（机械电子工程专业论文）果蔬采摘机器人离线编程及控制系统设计.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 摘要 本文在国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划：项目编号：2 0 0 6 a a l 0 2 2 5 7 ) “温室内 全方位自主行走果蔬采摘机器人关键技术研究项目的资助下，在对六自由度果蔬采摘机 器人进行运动学分析、工作空间分析、轨迹规划研究基础之上，结合三维图形库o p e n g l 和c m l ( c o p l e ym o t i o nl i b r a r y ) 运动控制库开发了果蔬采摘机器人离线编程控制系统， 论文所做的主要工作如下： ( 1 ) 根据d h 变换理论，建立了机器人的正运动学和逆运动学模型；结合分解法和包 络解析法求解了机器人工作空间，给出了工作空间的边界图；借助齐次变换矩阵及矢量积 方法推导出机器人的雅可比矩阵；运用奇异值分解方法对机器人奇异位形进行了分析。 ( 2 ) 为保证关节速度和加速度的连续，应用五次多项式插值轨迹规划，为实现 c p ( c o n t i n u o u sp a t hc o n t r 0 1 ) 控制，在直角坐标空间内分析和推导直线轨迹规划算法和圆弧 轨迹规划算法，并用m a t l a b 仿真了直线轨迹规划。 ( 3 ) 采用了基于p c 和c a n 控制卡的开放式控制结构，选用z l g p c i 5 1 1 0c a n 控制 卡、c o p l e y 伺服驱动器、m a x o n r e3 5 直流电机和光电编码器、传感器搭建了系统的硬件 平台，使用c m e 2 调试软件设置电机运行的各项参数，确保电机可靠平稳运行。 ( 4 ) 在上述研究的基础上，编写了基于o p e n g l 和c m l 的机器人离线编程控制系统 软件程序，系统模块主要有：图形仿真模块，利用o p e n g l 计算机三维图形库建立了机器 人的模型和可视化的场景；运动仿真模块，实现了关节空间和直角坐标系空间下的运动仿 真；轨迹规划模块，实现了直线轨迹规划和圆弧轨迹规划；电机控制模块，运用c m l 运 动控制库实现多轴协调控制；碰撞检测模块，利用检测直流电机电流的方法判断是否发生 碰撞；数据转换模块，从离线编程系统生成的插补点文件中解析出数据，以控制实际机器 人。 本文研究工作对六自由度果蔬采摘机器人的实际应用具有重要的现实意义和实用价 值。 关键词：运动学；轨迹规划；工作空间；o p e n g l ；离线编程 浙江理工人学硕七学位论文 d e s i g no fo f f - l i n ep r o g r a mm i n ga n d c o n t r o ls y s t e mo fa f r u i t v e g e t a b l eh a r v e s t i n gr o b o t a b s t r a c t s u p p o s e db yn a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc h i n a ( 8 6 3p r o g r a m ： n u m b e r ：2 0 0 6 a a l0 2 2 5 7 ) “c r i t i c a lt e c h n o l o g yr e s e a r c ho ng r e e n h o u s e a j l d i r e c t i o n a la u t o m a t o u sf r u i t v e g e t a b l eh a r v e s t i n gr o b o t ，a n do nt h eb a s i so fs t u d yo n k i n e m a t i c s ，w o r k s p a c ea n dt r a j e c t o r yp l a n n i n go fa6 - d o f ( d e g r e eo ff r e e d o m ) f r u i t v e g e t a b l e h a r v e s t i n gr o b o t ，a no f f - l i n ep r o g r a m m i n ga n dc o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e db yu s i n gt h e t h r e e d i m e n s i o n a lg r a p h i c sl i b r a r yo p e n g la n dc m l ( c o p l e ym o t i o nl i b r a r y ) t h em a i nw o r k w a sa sf o l l o w s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ed - ht r a n s f o r m a t i o nt h e o r y , t h ef o r w a r da n di n v e r s ek i n e m a t i c so ft h e r o b o tw a se s t a b l i s h e