侯小艷

（晉中信息學(xué)院，山西 晉中 030800）

機(jī)械臂是輔助人工進(jìn)行作業(yè)操作的有效機(jī)械設(shè)備，在農(nóng)業(yè)果園采摘以及機(jī)械零部件裝配等各項(xiàng)工作中，均有突出表現(xiàn)，應(yīng)用價(jià)值相對(duì)較高。在農(nóng)業(yè)采摘中，能夠通過(guò)合理控制完成多自由度運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)械臂的控制精度，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展的重要推動(dòng)力[1]。由于在機(jī)械臂的使用過(guò)程中，需要對(duì)機(jī)械臂關(guān)節(jié)軌跡進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，以便保證采摘效果，所以對(duì)機(jī)械臂軌跡進(jìn)行跟蹤和控制顯得極為重要。

1 機(jī)械臂軌跡跟蹤控制的必要性

機(jī)械技術(shù)的快速發(fā)展以及其在各應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，為農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展提供了可靠助力，各種智能化采摘機(jī)械開(kāi)始在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中得到應(yīng)用。這些采摘機(jī)械主要由采摘機(jī)構(gòu)、移動(dòng)平臺(tái)以及機(jī)械臂三部分組成，如圖1 所示。其中，機(jī)械臂負(fù)責(zé)將采摘機(jī)構(gòu)送達(dá)到指定目標(biāo)位置，保證采摘機(jī)構(gòu)能夠完成對(duì)果實(shí)的采摘，是機(jī)械應(yīng)用中的關(guān)鍵。與工業(yè)機(jī)械臂有所不同，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂通常需要在復(fù)雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，對(duì)分布無(wú)規(guī)律障礙物和目標(biāo)進(jìn)行躲避和采摘，對(duì)于機(jī)械臂采摘精準(zhǔn)度要求相對(duì)較高，且在效率方面也有一定要求，還要保證采摘效果[2-3]。對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行控制，實(shí)際上是對(duì)其運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行跟蹤和控制，通過(guò)合理進(jìn)行軌跡控制的方式，做好路線(xiàn)規(guī)劃，以便完成目標(biāo)點(diǎn)和操作方案的設(shè)置，保證最終采摘效果，因此對(duì)機(jī)械臂軌跡進(jìn)行跟蹤和控制是極為必要的。

圖1 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂

2 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂軌跡跟蹤控制

2.1 機(jī)械臂軌跡跟蹤控制基本思路

在使用機(jī)械臂的過(guò)程中，需要保證其能夠準(zhǔn)確到達(dá)指定采摘位置，并且在靠近采摘物時(shí)，能夠?qū)⑵溥\(yùn)行速度控制為零，以防損傷果實(shí)，保證采摘質(zhì)量。因此需要對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡、速度以及位置進(jìn)行有效管控，保證其連續(xù)性，避免因?yàn)樗俣韧蛔兌斐申P(guān)節(jié)受到?jīng)_擊的情況，保證定位精準(zhǔn)度。較為常見(jiàn)的軌跡規(guī)劃主要有關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃以及笛卡爾空間軌跡規(guī)劃兩種模式。其中，笛卡爾空間軌跡會(huì)通過(guò)對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，展開(kāi)后續(xù)規(guī)劃操作，但此種規(guī)劃方法可能會(huì)因?yàn)槟称娈慄c(diǎn)的影響，而造成機(jī)械臂使用不可控的情況，整體計(jì)算量相對(duì)較大。而關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃模式會(huì)對(duì)整體關(guān)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)控制，能夠保證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)程度，并不會(huì)因?yàn)橥蝗蛔兯俣鴮?dǎo)致關(guān)節(jié)受到較大沖擊。在運(yùn)用此種方法進(jìn)行軌跡規(guī)劃過(guò)程中，需要在明確已知目標(biāo)點(diǎn)位置之后，運(yùn)用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算方法完成采摘機(jī)械臂每個(gè)關(guān)節(jié)需要進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值計(jì)算，并按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)行關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，確定關(guān)節(jié)起始點(diǎn)到目標(biāo)之間的軌跡曲線(xiàn)[4-5]。通過(guò)對(duì)正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程的應(yīng)用，可以驗(yàn)證軌跡曲線(xiàn)準(zhǔn)確性，明確軌跡規(guī)劃中插值點(diǎn)的設(shè)置合理性，進(jìn)而按照規(guī)劃軌跡進(jìn)行機(jī)械臂控制。

