六自由度采摘机械臂系统设计

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1、2015年8月农机化研究第8期六自由度采摘机械臂系统设计刘忠超，熊雷，翟天嵩(南阳理工学院电子与电气工程学院，河南南阳473004)摘要:以Atmel公司的Atmega1280芯片为核心控制器，以六自由度关节型果蔬采摘机械臂为研究对象，设计了采摘机械臂的软硬件系统。运用D－H法对六自由度机械臂进行数学建模，并通过MatLab构建运动仿真模型，验证了其设计的可行性;通过软件编程实现了采摘机械臂单自由度运动、多自由度协调运动和运动规划等功能模式;同时完成了Labview上位机监控界面的设计;最后通过系统调试，实现了采摘机械臂的单自由度、多自由度及基本的运

2、动规划功能。系统整体运动灵活，协调性较好，在精度和性能上都得到了很大的提高。关键词:采摘机械臂;自由度;MatLab建模;运动规划中图分类号:S225．93;TP241文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)08－0112－03DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.08.025成。其可以看作是由数个转动或移动的关节串联而0引言成，该课题设计的六自由度采摘机械臂模型如图1所随着信息技术和自动控制技术的不断发展，农业示。其中，一端为基坐标系B，固定在基座上;另一端机械也迈入了高度自动化、智能化的时期。农业机器为工具坐标

3、系H，附着在机械臂的末端执行器，用来人已成为农业生产模式改变的最大推力，采摘机器人操纵夹持器。作为农业机器人的重要类型，具有很大的发展潜［1］力。其中，采摘机械臂是一种典型的串联式机器人，在农业装置、设备装配、自动喷漆、教育研究等领域有着极其广泛的应用。它采用机械手方式替代传统的人工作业方式，大大地减轻了劳动强度，降低了生产成本，提高了生产效率。农业采摘机器人最重要的装置就是采摘机械臂及其控制系统;但很多农业采摘机器人大都直接购买现有的工业机械手，体积大、成本高。针对这种情况，图1机械臂运动学模型本项目以Atmel公司的Atmega1280芯片为核心

4、控制Fig．1Manipulatorkinematicsmodel器，借助于JQ5600语音模块及机械臂支架，实现了采对于图1机械臂位置的描述，在图2的直角坐标摘机械臂的硬件控制系统;同时，通过上位机监控界系{A}间任意一点的位置可以用3×1列的向量方法面以及控制程序的编写，实现了机械臂三维空间位姿来表示，具体如公式1所示。其中，px、py、pz分别代表运动的控制功能。的是坐标系{A}中3个坐标分量。1机械臂三维模型建立及实现épxùAp=êpúy1．1机械臂运动学模型建立êúëpû采摘机械臂主要由机械臂主体、舵机、摘取物体z的双立机械爪、底盘轮式行

5、走机构等几个主要部分组根据图1、图2机械臂模型、位置描述及D－H理［2］［3］论，建立了如图3所示的机械臂当前位姿模型。收稿日期:2014－10－131．2机械臂MatLab模型建立基金项目:河南省重点科技攻关项目(132102210102)机械臂的模型仿真采用MatLab平台下的Ｒobotics作者简介:刘忠超(1979－)，男，河南南阳人，讲师，硕士，(E－mail)liuzhongchao2008@sina．com。Toolbox工具箱，从而可以很方便地对机械臂运动学的通讯作者:翟天嵩(1971－)，女，河南南阳人，教授，硕士，(E－mail)

6、理论进行学习和验证。工具箱内部包含了很多机械my990815@163．com。·112·2015年8月农机化研究第8期臂运动学方面的功能函数，如机械臂的坐标变换及机和图6所示，进而验证了理论模型设计的正确性。械臂正逆运动等。通过调用Link和Ｒobot两个功能表1多轴机械臂的D－H参数表Table1TheD－Hparameterofaxismanipulator函数，利用Denavit－Hartenberg参数表来描述机械臂各个连杆间的位移关系，可以在三维空间为机械臂的关节参数a参数d参数α参数θcosαsinα每一个连杆建立一个坐标系或相对于机械臂

7、底座的1030－90900－1相对坐标系，进而确定每一个杆件的位置和方向。建29800010立的机械臂位姿的D－H坐标模型如图4所示。39800010400－90－900－15009090016000010图2点p的位置描述Fig．2ppositiondescription图5机械臂的指定位姿模型Fig．5Thespecifiedposemodelofmechanicalarm图3机械臂的位姿Fig．3Positionofthemechanicalarm图4机械臂位姿的D－H坐标模型Fig．4ModelD－Hcoordinatemanipulator

8、pose图6机械臂的任一位姿模型在建立多个运动坐标的时候，为了方便，一般建立Fig．6Theanyposem