d o nt h ec o m b i n a t i o no fd e c o m p o s i n gm e t h o da n de n v e l o p i n ga n a l y t i c a l m e t h o d ，b o r d e rs k e t c ho ft h eo p e r a t i o ns p a c ew a sd r a w n t h ej a c o b i a nm a t r i xw a sd e d u c e db y m e a l l so fh o m o g e n e o u st r a n s f o r m a t i o nm a t r i xa n dv e c t o rp r o d u c t t h e n ，t h es i n g u l a r i t yo ft h e r o b o tw a sa n a l y z e db yu s i n gt h es i n g u l a rv a l u ed e c o m p o s i n gm e t h o d ( 2 ) i no r d e rt oe n s u r et h ec o n t i n u a t i o no f j o i n t ss p e e da n da c c e l e r a t i o n , q u i n t i cp o l y n o m i a l i n t e r p o l a t i o nt r a j e c t o r yp l a n n i n gw a sa p p l i e di nj o i n ts p a c e ；i no r d e rt or e a l i z et h ec p ( c o n t i n u o u sp a t h ) c o n t r o l ，t h ef o r m u l ao ft h el i n e a rt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n da r ct r a j e c t o r y p l a n n i n gw a sd e d u c e d i nt h eo r t h o g o n a lc o o r d i n a t es p a c e ，a n dt h el i n e a rt r a j e c t o r yp l a n n i n gw a s s i m u l a t e db ym a t l a b ( 3 ) t h eo p e na r c h i t e c t u r ec o n t r o ls t r u c t u r eb a s e do np ca n dc a n c o n t r o l l e rw a sa d o p t e d f o rt h eh a r v e s t i n gr o b o ts y s t e m t h eh a r d w a r eo ft h ec o n t r o ls y s t e mc o n s i s t so faz l g p c i 5110c a n c a r d ，c o p l e ys e r v od r i v e s ，m a x o nd cm o t o r s ，e n c o d e r sa n ds e n s o r s t h ep a r a m e t e r s o ft h em o t o rw a ss e t b yu s i n gc m e 2d e b u gs o f t w a r et oe n s u r et h em o t o ras m o o t ha n d r e l i a b l eo p e r a t i o n ( 4 ) b a s e do nt h ea b o v e - m e n t i o n e dr e s e a r c h ，a no f f - l i n ep r o g r a m m i n gc o n t r o ls y s t e mw a s d e v e l o p e db ym e a n so fo p e n g la n dc m l t h e s o f t w a r ec o n t a i n st h ef o l l o w i n gm o d u l e s ： g r a p h i cs i m u l a t i o nm o d u l e ，i nw h i c hr o b o tm o d e l sa n dv i s u a ls c e n e sw e r eb u i l tb yc o m p u t e r 3 - d i m e n s i o n a l g r a p h i c sl i b r a r yo p e n g l ；m o t i o ns i m u l a t i o nm o d u l e ，i nw h i c hr o b o tm o t i o n s i m u l a t i o nu n d e rj o i n ts p a c ea n do r t h o g o n a lc o o r d i n a t