Analysis on autonomous task trajectory tracking performance of construction robot with online gravity compensation

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。     

含关节间隙的Delta机器人弹性动力学与振动特性分析

针对经济实用型并联机器人关节间隙对动平台位置精度与系统振动特性影响的问题,以Delta机器人为研究对象,利用数理统计原理对含关节间隙的Delta机器人支链进行了运动学分析,结合Lankarani-Nikravesh碰撞接触力模型与具有动态修正系数的Coulomb摩擦模型对关节间隙广义碰撞力进行了研究。利用空间有限元理论与拉格朗日方程,充分考虑主、从动臂的空间动力特性与运动协调关系,建立了Delta机器人弹性动力学模型,在定义杆件虚长度的基础上,将关节间隙产生的广义碰撞力结合到弹性动力学模型中,建立了含关节间隙的Delta机器人弹性动力学模型。借助FARO激光跟踪仪对间隙弹性动力学模型进行了验证分析,利用脉冲锤击法与Workbench软件仿真对Delta机器人的振动特性进行了研究分析。试验结果表明,考虑关节间隙时动平台中心点的运动轨迹较不考虑关节间隙时更靠近试验运行结果,验证了间隙弹性动力学模型的合理性与正确性,并且,系统前两阶非零固有频率的理论值与试验值的相对误差分别为3.544%和12.026%,两者相当接近。另外,由仿真结果可以发现3组从动臂是Delta机器人整机系统中最薄弱的环节。该研究可为经济实用型并联机器人的位置误差补偿与系统减振优化提供参考。     

非圆齿轮-连杆组合传动式蔬菜钵苗移栽机构设计

针对现有的单行星架轮系机构无法实现取栽一体式蔬菜移栽机构所需的作业轨迹和姿态问题,该文基于曲柄摇杆机构的变速摆动和非圆齿轮的不等速传动特性相结合的思想,提出一种双行星架非圆齿轮与连杆机构组合传动的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构。该机构的副行星架相对主行星架作变速摆动,移栽臂相对副行星架作回转运动。采用三次非均匀B样条拟合非圆齿轮节曲线建立移栽机构运动学模型。结合西芹移栽株距220 mm、苗高100～150 mm和穴钵深度40 mm的移栽农艺要求,优选出一组适合西芹钵苗取栽一体作业的尖嘴形轨迹和姿态。轨迹取苗段长度33 mm,植苗点距离行星架壳体运动最低点距地面高度55 mm,取苗角23°,取苗过程变化角16°,推苗角65°,轨迹整体高度355 mm,动轨迹环口高度125 mm。通过对比分析仿真轨迹、试验轨迹与理论分析的轨迹基本一致,验证了移栽机构作业轨迹的正确性和设计方案的可行性,该研究可为实现兼顾轨迹高度、取苗深度和作业姿态的取栽一体式蔬菜钵苗移栽机构设计提供技术参考。     

番茄收获机械手轨迹跟踪模糊控制仿真与试验

针对番茄收获机械手动力学模型不精确和外界扰动问题,该文采用计算力矩-模糊补偿相结合的控制方法进行了番茄收获机械手轨迹跟踪控制研究。通过自适应模糊逻辑系统补偿机械手动力学模型中的不确定部分,模糊逻辑系统的参数基于Lynaponv稳定性理论自适应调节,并利用ADAMS与MATLAB进行仿真试验。结果表明,对比计算力矩法,计算力矩-模糊补偿控制算法中各关节轨迹跟踪误差明显减小且收敛趋势明显。关节1至关节7平均轨迹跟踪精度分别提高了70.29%、94.72%、0.61%、74.29%、89.75%、86.41%和67.14%。该控制方案中各关节控制力（矩）均呈规律性变化,增加扰动信号亦未使输出力（力矩）出现抖振和突变,启动力（矩）最大出现在移动关节2和转动关节4,分别为453N和98.33 N·m。研究结果可为番茄收获机械手轨迹跟踪控制系统的深入研究奠定基础。     

芒果采收车机械臂运动特性分析及试验

为提高芒果采收车机械化采摘的适应性,该研究采用多体动力学理论方法对其机械臂的运动特性进行分析。首先,结合芒果生长和农艺特征及采摘机械臂几何构型与向量特性,运用D-H法建立了机械臂运动学模型以探索其运动特性,并进行末端执行器运动轨迹规划。轨迹规划结果表明末端执行器运动平稳,满足芒果采摘运动要求。进一步地,利用拉格朗日法构建了机械臂的动力学模型,对其进行了正逆动力学仿真验证,以深入了解机械臂的关节运动特性。动力学分析结果表明,在恒力矩工况下,伸缩装置和摆动装置的运动呈现一定的周期性,摆动装置、旋转装置角加速度和伸缩装置加速度均约在1.25、2.3、4.15 s达到阶段峰值;在仅做摆动周期运动的情况下,旋转装置、摆动装置所受驱动力矩均近似呈周期性变化,峰值分别为72.5与52 N·mm,且在一个运动周期内,均有两个极大值点。对机械臂结构进行仿真模态计算和模态试验,结果表明前六阶固有频率误差在5%以内,验证了芒果采收车机械臂多体动力学仿真建模的准确性。研究结果可为保证有效实现机械臂的采摘效果及提高其可靠性与稳定性提供依据。     

