动和操作 等 设计了一种结合了 自由度缆索并联 机器人和 自由度三角机器人的智能农业机器人 执 行除草 喷洒农药化肥 采摘水果花卉和监测植物健康 等任务 上述研究虽然在农业植保方面取得了一定进 展 但多为多自由度机器人 存在结构复杂 控制难度 大和成本高等问题 且未充分考虑温室结构的特殊性 难以满足自动对靶喷施的需求 差分进化 算法结构简 单 操作便捷 具有良好的可靠性 鲁棒性和高效性 被广泛地应用于机器人 机械优化设计和并联机构位 置正解 等 为满足温室中自动对靶喷施的需求 并考虑到温 室作业的特殊性 设计一种基于 自由度绳驱并联机 构的对靶喷施机器人 对其绳驱并联机构的运动学性 能进行研究 分析其位置正 逆解 通过具体算例验证 位置分析的正确性 为进一步验证理论分析结果和运 动学性能 建立基于 的数值仿真模型 分别对温 室对靶喷施作业中 种作业情况进行模拟 以期为深 入研究机器人动力学 工作空间和运动控制等问题提 供理论依据 第 期王怡旎等 温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真第 卷 绳驱并联机构 绳驱对靶喷施机器人 在温室中 垄种植通过有序排列的土垄为作物提 供了结构化的生长空间 这种结构化布局使得 作物的高度和形态多样性能够与机器人在水平 方向和垂直 方向的平移运动相适应 从而实现了 自由度的运动模式 结合温室整体结构和运动特性 所设计的绳驱对靶喷施机器人方案如图 所示 绳驱对靶喷施机器人 驱动系统 运动平台 驱动绳 运动平台 驱动系统 对靶相机 喷枪 超声波传感器 图 机器人结构方案图 运动平台布置在作业地块上方 各驱动系统之 间 用于判定靶标位置 控制驱动系统运动实现对靶 并在对靶后完成喷施作业 驱动系统放置在作业区域 四周 为运动平台的移动提供必要的驱动力 根据绳 索数目 和并联机构自由度数目 之间的关系 绳驱 并联机构可以分为 种类型 欠约束 完全 约束 和冗余约束 鉴于绳索 的单向受力特性 机器人需采用冗余驱动策略 即关 节的数量要超过运动自由度的数量 机器人采用 根高强度的凯夫拉绳作为机器人关节连接运动平 台 绳索通过导向轮组与驱动组件连接 由伺服电机 控制绳索伸缩 以实现运动平台平面内 自由度的 平动 根驱动绳两两呈中心对称分布 互不干涉 确保 整体结构的简洁性 有效性和高空间利用率 目前 国内中小型温室大棚多为半拱圆型棚面 根据其特殊 的结构 设计 根立柱高度为 两高两低 横跨度方 向两立柱高 纵跨度方向两立柱低 高度差不超 过 绳驱对靶喷施机器人的作业过程 根据作物种植 情况规划运动平台的运动路径 运动过程中 系统依 据对靶相机采集的作物图像信息 判断靶标作物冠层 的位置和大小 并据此计算靶标作物的喷施位置 对 靶相机瞄准作物冠层中心 喷施高度依据冠层大小而 定 系统计算喷施位置处各驱动绳的对应收放量 通 过驱动系统控制运动平台运动到位 并控制喷枪完成 对靶喷施 系统可依据对靶相机的反馈信息 实时检 测对靶误差 对靶喷施结束后 喷施平台返回 继续 寻找下一株作物进行对靶喷施作业 系统可利用超 声波传感器实时监测喷施平台周围障碍物 若判断障 碍物对喷施平台的运动有影响 可及时作出规避 动作 绳驱并联机构建模 为方便建模与分析 将绳驱对靶喷施机器人简化 为 自由度绳驱并联机构平台模型 搭建的简化几何 模型如图 所示 运动平台 绳索 图 自由度绳驱并联机构几何模型 运动平台由 根绳线牵引 考虑到使用的凯夫拉 线直径小 强度大 可以忽略绳线质量 自由度绳驱 并联机构几何关系如图 所示 建立以第一根立柱与底盘连接点为原点的全局 坐标系 和以末端运动平台中心方向上为 原点的局部坐标系 滑轮上绳索引出点定 义为 在绳索与运动平台 末端铰接点定义为 第 卷农机化研究第 期 运动平台 滑轮 图 绳驱并联机构几何关系图 位置正逆解分析 逆解分析 位置逆解是根据运动平台的中心坐标 求解该 位置下 根绳索的长度 运动平台位 置矢量表示为 第 个绳索位置矢量表 示为 则根据矢量的运算法则得 合并式 和式 得 式中 为全局坐标系下运动平台 的矢 量 为全局坐标系中 到第 个绳索连接点 的 矢量 为全局坐标系中立柱顶点 的矢量 为 机器人从局部到全局的坐标旋转矩阵 首先围绕 轴 旋转 角度 然后围绕 轴旋转 角度 最后围绕 轴旋转 角度 旋转矩阵表示为 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 