es p a c ew a sr e a l i z e d ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g m o d u l e ，i nw h i c hl i n e a rt r a j e c t o r yp l a n n i n ga n da r ct r a j e c t o r yp l a n n i n gm o d u l ew e r ea l s o c o m p l e t e d ；m o t o rc o n t r o lm o d u l e ，i nw h i c hm u l t i - a x i sc o o r d i n a t ec o n t r o lw a sr e a l i z e db yu s i n g 浙江理i t 大学硕士学位论文 c m l l i b r a r y ；c o l l i s i o nd e t e c t i o nm o d d e ，i nw h i c hc o l l i s i o nw a sj u d g e db yd e t e c t i n gd cm o t o r c u r r e n t ；d a t ac o n v e r s i o nm o d u l e ，w h i c hc a nr e a dt h ed a t af r o mt h ei n t e r p o l a t i o nf i l eg e n e r a t e d b yt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e m ，a n du s et h e s ed a t at oc o n t r o lt h ep r a c t i c a lr o b o t t h er e s e 锄c hi so fs i g n i f i c a n c et ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h ef r u i t - v e g e t a b l eh a r v e s t i n g r o b o t k e y w o r d s ：k i n e m a t i c s ；t r a j e c t o r yp l a n n i n g ；o p e r a t i n gs p a c e ；o p e n g l ； o f f - l i n ep r o g r a m m i n g i i i 浙江理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学位论文，是本人在导师 的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中己明确注明和引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：五里 日期：7 叼年弓月f 7 日 浙江理工大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权浙江理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后使用本版权书。 不保密口 。 学位论文作者签名：王坚 日期：缈c 7 年3 月i7 日 指导教师签名：t 讳h 凼车 日期：妒7 ，年3 月日 浙江理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的研究意义 随着世界人口的不断增长，对农产品需求将会越来越大。传统的土地利用型农业将随 着现代科学技术的迅猛发展，逐渐形成一个以作物栽培技术为基础、以生物技术为先导、 集机械化作业、自动化栽培设施以及人工可控环境等尖端技术的现代新型农业产业。农业 机器人是精确农业、微电子、计算机和自动控制等技术在现代新型农业生产中应用的集中 体现，是农业生产过程自动化、智能化的重要标志。农业机器人具有以下显著优点【1 】：提 高农业劳动生产率，解决劳动力不足的问题；改善农林业人员的生产环境，防止农药、化 肥等对人体的伤害；提高作业质量和作业成功率等。 在日本、美国等发达国家，农业人口较少，随着农业生产的规模化、多样化、精确化， 劳动力不足的现象越来越明显。许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘，蔬菜的嫁接等 都是劳动力密集型的工作，劳动力不仅成本高而且还时常出现短缺，而人工收获的成本在 果蔬的整个生产成本中所占的比例高达3 3 - 5 5 ，在这种情况下，农业机器人的使用将 极大的降低果蔬生产的成本，解决劳动力不足的问题【2 ，3 1 。目前日本在农业机器人的研究 方面取得很多突破性进展，开发了很多实用的机器人，但是由于农业机器人自身所具有的 在技术和经济方面的特殊性，还没有在实际生产中普及。 我国人口的7 0 是农民，人均占地面积非常少，所以农业机械化、自动化的需求似 乎不像发达国家那么迫切。但是随着科技的发展，信息化的要求，同时为了适应精确农业 的需要，不管是从技术上紧跟国际发展趋势，保持竞争的有利地位，还是在实现农业的新 发展，促进经济发展等方面，农业自动化方面的研究都有着相当重要的影响，是实现农业 现代化必不可少的一环1 4 1 。 