果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的柔順抓取力控制.pdf

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1、第30卷第9期農(nóng)業(yè)工程學(xué)報、，0l-30No．92014年5月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMav201419果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的柔順抓取力控制姬偉。，羅大偉，李俊樂，楊俊2，趙德安(1．江蘇大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013；2．東南大學(xué)復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點實驗室，南京210096；3．機械工業(yè)設(shè)施農(nóng)業(yè)測控技術(shù)與裝備重點實驗室，鎮(zhèn)江212013)摘要：為了盡可能減小采摘機器人末端執(zhí)行器在采摘過程中對果蔬的損傷，提出了一種基于廣義比例積分(GPI，generali

2、zedproportionalintegra1)的抓取力矩控制方法。首先，對由電機驅(qū)動的末端執(zhí)行器建立模型，推導(dǎo)出電機輸入電壓與負載力矩之間的數(shù)學(xué)關(guān)系；然后，利用積分重構(gòu)器設(shè)計GPI力矩反饋控制器，將力偏差轉(zhuǎn)化為電機的輸入電壓控制。該方法不需要對力矩跟蹤誤差進行求導(dǎo)計算，避免了求導(dǎo)所帶來的系統(tǒng)延時和噪聲問題。仿真和實物抓取試驗結(jié)果表明，采用GPI的末端執(zhí)行器力矩控制對跟定信號的跟蹤誤差達到10。量級，具有良好的力矩跟蹤能力，與傳統(tǒng)PI(proportionalintegra1)控制方法相比，其控制力矩和電機控制電壓輸出平穩(wěn)，降低了末端執(zhí)行器抓取時對果蔬的損傷，無損采

3、摘效率達到90％，比PI控制的采摘完好率高出8個百分點，適合于對果蔬的柔順抓取控制。該研究可為果蔬采摘機器人無損采摘提供參考。關(guān)鍵詞：機器人；模型；控制系統(tǒng)；末端執(zhí)行器；廣義比例積分；柔順控制doi：10．3969~．issn．1002—6819．2014．09．003中圖分類號：TP24；S126文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1002—6819(2014)一09—0019—08姬偉，羅大偉，李俊樂，等．果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器的柔順抓取力控制[d]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2014，30(9)：19—26．JiWei，LuoDawei，LiJunle，eta1．Complianc

4、egraspforcecontrolforend—efectoroffruit-vegetablepickingrobot[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2014，30(9)：19—26．(inChinesewithEnglishabstract)控制精度依賴于對環(huán)境的精確了解。王學(xué)林等【l卜】0引言提出基于力外環(huán)的果蔬抓取控制策略，將控制算法果蔬采摘機器人是通過果蔬和末端執(zhí)行器的的力偏差轉(zhuǎn)換為末端執(zhí)行器的速度控制，但該控制手指之間

5、作用力來實現(xiàn)果蔬的穩(wěn)定夾持，但如果抓方法需要測量抓取時果蔬的瞬間變形量和瞬間變?nèi)×μ螅菀讚p傷果蔬。相反，如果抓取力太小，形速度，在實際測量時具有一定的誤差。近年來，則果蔬容易滑落。因此，在保證抓取穩(wěn)定的前提下，廣義比例積分控制由于不需要對跟蹤誤差進行求如何有效避免末端執(zhí)行器對果蔬的損傷，實現(xiàn)柔順導(dǎo)計算，能夠避免求導(dǎo)帶來的延時和噪聲問題，同抓取，是末端執(zhí)行器控制的研究重點[1-61。力／位置時，對系統(tǒng)模型不確定和參數(shù)變化具有較強的魯棒混合控制和阻抗控制是目前較為廣泛使用的2種主性，因而被引入到抓取力準(zhǔn)確跟蹤控制中【J"J。動柔順控制方法[引。Raibert9J在M

6、ason的基礎(chǔ)基于果蔬采摘機器人末端執(zhí)行器柔順抓取特上提出了混合力／位置控制，基本思想是當(dāng)末端執(zhí)行點和要求[18-241，本文提出一種基于廣義比例積分的器與環(huán)境發(fā)生接觸，通過雅可比矩陣將笛卡兒空間力矩控制方法。將末端執(zhí)行器的動力學(xué)模型看作質(zhì)任意方向的力和位置分配到各個關(guān)節(jié)控制器上，這點模型，分別對直流電機和末端執(zhí)行器建模，進而種方法必須對環(huán)境約束精確建模，且計算復(fù)雜。得出末端執(zhí)行器整體模型，在此基礎(chǔ)上，使用力傳Hogan[1~1提出阻抗控制，基本思想是調(diào)整機器人末感器測出的負載壓力作為反饋量1J，利用積分重構(gòu)端剛度，使力和位置滿足某種理想的動態(tài)關(guān)系。阻器設(shè)計廣義比例

7、積分力矩控制器，最后通過仿真和抗控制是通過調(diào)整參考位置間接地實現(xiàn)力控制，它的末端執(zhí)行器抓取試驗，驗證該控制方法的有效性。收稿日期：2013．06—17修訂Et期：2014．03—281末端執(zhí)行器模型建立基金項目：江蘇省博士后基金資助項目(1102110C)；東南大學(xué)復(fù)雜工本文以安裝在剛性機械手手臂頂端的兩指末程系統(tǒng)測量與控制教育部重點實驗室開放課題基金(MCCSE2013A03)；江蘇省高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(蘇政辦發(fā)[2011)6號)端執(zhí)行器為研究對象，末端執(zhí)行器采用由直流電機作者簡介：姬偉(1974一)，男，四川綿陽人，副教授，博士，主要和減速齒輪組構(gòu)