2.2 軌跡跟蹤控制方式方法

2.2.1 基本情況分析

以蘋(píng)果采摘為例，對(duì)機(jī)械臂采摘軌跡跟蹤和控制方式方法進(jìn)行研究。果園中的蘋(píng)果在非結(jié)構(gòu)化的三維空間中不規(guī)則地分布著，并且在進(jìn)行的采摘過(guò)程中，會(huì)受到綠葉以及樹(shù)枝等遮擋物的阻礙，所以整體采摘難度相對(duì)較大。為有效應(yīng)對(duì)該項(xiàng)問(wèn)題，需要在進(jìn)行軌跡規(guī)劃、數(shù)值模擬的過(guò)程中，針對(duì)蘋(píng)果的無(wú)規(guī)則分布情況，進(jìn)行數(shù)值模擬模型網(wǎng)格的分析，明確其具有不易收斂特點(diǎn)，適當(dāng)增加求解步數(shù)，但此種方法會(huì)降低運(yùn)算效率。同時(shí)，因?yàn)槭艿礁鞣N遮擋物的阻礙，采摘過(guò)程中需要設(shè)置障礙物規(guī)避功能，可以通過(guò)搭建仿真模擬場(chǎng)景的方式，展開(kāi)相應(yīng)運(yùn)算，但整體運(yùn)算時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)[6]。在對(duì)兩種問(wèn)題進(jìn)行深度分析之后，決定采用分步遷移策略和分布空間約束策略，實(shí)施軌跡跟蹤和控制操作。

2.2.2 分布空間約束策略

由于蘋(píng)果所在位置不規(guī)則，在進(jìn)行軌跡規(guī)劃模擬過(guò)程中，需要加入空間平面約束方法，對(duì)軌跡場(chǎng)景復(fù)雜問(wèn)題進(jìn)行妥善解決。在對(duì)原有深度梯度控制算法的分析中，通過(guò)加入分布式空間平面約束的方式，利用原有仿真模型，確保仿真模型一致性能夠達(dá)到要求。在對(duì)分布空間約束控制策略進(jìn)行應(yīng)用過(guò)程中，會(huì)展開(kāi)空間平面約束模型建設(shè)，以此為基礎(chǔ)展開(kāi)機(jī)械臂軌跡規(guī)劃，在獲得有效參數(shù)之后，要利用約束模型展開(kāi)無(wú)空間約束平面模型基礎(chǔ)參數(shù)模擬。運(yùn)用此種處理方式，達(dá)到有效提高模擬運(yùn)算效率的目標(biāo)，保證模擬精準(zhǔn)度。如果采摘空間較為復(fù)雜，可對(duì)運(yùn)算過(guò)程進(jìn)行分解，按照一定順序進(jìn)行運(yùn)算。在完成蘋(píng)果空間平面的繪制之后，會(huì)對(duì)機(jī)械臂在此過(guò)程中的采摘軌跡進(jìn)行模擬，并且在獲得關(guān)鍵參數(shù)之后，將其作為無(wú)空間平面約束模型初始參數(shù)進(jìn)行應(yīng)用，完成對(duì)蘋(píng)果采摘軌跡的規(guī)劃[7-8]。

2.2.3 分步遷移策略

在對(duì)綠葉以及樹(shù)枝等遮擋物問(wèn)題進(jìn)行處理的過(guò)程中，需要做好軌跡規(guī)劃以及障礙物的躲避設(shè)置，確保在非結(jié)構(gòu)化應(yīng)用環(huán)境中，模擬運(yùn)算效率能夠處于理想狀態(tài)。為達(dá)到此種效果，可以應(yīng)用分布遷移策略。分步遷移策略在使用過(guò)程中，以深度梯度控制算法為基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)非結(jié)構(gòu)應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行拆分模擬的方式，對(duì)果園的整體場(chǎng)景進(jìn)行搭建，以便通過(guò)仿真模擬的方法，對(duì)軌跡進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，做好障礙物的躲避。雖然原有深度梯度控制算法的應(yīng)用，也能夠達(dá)到對(duì)非結(jié)構(gòu)化應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行求解和處理的目標(biāo)，但其整體軌跡規(guī)劃精度相對(duì)較差，存在抗干擾能力不足以及需要大量運(yùn)算才能完成求解的缺陷，所以并不適用于本次采摘軌跡規(guī)劃。

在運(yùn)用分布遷移策略的過(guò)程中，需要完成無(wú)枝葉、混合枝葉以及單一結(jié)構(gòu)枝葉的場(chǎng)景搭建，進(jìn)而通過(guò)對(duì)各個(gè)場(chǎng)景中的模型進(jìn)行搭建和運(yùn)算的方式，完成復(fù)雜環(huán)境中的軌跡規(guī)劃，保證能夠高質(zhì)量完成障礙物的躲避。在完成無(wú)枝葉無(wú)障礙結(jié)構(gòu)化的場(chǎng)景搭建之后進(jìn)行求解，將求解結(jié)果遷移到單一枝葉或單一障礙物場(chǎng)景之中，再將其求解結(jié)果運(yùn)用到混合枝葉場(chǎng)景之中，做好不同場(chǎng)景的軌跡規(guī)劃和運(yùn)算。實(shí)時(shí)分布遷移策略的核心，是對(duì)復(fù)雜求解過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化處理[9]。通過(guò)將其進(jìn)行逐步分解的方式，逐步完成相對(duì)簡(jiǎn)單的場(chǎng)景求解，再通過(guò)對(duì)不同求解結(jié)果進(jìn)行運(yùn)用的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景的計(jì)算，這樣不僅能夠有效提高求解效率，同時(shí)還能夠保證軌跡規(guī)劃的精度。