随着我国设施农业的发展和作业机械化的要求，对果蔬种植模式要求也越来越高，尤 其是在可控环境的温室中种植面积迅速增加，因此种植、管理和收获的劳动量也越大，许 多作业项目如蔬菜、水果的挑选、采摘等，8 0 是手工作业，其费用约为成本的5 0 7 0 。 研究开发果蔬采摘机器人，能够降低工人劳动强度和生产费用，提高劳动生产率和产品质 量，保证果实适时采收，降低收获作业费用，是农业增效的重要途径，具有很大发展潜力。 例如番茄采摘，手工采收3 5 人每小时只能收获1 吨果实，机械采收乱1 5 人在收割机上 工作，每小时可采收2 0 - - , 3 0 吨。手工分级每组要1 0 - 2 0 人，如果用电子颜色分级机，每 组只需7 个人。把番茄能够采收的时期分为8 种颜色期，果蔬采摘机器人可以按照预定收 l 浙江理工大学硕士学位论文 获标准，根据果实颜色进行多次采收，保证了同期采摘果实成熟的均匀度，同时提高了采 收效率与产品产量和质量，节省劳力，提高工作速度，具有良好的经济效益。 目前的果蔬采摘机器人一般可分为行走部分、图像识别和定位系统、控制系统、末端 执行器、机械手等5 大部分。机械手又称操作机或操作臂，是指具有和人手臂相似的动作 功能，并使工作对象能在空间内自由移动的机械装置，是机器人赖以完成工作任务的实体。 与工业机器人机械手不同，果蔬采摘机器人的机械手，所处的外部环境是复杂的、多变的、 非结构的，并且与果实的栽培方式有很大关系。在果蔬采摘机器人中，机械手的主要任务 就是将末端执行器移动到可以采摘的目标果实所处的位置【5 ，6 1 。机械手机构的运动性能指 标主要有奇异性、可操作度、避关节极限、避障能力、冗余空间与姿态多样性等。 果蔬采摘机器人总体仍处于实验室研究阶段，要达到实用普及的程度还需要解决两个 问题：( 1 ) 提高果蔬采摘机器人的智能化和柔性生产的能力以适应复杂的非结构环境。例 如增强水果采摘机器人的辨识水果和避障能力，提高其采摘的成功率；( 2 ) 提高果蔬采摘 机器人性价比，降低成本。只有当果蔬采摘机器人的生产成本低于人工收获成本时，果 蔬采摘机器人才能达到实用化1 7 j 。 针对果蔬采摘机器人的智能化问题，现阶段农业工程领域的专家纷纷把研究重心从机 械部分转向机器视觉、人工智能方面，从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定 位等方面已有成熟的解决方案，但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善，很多任务 仍无法由机器人单独完成；另一方面，即使是果蔬采摘机器人具备了相当的智能，能够完 成某种任务，然而由于其制造成本过高，开发难度极大而难以实际应用。 机器人离线编程( o l po f f - l i n e p r o g r a m m i n g ) 系统是通过在计算机上建立机器人及其 环境物的几何模型，以机器人编程语言描述机器人任务，然后对编程的结果进行三维图形 动画仿真，离线调试机器人程序的正确性，生成机器人控制器可执行的代码，最后通过通 讯接口送给机器人控制器。机器人离线编程系统已被工程实践证明可以有效地增加系统安 全性，减少机器人调试和使用成本，是目前机器人系统发展的重要趋势。 本文紧密结合国家8 6 3 项目“温室内全方位自主行走果蔬采摘机器人关键技术研究 ( 项目编号：2 0 0 6 a a l o z 2 5 7 ) ，研究开发果蔬采摘机器人的离线编程和控制系统，这一 工作对果蔬采摘机器人的实际应用具有重要的现实意义和实用价值。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国内外农业采摘机器人研究现状 2 浙江理1 ：大学硕士学位论文 兀奉是研究农业机器人最早的国家之一，早在2 0 世纪7 0 年代后期，随着工业机器人 的发展，对农业机器人的研究工作逐渐启动口】，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机 器人、移栽机器人和采摘机器人等。2 0 世纪9 0 年代以来，“精确农业”技术的研究与应 用在发达国家受到了普遍的重视，己被国际农业科技界认为是2 l 世纪实现农业可持续发 展的先导性技术之一。具有相当智能的农业机器人是精确农业体系中有效装备之一，应得 到重视和发展唧。许多国家根据自己的情况开发出了各具特色的农业机器人，如澳大利亚 的剪羊毛机器人，荷兰开发的挤奶机器人，法国的耕地机器人，同本和韩国的插秧机器人 等”叫q 。就目前为止，农业机器人的实现方式有两种，一种利用现有的工业机器人实现具 体的农业生产作业，另一种是研制专用机电系统实现具体的农业生产作业。 ( 1 ) 利用工业机器人的实现方式 利用工业机器人的机械奉体和控制器，安装农业作业的专用末端执行器、视觉传感器 等组成一个农业机器人系统。这种农业机器人的实现是最方便，也是最常用的，比较典型 的有f 列几种。 日本岗山大学nk o n d o 等人研制的番茄采摘机器人f ”l 如图1 1 所示。由机械手、末 端执行器、视觉传感器、移动机构和控制部分组成。用彩色摄像机作为视觉传感器寻找和 识别成熟果实，采用的是七自由度的s c o r b o t - e r 工业机器人机械手。为了不损伤果实， 机械手的末端执行器是带有软衬垫的吸引器，中间有压力传感器，把果实吸住后，利用机 械手臂上的腕关节把果实拧下。