基于RPU-RPR-UPR并联腕关节草莓断柄采摘柔顺控制研究_李月婵.pdf

null null null null 年 null 月 农 业 机 械 学 报 第 nullnull 卷 第 null 期 nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 基于 PU P UP 并联腕关节草莓断柄 采摘柔顺控制研究 李月婵 null 马锃宏 null null 杜小强 null null nullnull 浙江理工大学机械工程学院 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省种植装备技术重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull nullnull 浙江省农业智能感知与机器人重点实验室 杭州 nullnullnullnullnullnull 摘要 针对草莓采摘机器人作业中跟踪精度低 柔顺性差等问题 本文设计了 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 解耦并联腕关节 并建立逆运动学模型 为提升腕关节定位精度 构建完整动力学模型 引入自适应滑模控制算法 实时估计并补偿 模型不确定性 使 null null h null 自由度平均跟踪误差降至 nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull和 nullnull nullnullnull null nullnull 显著优于 nullnullnull 与传统滑模控 制 为增强采摘柔顺性 设计模糊变导纳控制器动态调整导纳参数 仿真结果表明 在扰动 nullnull nullnull null 下 其超调量较 固定参数导纳控制分别降低 nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull 稳定时间分别缩短 nullnull nullnull nullnull nullnull null 将并联腕关节集成于草莓采摘机器 人平台 加速度响应试验结果表明 末端负载变化时 柔顺控制较位置控制加速度平均波动幅度降低 nullnullnull nullnull 体现 出良好的动态柔顺性 草莓断柄采摘试验结果表明 采摘成功率达 nullnullnull 单果平均采摘时间为 nullnull null 满足草莓采摘 要求 关键词 草莓 并联机构 腕关节 采摘 滑模控制 导纳控制 中图分类号 nullnullnullnullnull nullnull 文献标识码 null 文章编号 nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull OSID 收稿日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 修回日期 nullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 基金项目 浙江省自然科学基金重大项目 nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull 和国家自然科学基金项目 nullnullnullnullnullnullnullnull 作者简介 李月婵 nullnullnullnull 女 博士生 主要从事农业机器人研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull 通信作者 杜小强 nullnullnullnull 男 教授 博士生导师 主要从事农业机器人研究 nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull Compliance Control for Strawberry Stem breaking Harvesting Based on PU P UP Parallel Wrist Joint nullnull nullnullnullnullnullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull null null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull null null null School of Mechanical Engineering Zhejiang Sci Tech University Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology of Zhejiang Province Hangzhou nullnullnullnullnullnull China null Zhejiang Key Laboratory of Intelligent Sensing and obotics for Agriculture Hangzhou nullnullnullnullnullnull China Abstract nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull null null null nullnullnull h nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull null nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnull nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull null nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnull null nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnull nullnull null nullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnullnull Key words nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 0 引言 随着智能农业技术的迅速发展 自动化采摘机 器人逐渐成为果蔬采摘作业的重要工具 null nullnull 腕关 节作为连接采摘机器人末端执行器与机械臂关键部 件 为机械臂末端提供精细调整能力 使其能够在狭 小空间内高效 精准地对准果实 腕关节控制精度与 柔顺性能直接影响果实采摘成功率和系统稳定性 该要求对于草莓这类高附加值 易损伤的浆果尤为 突出 其果柄纤细 生长密集且常被遮挡 对机器人 腕部定位补偿与自适应控制提出了更高要求 并联机构能有效克服串联式设计中常见的运动 误差累积与惯性冲击传递等固有问题 因而在多自 由度空间精密操作任务中得到广泛应用 有助于显 著提升机器人系统整体灵活度与作业精确性 null nullnull 国内外对机器人并联式腕关节研究较广泛 null nullnull 在 农业采摘领域中 杨启志等 nullnull 将三平移并联机构用 于移栽机器人 解决了传统龙门式移栽机体积庞大 移栽速度低等问题 李志鹏等 nullnull 以脐橙为采摘对 象 设计了解耦的串 并混联结构机械臂 其腕关节 采用 nullnullnullnull null nullnullnull 构型 提高了采摘位姿精度 文 献 nullnull 设计了以 null null nullnullnull 为末端的串并混联番茄采 摘臂 但存在机构体积较大 实用性不足问题 现有 并联式腕关节体积大 适应性弱 难以应对非结构化 采摘环境 为实现果实精准采收 末端执行器应在严格姿 态约束下实现精确定位并保证采摘过程的稳定 这 对腕关节位姿控制精度与柔顺性提出了极高要求 在并联机构跟踪精度控制方面 