黃鑫澳

摘要：農(nóng)業(yè)裝備從機械化到智能化的跨越正在加快，農(nóng)用采摘機器人的應(yīng)用也越來越廣泛.在鮮食蔬果中，番茄是采摘難度最大的果蔬種類之一.番茄果實密集生長相互觸碰，且果皮柔軟易破，因此夾剪一體式采摘機器人成為了主流.采摘作業(yè)時，末端執(zhí)行器接觸到番茄穗所在主枝干后，并攏夾住切斷果莖，而后運輸?shù)街付ㄎ恢?但在移動過程中，往往發(fā)生果實的掉落問題，其中果穗的抖動，是掉落的重要原因之一.因此，如何抑制果穗運輸過程中的抖動，是提高采摘成功率的關(guān)鍵?；诖?，對采摘機械臂自適應(yīng)輸入整形控制進(jìn)行研究，僅供參考。

關(guān)鍵詞：采摘機械臂;可變?nèi)嵝载?fù)載;振動控制

引言

機械臂是一種多輸入、多輸出且具有時變性、時滯性和高度耦合性的復(fù)雜非線性系統(tǒng)。機器臂系統(tǒng)的不確定性可能會導(dǎo)致依據(jù)該模型構(gòu)造的控制器性能降低，甚至不穩(wěn)定。在控制器設(shè)計時，很多控制策略都會有局限性，這將會對機械臂系統(tǒng)輸出跟蹤期望軌跡的實現(xiàn)帶來巨大影響。因此機械臂系統(tǒng)中存在不確定項難以避免地會導(dǎo)致系統(tǒng)的性能大大降低。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在機械臂運動控制中，可以處理機械臂系統(tǒng)模型中的不確定性，還能對它進(jìn)行實時控制。

1輸入整形概述

輸入整形（InputShaping）作為一種前饋控制方法，能實現(xiàn)柔性結(jié)構(gòu)的振動抑制.20世紀(jì)50年代，伯利克大學(xué)Smith在懸垂物的移動實驗中，發(fā)明Posicast控制方法消除殘余振動.90年代中期，麻省理工學(xué)院的Singer等學(xué)者改進(jìn)了這種方法，并將之稱為輸入整形技術(shù).其后，國內(nèi)外專家學(xué)者對輸入整形器的研究相當(dāng)活躍，并取得了豐碩的成果。把輸入整形從單輸入單輸出系統(tǒng)，擴展到多輸入多輸出系統(tǒng).在閉環(huán)回路中加入Smith預(yù)測器，克服輸入整形器造成的時間延遲;針對汽車生產(chǎn)線中的裝配機器人，提出一種魯棒性較強的整形器，對移動中的車體執(zhí)行車輪裝配任務(wù);把輸入整形技術(shù)應(yīng)用到醫(yī)用X光機上，實現(xiàn)零相位誤差周期信號的跟蹤;對一類帶有完整約束的雙吊車系統(tǒng)進(jìn)行分析，根據(jù)求取的振蕩周期設(shè)計出合適的輸入整形器;提出一種基于S型曲線軌跡生成法，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)起重機兩級殘留擺角的抑制;基于輸入整形算法針對深海起重機系統(tǒng)提出了一種實時軌跡規(guī)劃方法，有效抑制了負(fù)載擺動;通過引入基函數(shù)參數(shù)化的前饋控制器和輸入整形濾波器，消除期望軌跡引入的擾動。

2柔性機械臂

是一個非線性的復(fù)雜系統(tǒng)，它廣泛的應(yīng)用于航天探索、工業(yè)裝配等領(lǐng)域。相比較于傳統(tǒng)的剛性機械臂，柔性機械臂具有回轉(zhuǎn)半徑更大和輕質(zhì)的特點。目前，關(guān)于柔性機械臂建模的方法主要分為假設(shè)模態(tài)法和有限元法兩大類。使用假設(shè)模態(tài)法建立了轉(zhuǎn)角與模態(tài)坐標(biāo)相耦合的柔性機械臂的動力學(xué)方程;使用有限元法建立包含柔性關(guān)節(jié)的柔性機械臂動力學(xué)方程。在柔性機械臂的動力學(xué)建模過程中，往往假設(shè)柔性機械臂在水平面運動。但是，在一些實際的柔性機械臂應(yīng)用過程中需要考慮重力因素。在雙柔性機械臂建模過程中將重力因素予以考慮。在含有柔性關(guān)節(jié)的機械臂伺服系統(tǒng)建模過程中將重力因素予以考慮。重力被引入動力學(xué)方程，因此在柔性機械臂動力學(xué)建模的過程中需要考慮重力因素。

3硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)硬件包括上位機、主控制板及舵機三部分構(gòu)成，其中上位機觸摸屏通信接口具有通信協(xié)議兼容性好，接口簡單，交互方式方便、直接、快捷的特點，適用于各類型控制器，其不僅承載了控制系統(tǒng)與外部交互的作用，且確保了控制系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。實際運行中，工作人員可通過觸摸屏實時監(jiān)控包裝機的運行狀況，同時可通過觸摸屏輸入控制指令及工藝參數(shù)。Arduino主控板作為系統(tǒng)核心，采用ATmegal280單片機作為處理單元，與PC機通過RS232通信，采用在線控制計算機實現(xiàn)功能選擇。主控板完成機械臂運行參數(shù)的實時調(diào)整控制，同時基于RF模塊將信息傳輸?shù)娇刂瓢宀⑸擅}寬調(diào)制信號。通過傳輸信號的差異化時間控制完成多伺服舵機協(xié)作。

4控制策略

4.1機械臂柔性負(fù)載控制系統(tǒng)

為了驗證本文提出方法的有效性，以單個西紅柿作為負(fù)載，西紅柿果莖作為柔性連桿，將自適應(yīng)控制算法應(yīng)用于采摘機械臂抓取西紅柿果莖的振動抑制中。

4.2意外碰撞仿真實驗

當(dāng)檢測到意外碰撞發(fā)生時，機械臂應(yīng)立刻激活安全控制策略以保障人機接觸安全。為此，意外碰撞仿真實驗以機械臂無控制策略作為對照組，分別使用阻抗控制及速度控制兩種策略來處理意外碰撞，在不采用控制策略條件下，機械臂與外部環(huán)境發(fā)生意外碰撞接觸后繼續(xù)向目標(biāo)位置前進(jìn)，隨著來自環(huán)境的阻力不斷增大，機械臂與環(huán)境之間的接觸力也不斷增大;在采用阻抗控制策略條件下，當(dāng)機械臂與外部環(huán)境發(fā)生接觸后，該控制機制立即產(chǎn)生一個位置修正反饋以驅(qū)使機械臂逃離碰撞，最終機械臂和外部環(huán)境之間維持一個較小的穩(wěn)定接觸力;在采用速度控制策略條件下，當(dāng)意外碰撞發(fā)生時，機械臂與外部環(huán)境之間的接觸力觸發(fā)速度控制機制，使得機械臂可以快速地遠(yuǎn)離接觸力源，直至接觸力衰減為0后停止運行。由此可見，在意外碰撞發(fā)生時，采用阻抗控制策略或速度控制策略都能使機械臂快速逃離碰撞物以降低碰撞作用力。從圖7中還注意到，雖然采用阻抗控制策略或速度控制策略都能降低機械臂與外部環(huán)境之間的碰撞力，但由于阻抗控制策略本身的局限性，最終機械臂與外部環(huán)境之間的接觸力不為0，沒有達(dá)到所設(shè)置的接觸力期望值，故而需要在對力誤差產(chǎn)生原因進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)阻抗控制策略。

結(jié)束語

隨著智能機器人的發(fā)展，作為機器人的重要組成部分，機械臂的設(shè)計與控制是研究的關(guān)鍵?？紤]到成本與控制因素，輕型機械臂設(shè)計多采用兩種方案，一種為傳統(tǒng)電機與減速器驅(qū)動的方案，如ASIMO和Sophia，負(fù)載較小，便于控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]林高榮.多關(guān)節(jié)機械臂系統(tǒng)的指令濾波反步阻抗控制[D].青島大學(xué)，2021.

[2]王冬冬.柔性關(guān)節(jié)機械臂系統(tǒng)的自適應(yīng)反步控制研究[D].青島大學(xué)，2021.

[3]朱光耀.全向移動機械臂的無標(biāo)定視覺拾取控制系統(tǒng)設(shè)計[D].青島科技大學(xué)，2021.