行走机构有4 个车轮，能在田间自动行走，利用机器人上 的光电传感器和设置在地头上埂的反射板，可检凛i 是否到达土埂，到达后自动停止，转动 后再继续前进，从识别到采摘完成约需要1 5 补，成功率在7 0 左右。 图1 1 番茄采摘机器人 围1 2 黄瓜采摘机器人 图1 2 所示为日本的k o n d o 等人研制的黄瓜采摘机器人t 川。该机器人采用三菱 m r r s u b i s m 即e z 六自由度工业机器人，利用c c d 摄像机，根据黄瓜比其叶茎对红外 浙江理工大学硕士学位论文 光的反射率高的原理来识别黄瓜和叶茎。黄瓜和果梗的连接与番茄不同因此采用拧摘方 法较难，而是用剪断方法，先把黄瓜抓住，用接近觉传感器找出柄，然后剪断，采摘速度 为1 6 个，s 。由于黄瓜是长条形，受到叶茎的影响更大，所以采摘的成功率较低，大约在 6 0 左右。同样，此机器人需要改进其机器手的结构、采摘工作方式和避障规划功能，以 提高采摘成功率，提高采摘速度。 ( 2 ) 专用机电系统的实现方式 由于农业生产的复杂性和特殊性，有些农业生产作业是传统的工业机器人无法胜任 的，许多专家针对不同的农业生产研制出了独特的农业机器人系统，即设计出农业机器人 的机械部分、控制部分和软件部分。比较典型的有以下几种： 图1 3 为英国s i l s o e 研究院研制的蘑菇采摘机器人【l ”，它可以自动测量蘑菇的位置、 大小，并选择性的采摘和修剪。它的机械手包括2 个气动移动关节和一个步进电机驱动的 旋转关节组成：未端执行器是带有软衬垫的吸引器；视觉传感器采用w 摄像头，安装在 顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在7 5 左右，采摘速度为7 个，s 。 豳l j 蘑菇采捕机器人图1 4 苹果采摘机器人 图1 4 为韩国k y u n g p o o k 大学所研制的苹果采摘机器人1 1 4 i ，其机械手工作空日j 可以达 到3 m ，具有4 自由度包括3 个旋转关节和1 个移动关节。采用三指夹持器作为末端执行 器内有压力传感器避免损伤苹果。利用c c d 摄像机和光电传感器识别果实，从树冠外部 识别苹果时的识别率选8 5 ，速度达5 个s 。该机器人末端执行器下方安装有果实收集袋。 缩短了从精取到放嚣的时同，提高了采摘速度。但是，该机器人只有4 个自由度，无法绕 过障碍物摘取苹果；对于叶茎完全遮盖的苹果，也没有给出识别和采摘的解决方法。 由于当前工业机器人局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭 式结构。封闭的控制器结构使工业机器人具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对 浙江理，t 大学硕十学位论文 系统进行扩展和改进，如增加传感器控制等功能模块。工业机器人的封闭式结构限制了农 业机器人柔性生产能力和智能的扩展。独立设计专用机电系统的实现方式同样存在着扩展 性、通用性差的问题，如果用采摘苹果的机器人采摘西瓜，从末端执行器、机械部分、 控制部分到传感部分都要更换，相当于重新设计一个新的机器人系统。 农业采摘机器人所处的工作环境是复杂的、多变的、非结构的，并且与果蔬的栽培方 式有很大关系【l6 1 。因此，设计机器人的机械结构应在考虑栽培方式的基础上，使果实处 于其工作空间内，并且能够避开植株茎秆等障碍物，准确地抓取到果实。目前对于农业采 摘机器人的机械结构的研究主要有： 在室外的环境中，对于苹果等树冠高大的果树，机器人需要有较大的工作空间。韩国 开发的苹果收获机器人采用3 自由度极坐标机械臂，旋转关节可以左右转动，直动关节可 以前后移动、丝杠关节可以上下移动，使作业空间可以达至1 3 m 。另外，为了便于机器人 的运输和在狭窄的果园内作业，设计了一种3 自由度可以折叠的关节型机械臂。对于地面 生长的果实，如西瓜，为了使采摘和输送一次完成，美国普渡大学e d a n 等人研制的5 自由 度机械臂，全部采用液压驱动旋转关节。 温室环境中作业的采摘机器人机械结构的设计与栽培方式密切相关。传统栽培的番 茄，茎叶繁茂，日本k o n d o 等人研制的5 自由度番茄收获机器人，采摘效果并不理想。为此 将5 自由度的机器人机械本体安装在可以上下、前后移动的直动关节座上，形成7 自由度的 机械臂，可以上下、前后接近果实。为了简化机器人的结构，日本开发了单串番茄生产系 统，果串从高架上下垂，遮挡物少，直接采用直角坐标机械臂就可以完成收获【1 7 】。传统 的黄瓜栽培是直立生长，这样叶子很容易遮住果实。日本开发出了v 型栽培方式，搭成v 型格子架，架子与地面的夹角为6 5 。，叶子在架子上方，而果实垂落在架子下方，减少了 障碍物。在此栽培方式下，井关农机等联合开发了黄瓜收获机器人，6 自由度的机械臂由 一个倾斜的直动关节和5 个旋转关节组成，倾斜关节的倾斜角与黄瓜架倾斜角相同( 6 5 。) ， 使手抓沿黄瓜架移动。 国内在农业机器人方面的研究开始于2 0 世纪9 0 年代中期，相对于发达国家起步较晚， 但是发展很快，很多院校，研究所都在进行农业机器人和智能农业机械相关的研究。 中国农业大学张铁中教授率先在我国开展了自动化嫁接技术的研究工作，先后研制成 功了自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，填补了我国自动化嫁接技术的空白，形成了 具有我国自主知识产权的自动化嫁接技术【1 8 , 1 9 】。 