三自由度驱动冗余并联机构动力学建模与试验

对于农业机器人而言,其动力学模型是进行动力学特性分析的基础,是实现动力学优化设计及高精度操作的前提。该文针对一种新型驱动冗余并联机构进行了动力学建模,该机构的动平台通过2个PRRR支链和1个PPRR支链与静平台相连,拥有2个转动自由度和1个平动自由度。在分析并联机构组成的基础上,充分考虑各构件惯性力的影响,建立基于Lagrange方程的工作空间完整动力学模型,并运用最小2范数法实现驱动力优化;通过分析给定路径下并联机构各主要组成构件对驱动力的影响,提出针对上述完整动力学模型的简化方案。结合并联机构应用特点,进行了仿真及试验。结果表明,非冗余驱动情况下第1,2轴向驱动力的最大值为15 N,施加冗余驱动后,最大值降为10 N,各驱动力峰值降低约33%;机构位姿角β达到57.6460o时,各驱动力均发生急剧变化,经验证可知该点为奇异点,在实际应用中应避开该点。机构末端轨迹跟踪结果显示,在Y,Z和β方向的最大跟踪误差分别为0.8 mm,0.6 mm和0.068o,因此,基于本文所建立的简化动力学模型的机器人控制系统具有良好的跟踪特性。该研究可为冗余并联机构的动力学控制方法设计提供重要参考。     

棚架果园自主导航机器人快速上线方法与试验

棚架果园是一种适用于葡萄、梨和猕猴桃等水果的枝蔓布于架上的果树种植方式,棚架果园环境对卫星信号遮挡严重,现有研究多通过分析果园局部环境特征实现农机的自主导航作业。自主导航的行头上线性能影响生产作业的质量和效率。为了实现棚架果园环境下基于相对定位导航方式机器人的快速上线,该研究提出了一种基于电子罗盘与激光雷达航向信息融合的位姿检测方法,依据精准位姿信息规划上线轨迹和最优上线角以实现快速的上线。该系统作业时,通过触控串口屏人机界面向控制器输入先验棚架朝向信息,融合电子罗盘和激光雷达航向信息获得机器人相对于果树行的精准位姿,按照位姿偏差指标的不同阈值进行车体位姿状态归类并触发相应上线轨迹程序,并以求解的最优上线角度实现快速上线。在模拟棚架葡萄园环境中以自主研发的葡萄生产机器人为试验平台开展快速上线性能试验。试验结果表明:在恒定速度0.3 m/s、初始横向偏差1.4 m和航向偏差-π/4,-π/18,0,π/18,π/4的条件下,上线时间分别为6.11、7.15、7.46、7.74、8.90 s,上线距离分别为1.357、1.367、1.387、1.383、1.403 m。该研究以最优上线角完成自主导航系统快速上线,可为棚架果园无人化作业技术研究提供参考。     

四足激光除草机器人腿部结构参数优化

电驱四足激光除草机器人的续航能力取决于其电池容量和自身功耗,为了提高其续航能力,降低其目标轨迹下的驱动力矩将具有重要意义。该文以四足激光除草机器人为研究对象,提出一种动力学尺度综合方法,将其腿部尺寸参数作为优化设计目的,在给定的目标轨迹上,针对腿部关节驱动力矩进行优化,最终得到一组最优腿部杆长,使其完成目标轨迹的驱动力矩和功耗最小。以四足机器人腿部关节驱动力矩最大值最小作为优化目标,腿部尺寸参数作为约束变量,利用粒子群算法和理想点法进行二次优化,将多目标优化问题转化为单目标优化问题,得到一组最优杆长。计算结果表明:经过尺度综合后的四足机器人动力学性能得到明显改善,优化后单腿的大腿关节驱动力矩峰值下降5.29%,小腿关节驱动力矩峰值下降18.05%,验证了该尺度综合方法的有效性。该文提出的动力学尺度综合方法可为四足类机器人的设计提供参考依据。     