2.2.4 分布空間約束仿真

為確定分布空間約束控制策略應(yīng)用是否有效，需要通過(guò)對(duì)專(zhuān)用軟件的應(yīng)用完成采摘軌跡規(guī)劃仿真處理。通過(guò)設(shè)置不同工況的方式，在各個(gè)工況中進(jìn)行不同約束平面的建設(shè)。通過(guò)運(yùn)用模型進(jìn)行采摘工況分析的方式，和沒(méi)有設(shè)置空間平面約束的基準(zhǔn)模型進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而確定此種處理方法是否具有優(yōu)勢(shì)，以便決定最終是否需要采用此種處理模式。在進(jìn)行數(shù)值模擬之前，為保證后續(xù)各項(xiàng)操作能夠順利進(jìn)行，需要對(duì)采摘模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，對(duì)采摘過(guò)程中可能引起阻礙的樹(shù)枝進(jìn)行綜合分析。雖然樹(shù)葉會(huì)對(duì)采摘造成影響，但其影響相對(duì)較小，所以在進(jìn)行模型簡(jiǎn)化處理時(shí)，可以忽略樹(shù)葉的影響，只對(duì)樹(shù)枝產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算。

需要在進(jìn)行部署計(jì)算過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)迭代次數(shù)進(jìn)行全面計(jì)算和研究，將5 000 步迭代次數(shù)作為設(shè)定計(jì)算步數(shù)。模擬數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，此種處理方法能夠達(dá)到收斂效果，工況可比性較為明顯。在對(duì)模擬結(jié)果實(shí)施定量以及定向分析的過(guò)程中，需要加入獎(jiǎng)勵(lì)值評(píng)價(jià)指標(biāo)內(nèi)容，當(dāng)獎(jiǎng)勵(lì)值數(shù)值與0 處于較為接近的狀態(tài)時(shí)，表明軌跡規(guī)劃精準(zhǔn)度較為理想，且收斂性水平較高，整體軌跡規(guī)劃處于最佳狀態(tài)[10]。

技術(shù)人員需要對(duì)不同空間平面約束中的獎(jiǎng)勵(lì)值變化情況進(jìn)行分析，明確其隨迭代次數(shù)變化而發(fā)生的改變。通過(guò)對(duì)有空間約束和無(wú)空間約束的工況進(jìn)行對(duì)比分析的方法，掌握獎(jiǎng)勵(lì)值具體的變化情況。按照整體分析發(fā)現(xiàn)，獎(jiǎng)勵(lì)值會(huì)隨著迭代次數(shù)的增加而逐漸變大，整體會(huì)逐漸趨近于0。在迭代次數(shù)超過(guò)3 500 次時(shí)，曲線(xiàn)運(yùn)行會(huì)處于較為平穩(wěn)的狀態(tài)，表明此時(shí)軌跡規(guī)劃運(yùn)算已經(jīng)處于基本收斂的狀態(tài)。在經(jīng)過(guò)多個(gè)工況反復(fù)對(duì)比分析之后發(fā)現(xiàn)，分布空間約束策略的應(yīng)用，能夠達(dá)到切實(shí)提升軌跡規(guī)劃效率的目標(biāo)，整體規(guī)劃應(yīng)用效果也較為理想，表明應(yīng)用此種策略能夠?qū)壽E跟蹤和控制產(chǎn)生積極作用。

2.2.5 結(jié)論分析

針對(duì)蘋(píng)果采摘機(jī)械臂應(yīng)用過(guò)程中存在的采摘物形狀不一以及重力不同等方面的特點(diǎn)，研究過(guò)程中需要結(jié)合采摘物空間分布無(wú)規(guī)則以及環(huán)境非結(jié)構(gòu)化等特征，解決軌跡規(guī)劃運(yùn)算效率較低等方面的問(wèn)題，運(yùn)用分布空間約束策略和分布遷移控制策略，實(shí)施軌跡跟蹤和規(guī)劃模擬。通過(guò)對(duì)深度梯度控制算法的應(yīng)用，利用分步遷移控制以及分布空間約束的策略，對(duì)采摘過(guò)程中存在的各項(xiàng)問(wèn)題進(jìn)行妥善解決。在專(zhuān)業(yè)軟件的幫助之下，完成機(jī)械臂采摘軌跡規(guī)劃仿真處理。各控制策略的有效應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂軌跡的有效規(guī)劃，在提高軌跡計(jì)算效率的同時(shí)，還能夠達(dá)到良好的跟蹤和控制效果，最終取得較為理想的采摘效果，對(duì)機(jī)械臂的應(yīng)用也能夠達(dá)到最佳狀態(tài)。