根绳索的长度为 具体表示为 正解分析 位置正解是根据 根绳索的长度 确定运动平 台的中心坐标 通过将式 式 合并 可以 得到 个非线性方程组 此方程组很难求得解析解 但可以等效为 个最优解求解问题 故采用差分进化 算法来求解 差分进化算法 是一种基于种 群的全局优化算法 通过模拟自然界中的进化过程来 迭代地改进候选解 与粒子群算法 遗传算法等智能 优化算法相比 算法使用更加简单 鲁棒性更强 并且具有全局寻优能力 算法能够有效地搜索 解空间 找到满足精度要求的运动平台中心坐标的最 优解 适用于复杂的非线性优化问题 基于差分进化算法对正解的求解 遵循以下步 骤 初始化种群 并定义目标函数 确定算法参 数 最大迭代次数 和收敛阈值 将目标函 数 带入算法 若 小于收敛阈值 或者迭 代次数等于最大迭代次数 则输出最优解 若不满 足终止条件 则再次进行差分 交叉 选择 直至满足 终止条件为止 其计算流程如图 所示 第 期王怡旎等 温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真第 卷 图 差分法正解流程图 差分进化算法执行过程包括 个关键步骤 初始 化种群 定义目标函数 变异操作 交叉操作和 选择操作 其中 种群规模 应与决策变量维度 成一定比例 推荐范围为 较大的 有 助于提升搜索能力和种群多样性 但会增加计算成 本 鉴于绳驱温室对靶喷施机器人为 自由度 且作 业时需保证高实时性 故将 设定为 根据位置 正解求解需求 将最优方程的目标函数设置为 式中 为末端执行器中心坐标 为末端执行器出绳点坐标 此算法主要依靠差分操作 交叉操作和选择操作 完成最优解的搜索机制 差分操作表达式为 null null null null null null null nullnull null 式中 为从当前种群中随机选择的 个不同的 个体 为缩放因子 其中 缩放因子 是 算法中最敏感的参数之 一 通常实践中 在 范围内取值有效 经试验 分析 确定 为正解计算中的最优取值选择 交叉操作的表达式为 null null null null null null null nullnull 式中 为交叉因子 为随机数 用于判断是否 对当前维度进行交叉操作 为随机维度索引 整 数 其中 交叉因子 是影响算法搜索能力和收敛 速度的关键参数之一 值较高时 算法倾向于探索 新的搜索空间 有助于算法跳出局部最优解 而 值 较低时 算法更倾向于利用当前搜索到的解 有助于 算法在找到的解附近进行精细搜索 经试验分析 将 设置为 能够实现探索与利用之间的平衡 同 时满足搜索效率和计算资源需求的优化 鉴于温室绳驱对靶喷施机器人的应用场景要求 算法能够快速且精准地完成对靶任务 迭代次数取 以实现快速收敛 同时 在对靶喷施时误差容忍 度较低 故误差阈值设置为 以确保喷施的 精确度 选择操作是将选择的两个子个体通过目标函数 来评价检验个体和目标个体的适应度 如果试验个 体的适应度 目标函数值 优于目标个体 则试验个体 被保留在新的种群中 否则 目标个体被保留 算例验证 自由度绳驱并联机构各项参数值 出绳点 与 铰接点坐标 如表 所示 表 系统各项参数值 主要参数规格 机体框架长度 机体框架宽度 机体框架最高尺寸 机体框架最低尺寸 运动平台尺寸 坐标 坐标 为验证上述运动学分析正确性 选取 组随机生 成的运动平台期望坐标 通过逆解获得各绳索长度 结果如表 所示 表 位置逆解计算 序 号 动平台期望坐标 绳索长度 第 卷农机化研究第 期 续表 序 号 动平台期望坐标 绳索长度 在 中建立差分进化算法正解模型 对 自 由度绳驱并联机构进行位置正解验算 差分进化算法 曲线图如图 所示 由图 可知 算法进化到约 代时 相对误差达到最小值 此时求得的动平台中心坐 标 最优 将坐标 与期望坐标 对比并由式 计算出相对误差 结果如表 所示 图 差分进化算法曲线图 表 位置正解计算 序号 绳索长度 运动平台中心坐标 相对误差 对比表 中运动平台中心坐标 与表 中运动 平台期望坐标 值 两者基本吻合 最大误差仅为 且远低于设定的误差阈值 正 逆解得到相互 验证 由此验证了位置正 逆解分析的正确性 仿真分析 为进一步验证上述分析结果 以及 自由度绳驱 并联机构的运动学性能 建立基于 的数值仿真 模型 分别对温室对靶喷施作业中作物从低到高喷 施 重复喷施 绕作物四周喷施 种情况进行模拟 直线运动实例 给定运动平台初始位置 