畜牧养殖环境监测自主移动平台轨迹跟踪控制算法

为实现畜牧养殖环境全方位监测,开发了可实现轨迹跟踪的自主移动监测平台。以具有非完整约束特性的自主移动平台为研究对象,研究其轨迹跟踪问题。在平台的结构基础上,通过建立其运动学模型及误差模型,提出基于Lyapunov函数和反推(Backstepping)时变状态反馈控制方法的轨迹跟踪算法,实现自主移动平台转向轮转角和行驶速度的控制。仿真和试验表明:所提出的控制算法能使该平台较好的收敛于期望轨迹,当跟踪期望轨迹稳定后,控制参数为(k_1,k_2,k_3,k_4)=(0.1,0.2,0.15,0.3)时,直线轨迹跟踪误差为x_e=±7 mm,y_e=±9.8 mm,θ_e=±4.2°,圆弧轨迹跟踪误差为x_e=±6.2 mm,y_e=±8.3 mm,θ_e=±5.8°,取得良好的跟踪精度。该研究可为畜牧养殖环境监测自主移动平台轨迹跟踪控制提供参考。     

基于摆线运动的黄瓜采摘机器人终端滑模轨迹跟踪控制

黄瓜采摘机器人是机器人技术在农业中的具体应用,而快速稳定地到达目标采摘点的轨迹规划则是黄瓜采摘机器人研究的主要内容之一。根据摆线运动曲线光滑,并能在有限区间的端点产生零速度和零加速度的特点,将其应用于黄瓜采摘机器人关节空间的轨迹规划,该方法计算简单,实时性好。同时,为了实现对期望轨迹的精确跟踪,构造了一种快速非奇异的终端滑模控制器,采用指数和幂次结合的趋近率方法,引入非线性滑模面,突破了普通滑模控制器在线性滑模条件下渐进收敛的特点,并且不会出现传统终端滑模控制的奇异性和抖振问题。李亚普诺夫稳定性分析和仿真试验证明：它能够准确的跟踪期望轨迹,并能使位置跟踪误差在有限时间内收敛到零,响应时间短,跟踪效果好。     

变自由度轮足复合机器人轨迹规划验证及步态研究

为了适应现代化农业对机器人的新要求,该文基于仿生学原理,提出一种可变自由度、轮足复合式、串并混联机构作为四足机器人的腿部机构。该文首先对机器人的整机和腿部机构进行了构形设计,并进行了位置分析;然后,根据农业上的一般地形和障碍物地形,规划了机器人足端普通轨迹及越障轨迹,并利用软件进行了轨迹仿真;其次,根据机器人静态及动态稳定性判据,在保证稳定性的前提下,完成了机器人对角小跑步态规划,并进行了仿真研究;最后,对机器人单腿样机进行了足端轨迹规划验证试验。试验结果表明:该单腿样机可以按给定的轨迹运动,证明该机器人机构设计是可行的,足端运动轨迹规划是正确的。但实际轨迹和理论计算轨迹存在误差,y轴方向最大误差2.5mm,z轴方向最大误差5.3 mm,误差均小于10 mm,在允许范围内,该机器人能够满足农业现代化的使用需求。     

基于目标规划的履带可变形机器人结构参数设计及验证

机器人结构参数直接影响其对环境的适应能力,因此合理的结构参数设计至关重要。为更高效设计能适应障碍已知环境的机器人,该研究提出一种基于目标规划的机器人结构参数设计方法,以得到能适应该环境的结构参数最优的机器人,并开发样机进行试验验证。首先提出并设计履带可变形机器人模型,在分析机器人越障机理基础上,建立机器人能够跨越的台阶和沟壑障碍与其结构参数间的关系,并在此基础上建立履带可变形机器人的结构参数目标规划模型。利用遗传算法得到该目标规划问题的最优结构参数:履带轮半径60 mm,摆臂最大长度326 mm,机体长度290 mm,并利用Adams建立仿真模型验证了机器人对目标环境的适应性。样机试验表明机器人能够跨越160 mm高台阶和300 mm宽沟壑,证明了计算得到的结构参数的合理性,及基于目标规划的机器人结构参数设计方法的可行性。该研究可为机器人的结构参数设计提供参考。     

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。     

基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验

为满足油茶果机械化、自动化采摘的要求,避免利用传统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法对机器人进行运动学分析时的缺陷,提出了一种基于旋量理论构建混联采摘机器人运动学方程的方法。根据混联采摘机器人机械臂的结构特点进行简化;基于所提出的方法建立了机器人正运动学方程,获得末端执行器的位置正解;随机选取5组关节变量值,得出末端执行器在基础坐标系各坐标轴上的最大绝对位置误差为10.4 mm,远小于末端执行器200 mm的开度,满足该机器人末端执行器的采摘工作要求,验证了通过文中所提出的方法建立混联采摘机器人运动学正解方程的可行性及方程的正确性。该研究可为后续开展混联采摘机器人控制方法和轨迹规划研究提供参考。     

