采摘机器人承载平台构型设计与工作空间分析

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1、2015年2月农机化研究第2期采摘机器人承载平台构型设计与工作空间分析1122季晔，卢文涛，宋磊，张彦斌(1．洛阳理工学院，河南洛阳471023;2．河南科技大学，河南洛阳471003)摘要:通过构型演变，设计一种五自由度采摘机器人承载平台机构，去掉Stewart六自由度并联机构的一条驱动支链，得到五驱动支链并联机构。机构采用SPS支链为驱动支链，驱动支链对运动平台无约束。由于仅有5条驱动支链，需增加1条约束从动支链限制运动平台1个空间自由度。为此，采用螺旋理论分析约束从动支链，得到满足不同自由度的从动支链约束螺旋和对应结构，综合出具有不同运动特征的五自由度并联机构

2、。针对此类五自由度并联机构构型，提出了机构构型的符号表示方法，建立了机构的输入与输出关系方程，利用速度Jaco-bian矩阵研究机构的奇异性，选取无奇异的机构构型为承载平台，并计算了承载平台的工作空间。关键词:采摘机器人;承载平台;构型演变;工作空间中图分类号:S225．99;TP242．3文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)02－0046－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.02.012面机构为基础，基于构型演变和李群理论提出一类0引言2T2Ｒ型四自由度并联机构型综合的系统方法。文献我国的工业机器人起步于20世纪70年

3、代，而农［9］提出基于自由度分配和方位特征集的混联机器人业机器人发展更为缓慢。目前，我国农业机器人的研机型设计方法。文献［10－13］提出了位移流形型综究已涉及施肥、除草、采摘、收获等领域，但实用化和合方法。产业化的设备依然非常有限。随着农业劳动力老龄采摘机器人承载平台具备五自由度即可满足空化，劳动力不足的问题日渐突出，采摘机器人研究意间灵活移动或旋转，实现装卸货物等工作。本文以六义重大。自由度Stewart平台为原始构型，去掉一条驱动支链，构型设计是采摘机器人研制的重要环节，采摘机利用螺旋理论，设计一条约束从动支链，得到一类五器人机构包含用于抓取的机械手臂和用于载

4、重的承自由度并联机构，可以用于采摘机器人承载平台。通载平台。为了提高刚度和载重能力，采用并联机构作过对承载平台奇异位形的分析，选取无奇异或较少奇为承载平台;而机械手臂则采用串联机构，以便其可异位置的机构为承载平台。以灵活运动。新机构的诞生已有了较为完善的理论1承载平台机构描述体系，并联机构构型设计是近年来学者们的热点研究问题。Huang等［1］、Gosselin［2］、Fang和Tsai［3］采用螺将Stewart六自由度平台去掉一个驱动支链，得到旋理论得到了大量少自由度并联机构。文献［4］利用一种五驱动支链并联机构。其中，A1A2A3A4A5为运动螺旋理论通过构型

5、综合，得到了完全各项同性的平台，B1B2B3B4B5为固定平台。在运动和固定平台的2T1Ｒ空间并联机构。文献［5］研究了转动解耦并联几何中心增加一条约束从动支链(虚线所示)，如图1所示。机构型综合方法，并进行了机构综合。文献［6］提出了基于单开链的综合法，并综合出多种新机构。文献支链与运动平台和固定平台的连接点分别为Ai［7］以单开链支路为基本单元，提出了输出运动为三和Bi，连接点处的运动副为S副，机构的各驱动支链可以为液压伺服阀控缸，为SPS结构，如图2所示。自由度的并联机器人型综合方法。文献［8］以6Ｒ平此类并联机构构件数量少，驱动支链仅含两个杆收稿日期:201

6、4－03－12件，驱动方式是最为常见的形式之一，可以保证支链基金项目:国家自然科学基金项目(122102310351);河南省科技发展运动平稳且易于控制。在机构的固定平台上建立固计划项目(122102310351);河南省教育厅自然科学基金项定坐标系{O}—Oxyz;在运动平台上建立动坐标系目(2010A460006){O'}—O'x'y'z';O和O'分别位于平台几何中心。各作者简介:季晔(1982－)，男，江苏大丰人，讲师，博士，(E－mail)坐标轴方向如图3所示。jiye_xaut@yeah．net。·46·2015年2月农机化研究第2期如运动副的空间方位、

7、输入运动副的表示等问题。［14］研究机构拓扑结构描述的文献很有限。黄真采用的是在运动副左上角加坐标标识描述支链;杨廷［15］力在支链中描述了运动副之间的空间位置关系;文献［16］提出了并联机构字符串描述方式，而机构的整体表示方法研究依然有限。机构的整体表示首先应先选取参考坐标系，确定机构中各支链运动副的空间方位，根据符号得到机构的整体结构。制定运动副的描述规则时，采用下列方法表示本文研究机构中的运动副。P、S、Ｒ、U、C分别表示移动副、球面副、转动副、万图1并联机构构型简图向节、圆柱副，选固定坐标系为参考坐标系，用下标表Fig．1Sketchofparallel