最终位置 设定运动平台运动轨迹为直线运动 模 拟喷施作业中作物从低到高喷施情况如图 所示 一 个仿真周期 轨迹方程为 null null null null null nullnull null null nullnull 式中 为单位向量 图 直线喷施轨迹 直线运动下绳长度化曲线如图 所示 第 期王怡旎等 温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真第 卷 图 直线运动下绳长变化曲线 由图 可知 绳 绳 长度变化曲线单调上升 因运动平台向 轴正方向运动 也是绳 绳 的出绳 点 故绳 绳 逐渐缩短 绳长变化连续 符合运动学 规律 往复运动实例 给定运动平台初始位置 最终位置 设定运动平台运动轨迹为直线往复运 动 一个仿真周期 轨迹方程为 null null null null null nullnull null null nullnull 往复运动绳长变化曲线如图 所示 由图 可 知 绳 绳 长度变化趋势相同 绳 绳 长度变化 趋势相同 由于绳系布局非完全对称 同组绳长非完 全相同 绳长变化曲线连续且平滑 符合运动学规律 间接验证了所建立的运动学模型的正确性 圆周运动实例 给定动平台初始位置 设定动平台运动轨迹为椭圆形状 椭圆 长轴为 短轴为 模拟喷施作业中绕作 物周围喷施情况 如图 所示 一个仿真周期 则角速度为 轨迹方程为 null null null null null nullnull null null nullnull 图 往复运动下绳长变化曲线 图 空间椭圆位置轨迹图 圆周运动下绳长变化如图 所示 由图 可 知 圆周运动在空间中是个闭合图形 其起点与终点 相连 因此在初始位置和最终位置时 根绳索的长度 保持一致 由于运动轨迹的对称性 绳 与绳 绳 与绳 长度变化表现为镜像对应 图 圆周运动下绳索长度变化图 仿真结果表明 位置逆解理论分析结果可信 整 个运动过程中绳索长度变化平稳 在切入切出时都没 有发生突变 可以满足温室中对靶喷施作业运动需求 结 论 设计了一种 自由度绳驱并联对靶喷施机器 人 是农业领域的新型植保机器人 更贴合温室大棚 的结构特点 工作更高效 对 自由度绳驱并联机构进行运动学建模分 第 卷农机化研究第 期 析 利用闭环矢量法构建了运动学逆解方程 基于差 分进化算法对正运动学进行数值求解 并以绳驱并联 机构工作空间内的 个位置为具体算例 验证了正 逆解算法的准确性 建立了绳驱并联机构基于 的数值仿真 模型 进行了不同作业要求下绳驱并联机构绳长变化 的仿真实验 结果表明位置理论分析结果可信 自由 度绳驱并联机构各绳索可协调运动且运动轨迹稳定 参考文献 兰玉彬 闫瑜 王宝聚 等 智能施药机器人关键技术 研究现状及发展趋势 农业工程学报 陈志刚 王玉光 孟婷 等 喷雾施药植株红外对靶试验 排灌机械 李毅轩 赵耀辉 汪星星 基于无人机果树冠层卷吸效 应的窄弧扇形防漂移喷嘴设计 农机化研究 李子含 李跃松 郑帅 等 模块化多关节绳驱动并联机 器人设计 人工智能与机器人研究 靳文停 葛宜元 张闯闯 等 履带式温室智能喷药机 器人的设计 农机使用与维修 张俊雄 曹峥勇 耿长兴 等 温室精准对靶喷雾机器 人研制 农业工程学报 增刊 王晓光 吴军 林麒 欠约束绳牵引并联支撑系统运动 学分析与鲁棒控制 清华大学学报 自然科学版 许泽华 杨凯盛 陈特欢 等 绳驱动刚 柔 软耦合机 器人的设计与分析 机械制造 侯晓晓 王蒙 农业管理中多台无人拖拉机路径优化智 能算法研究 农机化研究 车林仙 程志红 何兵 并联机构及其位置分 析的差分进化算法 机械工程学报 梁玉刚 胡文彬 刘烨 等 中国垄作栽培模式的研究进 展 生态学杂志 王阳 朱孝勇 徐磊 等 垄耕模式的无人四驱四转移动 作业平台路径跟踪控制 农业工程学报 李永泉 吴鹏涛 张阳 等 球面二自由度冗余驱动并 联机器人系统动力学参数辨识及控制 中国机械 工程 蒋兵兵 改进差分进化算法对 并联机器人的 轨迹跟踪与位置正解研究 信息记录材料 易小兰 肖红 基于阻尼减振材料下拖拉机车身轻量化 设计 农机化研究 曲泉 基于差分进化的六自由度并联机构运动学正解 机床与液压 彭炫 周建平 许燕 等 基于差分进化算法的水肥配 比控制系统设计 江苏农业科学 陈金荣 许燕 周建平 等 基于改进 的红花 目标检测算法研究 农机化研究 第 期王怡旎等 温室对靶喷施机器人绳驱并联机构的运动学分析与仿真第 卷