上海交通大学机器人研究所的曹其新、刘成良、吕恬生、殷跃红等人进行了用于精确 浙江理工人学硕士学位论文 农业的智能农业机械的研究工作 2 0 - 2 2 j ，己经完成了智能化联合收割机、蔬菜工厂化育苗播 种流水线样机的研制，j 下在进行草莓挑选机器人、黄瓜采摘机器人、嫁接机器人的研究。 浙江大学应义斌教授研究的水果自动分级机器人系统得到国家“8 6 3 ”计划的支持 2 3 ，2 4 1 ， 吉林大学的王荣本、于海业从9 0 年代中期开始进行农用自动引导行走车的研究【2 5 1 。南京 农业大学的沈明霞等人1 2 6 1 ，浙江工业大学的张立斌等人 2 7 1 ，在进行农业机器人的视觉研 究。江苏大学纪良文、吴春笃进行了喷药机器人的研究【2 8 l ，他们采用超声测距作为喷药 机器人的辅助视觉系统。江苏大学赵杰文进行了用间成熟番茄的识别技术研究 2 9 1 。梁喜 风等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动学与仿真试验 3 0 , 3 1 1 ，取得了较好的效果。南京农业大学的安秋、姬长英将c a n 总线的分布式控制网络 应用于移动式农业机器人【3 2 1 。西安理工大学的高峰、李艳对基于遗传算法的农业移动机 器人视觉导航进行了研究【3 3 1 。沈阳农业大学的崔红光、任文涛进行了农业机器人图像处 理技术的研究【3 引。中国农业大学的孙元义、张绍磊进行了喷药农业机器人导航路径识别 方面的研究【3 引。浙江大学的任烨、蒋焕煜分析了近二十年来农业机器人末端执行器的研 究发展情a t 3 6 j 。江苏大学的刘继展、李萍萍、李智国等人研究了基于多传感器信息融合 和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器【3 7 1 。 1 2 2 机器人离线编程研究现状 随着机器人技术的运用与发展，机器人编程技术成为一个很重要的问题。机器人是一 种可编程装置，在进行机器人的作业规划时，在线示教和离线编程是目前工业机器人使用 最广泛的两种方法。早期的机器人主要应用子大批量生产，如自动线上的点焊、喷涂等， 因而编程所花费的时间比较少，示教编程可以满足机器人作业的要求，随着机器人应用范 围的扩大和完成任务的复杂程度的提高，在中小批量生产中，用示教编程很难满足要求。 在c a d c a m 机器人一体化系统中，由于机器人工作环境的复杂性，对机器人及其工作 环境乃至生产过程的计算机仿真是必不可少的。机器人仿真系统的任务就是在不接触实际 机器人及其工作环境的情况下，通过图形技术，提供和机器人进行交互作用的虚拟环境。 图形方式的机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，它利用计算机图形学技术，建 立起机器人及其环境物的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作，在 离线的情况下进行轨迹规划，然后对规划的结果进行三维图形运动仿真，以检验规划的正 确性，最后将代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动，完成给定任务。 机器人离线编程系统不仅是机器人实际应用的一个必要手段，也是开发和研究任务规 划的有力工具。通过离线编程可以建立起机器人和c a d c a m 之间的联系，使机器人脱 6 浙江理工大学硕士学位论文 离自动化孤岛的状况，促进机器人技术真正地集成到整个生产过程中去。在设计离线编程 系统时，应考虑以下几方面内容： ( 1 ) 机器人工作过程的知识。 ( 2 ) 机器人和工作坏境的三维实体模型。 ( 3 ) 机器人运动学和动力学知识。 ( 4 ) 基于图形显示和仿真的软件系统。 ( 5 ) 轨迹规划和检查算法，如检查机器人的关节超限，检查碰撞，规划机器人在工作 空间的运动轨迹等。 ( 6 ) 传感器接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划。 ( 7 ) 通讯功能，进行从离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜的通讯。 ( 8 ) 友好的人机界面，包含逼真的图形显示和多种图形操作手段，便于人工干预和系 统的操作。 机器人离线编程与仿真系统是机器人应用与研究不可缺少的工具。它促进了机器人的 应用与柔性制造系统( f m s ) 发展。国外在这方面研究较早，自2 0 世纪8 0 年代以来，美 国、英国、法国、德国、日本及以色列等许多大学实验室、研究所、制造公司对机器人离 线编程与仿真系统做了大量的研究，并取得了大量成果，其中有些软件已经商品化。 美国t e c n o m a t i x 公司19 8 6 年推出的r o b c a d 机器人c a d 及仿真系统【3 8 1 短短几年 内，r o b c a d 已在实际工业系统中得到了广泛地应用，成为世界上流行最广的机器人仿 真系统之一。美国另一个著名得机器人离线编程与仿真软件包是i g r j p 3 9 1 ，它是美国 d e n e br o b o t i c s 公司推出的交互式机器人图形编程与仿真软件包，主要用于机器人工作单 元布置、仿真及离线编程。