基于MATLAB／Simulink的取苗機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡仿真

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1、·智能控制技術(shù)·李建剛尹文慶胡飛等基于MATLAB／Simulink的取苗機(jī)械臂??27基于MATLAB／Simulink的取苗機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡仿真李建剛，尹文慶，胡飛，左德龍(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京210031)摘要：根據(jù)取苗機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和特定的工作要求，用MATLAB／Simulink模塊建立機(jī)械臂仿真模型，驗(yàn)證機(jī)械臂的路徑和位姿規(guī)劃。仿真結(jié)果表明路徑規(guī)劃以及機(jī)械臂在特定點(diǎn)的位姿符合取苗要求。關(guān)鍵詞：取苗機(jī)械臂；MATLAB／Simulink；仿真中圖分類號(hào)：TP242．31文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B文章編號(hào)：1672—

2、1616(2009)15—0027一O3農(nóng)作物移栽種植雖然比直播種植費(fèi)工費(fèi)時(shí)，但是移栽種植可以延長(zhǎng)作物的生長(zhǎng)期，苗期便于管理、有利于抵抗病蟲(chóng)害和氣候?yàn)?zāi)害。發(fā)達(dá)國(guó)家普遍采用缽苗移栽植的方式，與缽苗移栽植相配套的裝備主要是半自動(dòng)栽植機(jī)，全自動(dòng)栽植機(jī)正在快速發(fā)展。隨著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的日益成熟和廣泛應(yīng)用，該技術(shù)在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它的應(yīng)用將極大提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率和自動(dòng)化程度。為了實(shí)現(xiàn)取苗自動(dòng)化，提出用取苗機(jī)械臂代替人工取苗放苗，達(dá)到提圖1取苗機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系統(tǒng)高移栽工作效率的目的，實(shí)現(xiàn)缽苗移栽自動(dòng)化。為了描述取苗未端執(zhí)行器

3、的位姿，定義固定坐標(biāo)系及各連桿的附體坐標(biāo)系如圖1所示。取苗未1取苗機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程端執(zhí)行器的位姿矩陣為：取苗機(jī)械臂完成將缽苗從穴盤中取出，然后放m—0Zm0忌人到栽植器中，根據(jù)取苗點(diǎn)與放苗點(diǎn)的位置空問(wèn)，r3A1。A2‘A3：構(gòu)建的取苗機(jī)械臂如圖1所示，取苗機(jī)械臂3個(gè)關(guān)0010節(jié)的z軸平行且坐標(biāo)原點(diǎn)在同一平面內(nèi)，所以連0001式中：A1，A2，A3分別為相應(yīng)連桿的齊次變換矩桿參數(shù)中的連桿扭角和連桿間距分別為0。陣；m=COS(01+02+03)；=sin(01+02+03)；根據(jù)圖1建立的取苗機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系統(tǒng)_1J

4、，Z=170cos(0l十2+03)+220cos(01+02)+可以用連桿的4個(gè)D—H參數(shù)來(lái)描述取苗機(jī)械220cos01；是=170sin(01+02+03)+220sin(01+臂，見(jiàn)表1。表1取苗機(jī)械臂連桿參數(shù)02)十220sin0l。通過(guò)取苗末端的位姿矩陣，在給定取苗機(jī)械臂末端執(zhí)行器的特定點(diǎn)以及在特定點(diǎn)的姿態(tài)進(jìn)行反向求解，可以計(jì)算出取苗機(jī)械臂在該特定點(diǎn)下的3個(gè)關(guān)節(jié)變量的值。收稿日期：2009—05—18基金項(xiàng)目：江蘇省農(nóng)機(jī)三項(xiàng)工程資助項(xiàng)目(NJ2008—32)作者介紹：李建剛(1981一)，男，山東菏澤人，南

5、京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電智能控制。282009年8月中國(guó)制造業(yè)信息化第38卷第15期2取苗機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法，關(guān)節(jié)變量的三次多項(xiàng)式為：根據(jù)取苗機(jī)械臂工作過(guò)程可知，在穴盤中取苗()=o+Cl十C2t+C3t時(shí)末端執(zhí)行器要求與穴盤垂直，避免末端執(zhí)行器傷各個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)的角度為已知，苗(該點(diǎn)為A點(diǎn))、同時(shí)在開(kāi)始取出到整個(gè)苗完全同時(shí)各關(guān)節(jié)起始點(diǎn)和終止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)角速度也為已知。取出時(shí)(該點(diǎn)為B點(diǎn))仍要保持同苗盤垂直，即把根據(jù)這4個(gè)已知條件，可以求出三次多項(xiàng)式軌跡函苗取出苗盤的整個(gè)過(guò)程

6、(AB段為直線)都保持和數(shù)的4個(gè)系數(shù)，且是惟一解，然后就可以得到各關(guān)苗盤垂直。在栽植器里放苗時(shí)要達(dá)到預(yù)定位姿(該節(jié)任意時(shí)間的角度、角速度和角加速度。在BC，點(diǎn)為C點(diǎn))即末端執(zhí)行器與栽植器保持垂直以確CA段分別插入2個(gè)路徑點(diǎn)，為了保證AB段為直保苗能夠順利放入栽植器苗根朝下，BC，CA段是線則在該段插入4個(gè)路徑點(diǎn)。否為直線不在功能要求之內(nèi)，只要軌跡平穩(wěn)就能達(dá)這里的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)條件為：到要求。由取苗機(jī)械臂的抓放幼苗的功能要求，得t)=0出其最短運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2所示。tf)=t)=tf)=Os式中：0，0為起始點(diǎn)的角度，角

7、速度；，Os為終止點(diǎn)的角度，角速度。3取苗機(jī)械臂仿真模型為了在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真，首先把移栽機(jī)械臂本體和移栽機(jī)械臂所在的作業(yè)環(huán)境抽象為物理模型_2』，然后進(jìn)行系統(tǒng)模型的設(shè)置，最后編制相關(guān)的圖2取苗機(jī)械臂末端執(zhí)行器最短理想軌跡對(duì)于取苗機(jī)械臂的抓放作業(yè)，需要描述取苗機(jī)仿真運(yùn)算程序。取苗機(jī)械臂仿真運(yùn)算程序包括各械臂運(yùn)動(dòng)的起始點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)，也就是取苗的特定連桿的設(shè)置、關(guān)節(jié)的制作及各關(guān)節(jié)相對(duì)坐標(biāo)系的建點(diǎn)。故采用點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)形式(point—to—pointmo—立；驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，把運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃的參數(shù)加入到tion)，這里點(diǎn)表示取苗機(jī)

8、械臂末端執(zhí)行器的位姿。驅(qū)動(dòng)器；傳感器的設(shè)計(jì)，建立各關(guān)節(jié)位置傳感器。確定運(yùn)動(dòng)形式之后，要對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行規(guī)劃，而軌根據(jù)前述的連桿D—H參數(shù)在MATLAB／跡規(guī)劃方法有很多，如不同階次的多項(xiàng)式函數(shù)及拋Simulink環(huán)境下的SimMechanics工具箱中，4J，建物線性函數(shù)等方法。本文采用關(guān)節(jié)空間的三次多立取苗機(jī)械臂仿真圖如圖3所示。圖3取苗機(jī)械臂