三臂多功能棚室农业机器人的运动学分析及试验

果蔬培育过程涉及采摘、喷雾、剪枝等多种作业内容,为此该文提出了一种三臂多功能农业智能机器人,各机械手臂具有不同的作业功能,同时每2条手臂之间又可实施协同作业;建立该机器人的运动学模型是实现该系统多功能作业的前提,为此该文采用D-H方法建立了机器人连杆坐标系,分别推导了视觉系统、剪切执行器、采摘执行器、喷洒执行器的运动学方程,实现了运动学正解;采用代数方法得到了封闭形式的运动学方程逆解,求解了在采摘和喷洒模式下的各末端执行器包络空间,选取包络空间中的若干特征点作为试验样本,并为该机器人系统搭建了用以检验其执行精度的三维坐标系。试验结果表明,该机器人系统的运动模型能够指导各末端执行器完成指定动作且最大误差仅为8 mm,误差远远小于末端执行器的开度,能够满足要求。     

基于双6-UPU并联机构的步行机器人步行越障步态仿真与试验

为拓展六足机器人的应用,提高六足机器人对工作环境的适应性及工作的灵活性,该文提出了一种基于并联腿的六足步行机器人结构。该步行机器人由2个6-UPU并联机构腿和6个足构成,每个足上各安装1个辅助腿,共有18个自由度,辅助腿可根据环境改变步行机器人身体的高度,增强了克服障碍物与环境的适应能力。首先,对该机构进行运动学分析,通过腿部6-UPU并联机构的运动学逆解求解,得到机器人运动过程中并联腿各分支的状态;其次,通过对人体行走规律的研究,根据运动学逆解的结果,设计了步行机器人的2种步态,分别为跨步行走步态和越障步态;之后,根据样机材质,在ADMAS环境下对六足机器人的模型组件增加质量,进行2种步态的行走仿真,跨步行走步态一个步态周期耗时23.734 2 s,步行机器人机体前进400 mm,平均行走速度为1 011.2 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时18 s,步行机器人机体前进100 mm,平均行走速度为333.3 mm/min;最后,选用两片STM32芯片为核心处理器进行控制系统设计,两片STM32芯片分别进行数据采集与PID运算,二者间采用串口通信实现数据传输,跨步行走步态一个步态周期耗时24.85 s,步行机器人机体前进385 mm,平均行走速度为929.6 mm/min,而越障步态一个步态周期耗时20.8 s,步行机器人机体前进90 mm,平均行走速度为259.6 mm/min。试验表明：跨步行走步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为5%、8%,而在越障步态下,完成一个步态周期内的耗时与平均行走速度的偏差分别为13%、22%,绘制了2个平行腿移动平台中心点的规划轨迹和试验轨迹,试验轨迹在步行阶段,试验结果滞后于2种步态的模拟结果。其偏差可归结为试验样机中各电动缸自身特性、装配精度、部件的质量差异等因素的影响,但样机能够按照设定的步态完整设定的行走任务,从而验证了仿真分析的正确性。该研究为进一步研究六足并联腿步行机器人实现未知倾斜面或环境中的稳定行走提供了初步的实践依据。     

机器人肩关节的动力学建模及伺服电机峰值预估

为了增加机器人肩关节的工作空间和承载能力,提出一种基于三自由度正交球面并联机构的机器人肩关节.首先,采用第二类拉格朗日方程方法建立了肩关节的动力学模型,推导了肩关节的惯性矩、哥氏力—离心力和重力项的表达式.在肩关节动力学模型的基础上,建立了肩关节伺服电机峰值预估模型.其次,通过给定的动平台运动轨迹,分析了肩关节伺服电机...     

基于模糊双曲正切模型的车辆路径跟踪算法

为了实现铰接式车辆无人驾驶技术。针对路径跟踪问题,该文提出了基于模糊双曲正切模型的铰接式车辆路径跟踪控制算法。首先根据实地试验测得铰接式车辆的横向偏差、横向偏差变化率、航向角偏差、航向角偏差变化率和转向角的样本数据,建立其模糊双曲正切模型。在此基础上,采用改进的自适应反向传播(back propagation,BP)神经网络对模型进行参数辨识,并推导了基于Cauchy鲁棒误差估计器的权系数调解率公式。然后设计基于极点配置方法的控制器,得到转角的反馈控制率。从试验数据可以看出:车辆横向位置偏差、航向角偏差、转角控制量分别控制在0.008 m、0.07 rad(0.5°)、0.21 rad(12°)附近,各向偏差均稳定,误差控制在1%以内。该种路径跟踪控制算法的研究可为铰接式车辆无人驾驶提供参考。