i g r i p 可在s g i 、h p 、s u n 等工作站上运行。 以色列c a m p u c r a f t 公司开发了机器人仿真软件r o b o t w o r k s t 4 0 。r o b o t w o r k s 是一种 c n c 类型的专供工业机器人离线编程用的编程平台。它的服务目标是中小公司， r o b o t w o r k s 更加强大而灵活，特别是当机器人的型号、规格需要改动时更加快捷。它能 在一个交互式的环境中创建机器人的运动路径、部件、夹具和工具。它能在几秒钟内生成 路径所需的曲面和曲线特性，并生成一个可进行交互编辑的动画【4 1 1 。 国内的华中理工大学首先用微机开发了机器人离线编程系统，又在此基础上研制了机 器人离线编程系统h o l p s 4 2 1 。该系统包括机器人语言处理模块、运动学规划模块、机器 人运动学仿真模块、通信模块和主模块。h o l p s 系统在微机上对p u m a 5 6 2 机器人进行 编程，使其走出了多种空间曲线。并成功地应用于汽车车身的喷漆生产线。 7 浙江理工人学硕+ 学位论文 清华大学研制的仿真系统可对p u m a 5 6 0 及类似结构的机器人进行运动学、动力学轨 迹规划，并在此基础上开发了r o b s m 系统1 4 3 1 。它可使用s v a l 语言作为输入，增加了 三维图形输出和碰撞检查以及传感器仿真、典型动作和典型任务仿真。 浙江大学研制的智能装配机器人离线编程系统a r p s 4 4 1 ，用操作手级的机器人语言 舢u 描述机器人作业，通过图形仿真调试机器人程序，目标程序和数据通过串行口送至 机器人控制器，并已成功应用于8 6 3 智能精密装配机器人。 南京理工大学【4 5 】开发了h o l p s 离线编程系统。该系统采用模块化设计，具有几何建 模、运动学建模、图形示教、简单的轨迹规划、数据通讯等模块整个系统采用菜单式驱动。 上海交通大学焊接所【4 6 】提出了一种基于p c 的交互式三维可视化离线编程和动态仿 真系统w i n r o b w e l d 。利用目前流行的p c 机和w i n d o w s 操作系统所支持的o p e n g l 三 维图形功能，在系统中实现了焊接机器人及其工件的三维几何建模和机器人运动学建模， 并研究了机器人运动轨迹的自动规划和编程以及它的图形化三维动态仿真。 机器人离线编程和仿真技术己受到各国的广泛关注，并且己取得了大量的研究和应用 成果。但是国外在这方面研究要更深入一些，并且己到实用化阶段。国内在研究方面也作 出了大量的成果，但是还存在不少差距。 1 3 课题研究内容 本文密切结合国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) “温室内全方位自主行走果蔬采摘 机器人关键技术研究 项目，针对六自由度果蔬采摘机器人，建立其机器人运动学模型， 采用交互式三维“虚拟”方式实现机器人规划，通过图形化三维动态仿真实现对机器人控 制程序及运动轨迹的可靠性和安全性验证，对果蔬采摘机器人的实际应用具有重要意义。 本论文的主要工作如下： 第一章：“绪论 ，介绍本课题的研究意义，农业机器人的国内外研究现状，机器人 离线编程的研究现状，并提出了课题的研究内容。 第二章：“果蔬采摘机器人离线编程控制系统总体方案”，介绍了离线编程控制系统 的总体架构，包括开发所需的硬件平台，机械机构，软件环境，并概述了离线编程系统的 各个功能模块。 第三章：“果蔬采摘机器人运动学分析、工作空间分析及奇异位形研究 ，采用d - h 方法建立果蔬采摘机器人的杆件坐标系，并依据此坐标系建立了运动学方程，推导了运动 学位置正解和逆解公式。在正运动学模型的基础上，研究了机器人工作空问的形成以及求 解方法，然后推导了果蔬采摘机器人的工作空问方程。在运动学的基础上，推导了机器人 8 浙江理 = 大学硕士学位论文 的雅可比矩阵，进而分析了机器人的奇异位形。 第四章：“果蔬采摘机器人的轨迹规划算法 ，关节空间运用五次多项式进行果蔬采 摘机器人的轨迹规划，在直角坐标系空间中推导了空间直线轨迹规划和圆弧轨迹规划的模 型。 第五章：“基于c a n 总线的果蔬采摘机器人控制系统硬件实现 ，用z l g - p c i 5 1 1 0c a n 卡、c o p l e ya c c e l n e tm i c r op a n e l 伺服驱动器、m a x o nr e 3 5 有刷直流电机和h e d l5 5 4 0 型5 0 0 线光电编码器、传感器、机械臂本体搭建了整个机器人的硬件系统。 第六章：“果蔬采摘机器人离线编程及控制系统，用o p e n g l 建立了机器人三维仿 真模型，开发了离线编程系统，结合c m l 库开发机器人的控制程序，针对机器人直线轨迹 规划和圆弧轨迹规划算法给出了离线编程控制系统的测试结果。 第七章：“总结与展望”，对本课题自己所做的工作进行了总结，并提出了今后进一 步研究的工作方向。 9 浙江理1 二大学硕士学位论文 第二章果蔬采摘机器人离线编程控制系统总体方案 研制专用机电系统是农业机器人主要的实现方式，针对不同的农业生产研制独特的农 业机器人系统，设计出农业机器人的机械部分、控制部分和软件部分，如摘西瓜、苹果机 器人等。这种实现方式存在着扩展性、通用性差的问题，如采摘机器人改变作业对象，从 末端执行器、机械部分、控制部分到传感器部分都要更换，相当于重新设计制造了一个机 器人系统。