3 機(jī)械臂路徑規(guī)劃方式方法

在對(duì)機(jī)械臂軌跡進(jìn)行跟蹤和控制的同時(shí)，需要做好機(jī)械臂路徑規(guī)劃。可以通過(guò)合理設(shè)置起點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)之間路徑的方式，降低障礙影響，以保證順利完成采摘任務(wù)。通過(guò)對(duì)路徑規(guī)劃算法的充分分析發(fā)現(xiàn)，目前很多智能算法都已經(jīng)被應(yīng)用到機(jī)械臂路徑規(guī)劃之中，每一種算法都對(duì)規(guī)劃路徑各部分有詳細(xì)認(rèn)知，無(wú)論是計(jì)算效率還是計(jì)算能力都相對(duì)較高。各種算法都具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和不足。在進(jìn)行算法挑選時(shí)，需要按照采摘的內(nèi)容以及采摘的具體環(huán)境，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有路徑規(guī)劃方法的分析，確定最佳算法，使其達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。

以蟻群算法為例，對(duì)路徑規(guī)劃方式方法進(jìn)行探討。蟻群算法屬于新興仿生算法技術(shù)，雖然國(guó)內(nèi)目前對(duì)其的應(yīng)用仍然處于研究階段，并沒(méi)有形成一套較為完整的數(shù)學(xué)表達(dá)和分析方法，還有諸多有待提高之處，但由于其整體算法的應(yīng)用精準(zhǔn)度相對(duì)較高，而且具有諸多優(yōu)勢(shì)，所以將其應(yīng)用到軌跡研究之中，對(duì)路徑規(guī)劃工作開(kāi)展能夠產(chǎn)生積極影響。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，螞蟻群體在進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，整體行為相對(duì)較為復(fù)雜，在其運(yùn)動(dòng)路徑上如果出現(xiàn)障礙物，其會(huì)在短時(shí)間內(nèi)開(kāi)辟另一條路徑，有效規(guī)避障礙物?？茖W(xué)家在對(duì)螞蟻覓食行為進(jìn)行觀察后，發(fā)現(xiàn)其會(huì)選擇相對(duì)較短的路徑進(jìn)行搬運(yùn)，而螞蟻之間會(huì)通過(guò)釋放信息素的方式進(jìn)行信息傳遞，路徑上的信息素的信號(hào)強(qiáng)弱會(huì)直接決定蟻群在哪一條路徑上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。按照這一原理，技術(shù)人員通過(guò)在算法中輸入大量參數(shù)的方式，選取最佳參數(shù)范圍以及路徑內(nèi)容，確定合理的運(yùn)動(dòng)路徑。在對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，參數(shù)值設(shè)置過(guò)大或者過(guò)小，都會(huì)對(duì)蟻群算法性能產(chǎn)生直接影響，因此在該算法的使用過(guò)程中，需要做好參數(shù)范圍設(shè)置，以便保證算法應(yīng)用效果，保障最終規(guī)劃路徑的合理性。在具體進(jìn)行軌跡跟蹤和控制的過(guò)程中，需要按照采摘物種類(lèi)以及采摘物所處的環(huán)境等各項(xiàng)情況，對(duì)機(jī)械臂的使用軌跡以及跟蹤方式方法進(jìn)行分析，做好策略選擇以及算法使用，確保軌跡規(guī)劃能夠達(dá)到理想狀態(tài)，能夠更好地完成對(duì)機(jī)械臂運(yùn)行的控制，可以根據(jù)實(shí)際采摘需求，高效完成采摘任務(wù)。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)傳統(tǒng)果蔬采摘方式以人工采摘為主，人口老齡化以及青壯年勞動(dòng)力的日漸短缺，使得人工采摘成本逐年增加，采摘效率明顯下降。為解決該項(xiàng)問(wèn)題，對(duì)機(jī)械臂的應(yīng)用顯得極為必要。未來(lái)，應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)械臂的研究力度，做好關(guān)節(jié)軌跡跟蹤和控制工作，掌握有效跟蹤控制技術(shù)應(yīng)用方式方法，并在應(yīng)用實(shí)踐過(guò)程中，不斷對(duì)機(jī)械臂的使用進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，確保機(jī)械設(shè)備應(yīng)用能夠處于不斷完善的狀態(tài)，以有效解放農(nóng)村勞動(dòng)力，提高農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)收益，進(jìn)而為地區(qū)經(jīng)濟(jì)作出更大的貢獻(xiàn)。