采茶機器人SCARA機械手的軌跡規劃與控制
2020年信息技術與網絡安全第4期
汪琳，關勝曉
(中國科學技術大學 信息科學技術學院，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，以滿足名優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模型，并結合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節的運動進行軌跡規劃；最后將SCARA機械手簡化為XOY平面內的兩關節機械手，結合其一般動力學模型，在MATLAB/Simulink中采用S函數設計基于自適應算法補償的PD控制系統，進行軌跡跟蹤仿真實驗。實驗結果表明自適應魯棒PD控制策略能夠精確地跟蹤機械手大臂和小臂關節的控制輸入，使得各關節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，關勝曉.采茶機器人SCARA機械手的軌跡規劃與控制［J］.信息技術與網絡安全，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，關勝曉.采茶機器人SCARA機械手的軌跡規劃與控制［J］.信息技術與網絡安全，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，茶葉產業不斷發展，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象，隨著城市化的發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性茶葉無法得到及時的采摘，成為茶葉產業經濟發展的主要障礙；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，無法實現完全自動化，且無法滿足名優茶有選擇性的高質量采摘要求。為了緩解這種現狀，提高茶葉的采摘質量和效率，越來越多的高校與學者開始研究智能采茶機器人，通過電機驅動和算法設計實現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，市場應用前景廣闊。
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作者信息：
汪琳，關勝曉
(中國科學技術大學 信息科學技術學院，安徽 合肥 230026)
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