梁栋等 nullnull 针对高速 重载并联机构 提出模糊非线性计算力矩控制 有效 抑制扰动并提升轨迹精度 范其明等 nullnull 采用计算 力矩法与滑模控制相结合 在抑制抖振的同时提高 了机械臂跟踪精度与能效 张海峰等 nullnull 通过计算 力矩控制实现了冗余并联机器人高响应与高精度的 轨迹跟踪 nullnullnull 等 nullnull 设计了有限时间二阶滑模控 制器 实现了毫秒级精确定位 nullnullnull 等 nullnull 基 于 nullnull nullnullnull null nullnullnull 并联机构设计了一种基于终端滑模 控制的鲁棒控制器 有效抑制外部扰动和模型误差 nullnullnull 等 nullnull 针对变负载与执行器故障的 null 自由度并 联机器人 提出了基于时间延迟估计的同步滑模控 制方法 提升了在不确定性下系统跟踪鲁棒性 在 并联机构柔顺控制方面 nullnullnull 等 nullnull 提出一种基于混 合运动 null 阻抗控制的反驱球形手腕 在保证精度的 同时提升交互柔顺性 刘磊等 nullnull 提出一种非接触 与接触一体化的导纳控制方法 用于实现空间包络 式抓捕机构对非合作目标的柔顺捕获 倪涛等 nullnull 提出一种基于外力估计的并联机器人柔顺控制策 略 通过动力学模型和电机电流反馈实现精确柔顺 作业 nullnullnullnullnullnullnullnull 等 nullnull 提出基于阻抗的接触稳定 方法 防止接触丢失时的危险运动 张国龙等 nullnull 提 出鲁棒自适应力跟踪导纳控制 实现法向力快速精 确跟踪 在农业采摘场景中 果实力学特性不确定 性较强 混合控制策略在动态 非结构化环境中的实 时适应能力仍需提升 本文设计一种 null 自由度的 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 并 联机构腕关节 引入自适应滑模控制策略 在线辨识 与补偿系统参数变化 以增强控制器对模型摄动与 外部扰动的鲁棒性 设计模糊变导纳控制策略 通 过模糊推理动态整定导纳参数 以完成系统刚柔特 性自主调节 以期提升系统在复杂非结构化环境下 的综合性能 1 并联腕关节设计 1 1 草莓采摘过程 在采摘过程为最大限度降低草莓物理损伤 采 用非接触式断柄采摘策略 即作业时执行器直接作 用于果柄 避免与果实本体发生接触 由于果实生 长方位多样且常受枝叶遮挡 采摘系统需在复杂环 境中灵活调整末端姿态 为此 采用串联与并联复 合构型 首先由具有三移动自由度的串联机械臂实 现大范围定位 将末端执行器运抵预采摘点位 随后 通过并联腕关节进行精细姿态调整 使其精准对齐 果柄方向 最终完成采摘作业 采摘过程示意图如 图 null 所示 在采摘作业中 机械臂末端负载随作业阶段呈 瞬时突变特性 在果实果柄断裂瞬间 原本机械臂与 nullnullnull第 null 期 李月婵 等 基于 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 并联腕关节草莓断柄采摘柔顺控制研究 图 null 草莓采摘过程示意图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnull 植株受到的果实重力与果柄拉力重新分配 果柄连 接力突变为 null 果实完全转由末端执行器承载 导致 末端等效负载及动力学参数在极短时间内突变 而 在将果实移送至果箱并张开夹爪完成放置的瞬间 末端执行器与果实之间的接触力迅速消失 机械臂 末端负载由携带果实状态突变为空载状态 上述 null 个关键时刻负载突变在系统中引起明显瞬态扰动 易激发腕关节与机械臂振动与加速度波动 从而对 末端轨迹稳定性与采摘过程的平顺性提出更高 要求 1 2 PU P UP 腕关节设计 在并联机构构型选择中 自由度直接影响系统 控制复杂度 为实现控制可行性与操作简便性 在 满足采摘需求的前提下尽量减少自由度 常见的少 自由度并联机构通常指具有 null null null 个自由度构型 综合考量采摘作业对结构可靠性 承载能力与控制 简便性的要求 选用 null 自由度并联机构作为腕关节 设计方案 该机构需具备绕 X 轴与 Y 轴转动自由 度 以及沿 Z 轴移动自由度 即满足 两转一移 nullnullnullnull 的运动需求 针对两转一移自由度要求 提出一种 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 构型的全解耦并联机构 并将其应用于 草莓采摘场景 该机构通过特定的支链布置与运动 学设计 可实现 null 个自由度运动解耦 简化运动学建 模与控制系统设计 提高机构响应速度与定位精度 为高效 精准的非接触式草莓采摘提供可靠的硬件 基础 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 并联机构简图如图 null 所示 机构为非对称型并联机构 由定平台 A null A null A null 动平 台 B null B null B null null 条结构形式各异的支链构成 各支链构 型分别为 nullnullnull nullnullnull 与 nullnullnull 型支链 null 表示转动副 null 表示移动副 null 表示虎克铰 在定平台与动平台 上 null 个铰链安装点空间位置呈等腰直角三角形分 布 其顶点分别对应于铰点 A null B null 为便于机构运 动学分析 在定平台 A null A null A null 和动平台 B null B null B null 上分 别建立固定坐标系 A null XYZ 和 B null xyz 各坐标轴方向 如图 null 所示 1 3 运动学逆解分析 nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 并联机构具备 null 个运动自由 图 null nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull 并联机构简图 nullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull nullnull nullnullnull null nullnullnull null nullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnull nullnullnullnullnullnullnullnullnull 度 能够驱动末端动平台在空间内实现指定的姿态 调整 为描述其运动学行为 可将动平台相对于定 平台的位姿分解为 null 个独立的基本运动分量 绕 X 轴方向旋转角度 null 沿 y 轴方向旋转角度 null 以及 Z 轴方向平移距离 h 基于该分解方式 复杂的空间 位姿变换可表示为上述基本运动的组合 相应的齐 次变换矩阵 T 为 T null nullnullnull null nullnullnullnullnull h nullnullnull null null r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull r nullnull null 其中 r nullnull null nullnullnullnull r nullnull null r nullnull null r nullnull null r nullnull null r nullnull nullnull r nullnull null nullnullnullnullnullnullnullnull r nullnull null nullnullnullnull r nullnull null null nullnullnullnullnullnullnullnull r nullnull null null hnullnullnullnull r nullnull null null