采茶機器人SCARA機械手的軌跡規(guī)劃與控制
2020年信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全第4期
汪琳，關(guān)勝曉
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026)
摘要： 考慮到采茶機器人的整體性能，采用SCARA機械手作為其采摘機構(gòu)，以滿足名優(yōu)茶自動化采摘的需求。首先采用D-H法建立機械手的運動學(xué)模型，并結(jié)合MATLAB Robotic Toolbox建立其空間仿真模型；其次采用五次多項式插值算法對機械手主要關(guān)節(jié)的運動進行軌跡規(guī)劃；最后將SCARA機械手簡化為XOY平面內(nèi)的兩關(guān)節(jié)機械手，結(jié)合其一般動力學(xué)模型，在MATLAB/Simulink中采用S函數(shù)設(shè)計基于自適應(yīng)算法補償?shù)腜D控制系統(tǒng)，進行軌跡跟蹤仿真實驗。實驗結(jié)果表明自適應(yīng)魯棒PD控制策略能夠精確地跟蹤機械手大臂和小臂關(guān)節(jié)的控制輸入，使得各關(guān)節(jié)能夠快速地跟蹤到期望位置，跟蹤誤差較小。
中圖分類號：TP242.6
文獻標識碼：A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.04.014
引用格式：汪琳，關(guān)勝曉.采茶機器人SCARA機械手的軌跡規(guī)劃與控制［J］.信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2020,39（4）：73-80.
文獻標識碼：A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.04.014
引用格式：汪琳，關(guān)勝曉.采茶機器人SCARA機械手的軌跡規(guī)劃與控制［J］.信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全，2020,39（4）：73-80.
Trajectory planning and control for SCARA manipulator of tea picking robot
Wang Lin，Guan Shengxiao
(School of Information Science and Technology,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)
Abstract： Considering the whole performance of a tea picking robot,this paper uses the SCARA manipulator as its picking mechanism to meet the needs of picking famous tea automatically.Firstly,the DH method is used to establish the kinematics model of the manipulator,and its spatial model is established by using MATLAB Robotic Toolbox.Secondly,the fifthorder polynomial interpolation algorithm is used to plan the trajectories of main joints of the manipulator.Finally,the SCARA manipulator is simplified to a twojoint manipulator in XOY plane.Combining its general dynamics model,this paper uses Sfunction in MATLAB/Simulink to design a PD control system based on adaptive algorithm compensation,and performs trajectory tracking simulation experiments.The experimental results show that the adaptive robust PD control strategy can accurately track the control inputs of the manipulator′s boom and forearm joints,so that each joint can quickly track to the desired position.The tracking error is small.
Key words : tea picking robot;SCARA manipulator;kinematics modelling;trajectory planning;trajectory tracking control
0 引言
近年來，茶葉產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，對茶葉的采摘要求也越來越高，目前茶園主要通過采茶工人和使用采茶機兩種方式來采摘茶葉。其中，人工采摘對勞動力的需求量較大，在采茶旺季往往會面臨勞動力短缺的現(xiàn)象，隨著城市化的發(fā)展和人口老齡化的加劇，越來越多的年輕人不愿意從事采茶工作，使得采茶工人中大多都是婦女和老年人，采摘效率低下，但茶葉的采摘具有很強的時令限制，人工短缺會造成很多茶園的季節(jié)性茶葉無法得到及時的采摘，成為茶葉產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要障礙；使用采茶機采摘雖然提高了茶葉的采摘效率，但目前的采茶機在工作時仍需要人員參與其中，無法實現(xiàn)完全自動化，且無法滿足名優(yōu)茶有選擇性的高質(zhì)量采摘要求。為了緩解這種現(xiàn)狀，提高茶葉的采摘質(zhì)量和效率，越來越多的高校與學(xué)者開始研究智能采茶機器人，通過電機驅(qū)動和算法設(shè)計實現(xiàn)機器人的自動行走功能，從而解放人類雙手；通過視覺處理系統(tǒng)自主完成茶葉的識別定位與新葉老葉的判別，再控制機械手完成指定茶葉的自動化采摘，市場應(yīng)用前景廣闊。
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作者信息：
汪琳，關(guān)勝曉
(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230026)
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