由此，具有可配置性、可扩展性的开放式结构农业机器人应运而生。 开放式结构的农业机器人系统，具有良好的扩展性、通用性和柔性作业的能力。机器 人由机械、传感、控制三大部分组成，通过更换不同自由度的机械部分适应不同类型的农 作物( 如水果类苹果、桔子等，蔬菜类西红柿、黄瓜等) ，更换不同的末端执行器适应 不同的作物( 例如西红柿和黄瓜需要的术端执行器不同) 。针对不同作物，传感器部分进 行适当的调整。控制部分保留足够接口，可以控制足够自由度的机械部分，并能够处理传 感器返回的信号。基于以上这些优点，本课题研究的果蔬采摘机器人采用开放式的控制结 构，可以方便地集成第三方硬件和软件到系统中来，使得系统的模块化开发易于实现。 2 1 控制系统总体方案 目前主流的采用p c 做为主控器的开放式运动控制结构有以下两种：( 1 ) 采用插在p c 上的运动控制卡对电机进行控制。( 2 ) 采用c a n 总线的方式来对节点上的电机进行控制。 前者成本高，控制精度高，实时性能好，多用于高精密的数控加工系统，但是可扩展性差， 一般购买的运动控制卡都有控制轴数的限制，如果增加控制轴数会导致成本的迅速上升。 而利用c a n 总线控制的网络上最多可以有1 2 7 个节点，可扩展性能好，而且成本低，在 控制精度、实时性、同步性上也都能够达到要求。因此采用方案2 对电机进行控制。下面 对硬件系统中的一些器件进行简要的介绍。 系统硬件主要包括：上位机、c a n 控制卡、电机及其驱动器、果蔬采摘机器人、传 感器等，果蔬采摘机器人控制系统结构图如图2 1 所示。 上位计算机提供人机交互界面，用于完成整个系统的管理、发送指令、状态监视、运 动轨迹规划。上位计算机通过c a n 控制卡接入c a n 总线，能够随时查询各关节和外围 设备的状态，同时能够控制机器人关节的动作。 c a n 控制卡是上位p c 机和下位关节控制器的桥梁，负责p c 机和各个关节控制器的 通讯，实现上位计算机与下位关节控制器之间的实时信息交换。 1 0 浙扛理工大学硕士学位论文 下位关节伺服驱动器分布在各个关节上，控制备个关节电机的运动，同时接收关节位 置编码器反馈的信号，实现转角位置的闭环控制。下层现场设备可通过c a n 节点与c a n 总线上的其它设各交换信息。这种结构把机器人6 个关节的运动控制分离出来，能使控制 系统并行地完成多个任务。 图2 , 1 果蔬采括机器人控髓系统结构框图 2 2 果蔬采摘机器人机械结构 本论文采用的六自由度果蔬采摘机器人，它毛要为了完成采摘果实的工作。为满足要 求，它的关节结构由移动主体、回转腰部、躯干、大臂、小臂、腕部、手爪等几部分组成。 图2 2 果蔬采摘机器人 如图2 2 所示本机器人的臂部采用一个移动副和三个转动副，而腕部具有俯仰和回转 浙江理工大学硕士学位论文 两个自由度，共有6 个关节自由度，每一关节都装有零位及正负方向限位开关。移动关节 通过滚珠丝杠把旋转运动变成直线运动。肩关节和肘关节采用谐波减速，减速比为1 ：3 0 0 ， 各轴都采用和电机安装在一起的编码器作为位置反馈元件，构成闭环伺服系统。 2 3 系统软件环境 系统开发软件包括：v i s u a lc + + 、o p e n g l 、c m l 及z l gc a n 卡驱动库。以下将分 析o p e n g l 、及c m l 各自的特点及作用。 2 3 1o p e n g l 简介与应用 o p e n g l 是一个性能卓越的三维图形标准，它是在s g i 等多家世界闻名的计算机公司 的倡导下，以s g i 的g l 三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。 目前，包括m i c r o s o f t ，s g i ，i b m ，d e c ，s u n 和h p 等大公司都采用了o p e n g l 作为三 维图形标准，许多软件厂商也纷纷以o p e n g l 为基础开发出自己的产品，其中比较著名的 产品包括动画制作软件s o f t l m a g e3 d 和3 ds t u d i om a x 、仿真软件o p e ni n v e n t e r 、v r 等。 o p e n g l 实际上是一个开放的三维图形软件包，它独立于窗口系统和操作系统，以它 为基础开发的应用程序可以十分方便的在各种平台间移植。o p e n g l 可以与v c + + 紧密接 合，便于实现机器人的有关计算和图形算法，可保证算法的正确性和可靠性。 本系统机器人的三维图形采用o p e n g l 软件包实现，借助v c + + 6 0 调用o p e n g l 软 件库可以方便、快捷的开发离线编程系统。 2 3 2c m l ( c o p l e ym o t i o nl i b r a r y ) 简介 c o p l e y 驱动器提供的c m l ( c o p l e ym o t i o nl i b r a r y ) 库为系统设计提供了很大的方 便，我们可以不用理睬驱动器内部是如何工作，c a n o p e n 协议是如果规定的，只要调用 c m l 为我们封装好的函数库便可实现我们想要的运动控制。控制软件层次结构框图如图 2 - 3 所示。 图2 3 软件层次结构图 1 2 浙江理工人学硕十学位论文 z l gc a n 卡驱动层，为c a n 硬件提供最基本的软