除草机器人机械臂运动分析与控制

2007年8月

农业机械学报

*

第38卷第8期

除草机器人机械臂运动分析与控制

陈　勇　郑加强　郭伟斌

　　【摘要】　研究了基于直接施药方法的除草机器人, 计算机从地面图像中识别杂草目标, 通过伺服控制器控制机械臂动作, 末端执行器切割杂草并涂抹除草剂。本文着重分析了机械臂运动学问题, 求得其逆解。进而转换成机械臂控制参数, 并加以修正, 软件编程实现机械臂的精确控制。

关键词:除草机器人　机械臂　运动学分析　运动控制中图分类号:T P 242; S 451. 2

文献标识码:A

Kinematics Analysis and Motion Control for a Weeding Robotic Arm

Chen Yong 　Zheng Jiaqiang 　Guo Weibin

(N anj ing For estry Univer sity )

Abstract

A weeding robot w as dev elo ped based on direct herbicide application m ethods . After w eeds w er e identified, the em bedded com puter sent instructions to a micro co ntro ller , w hich contro lled the robotic ar m to locate w eeds, cut them and apply chemicals simultaneously. Resear ches w ere fo cused on the kinematics analy sis o f the robotic arm . Joint angles and control parameters w ere calculated and then modified. The r obo tic arm could mov e accurately under the control fr om the main co mputer.

Key words 　Weeding robot, Robotic arm, Kinematics analysis, Motion control

上, 而是先切割杂草茎叶, 然后再将除草剂涂抹到茎叶的断茬上面。涂抹施药可以消除农药的雾滴漂移, 减少除草剂药害。本文重点研究除草机器人机械臂的运动学分析和机械臂的运动控制, 这是实现直接施药方法的关键技术之一。

　　引言

农田中, 通常采用机械设备来喷洒化学除草剂。在我国, 主要是采用手动喷雾器或机动喷雾机施药除草。在美国, 施药设备有喷杆喷雾机、涂抹施药器具、粒状农药施药器具等。这些方法的缺点是对地面杂草目标没有识别能力, 均匀施药, 导致农药污染。喷雾设备一般都有雾滴飘移现象。现有的涂抹施药器具虽没有雾滴飘移, 但它不能对低于庄稼高度的杂草施药。除草机器人的研究可以降低劳动强度, 大幅度减少除草剂用量, 有利于农林生态环境的保护。

美国、欧洲、日本等开展了除草机器人的研究

[1～3]

1　机械臂结构组成

除草机器人由主体、机械臂、末端执行器、数字摄像头等构成[5]。执行图像处理的计算机放在机器人的腹腔内。摄像头通过USB 接口与计算机连接, 计算机找到地面杂草目标后, 通过一个伺服控制器控制多关节机械臂工作。机械臂的端部, 即结构独特的末端执行器切割杂草并涂抹除草剂。

如图1所示, 机械臂主要由固定底座、转动底

。目前, 我国也在开展基于直接施药方法的除

[4]

草机器人研究。除草剂不是直接喷洒到杂草茎叶

收稿日期:2006-03-24

*江苏省国际科技合作资助项目(项目编号:BZ2005044) 和教育部留学回国人员科研启动基金资助项目陈　勇　南京林业大学机械电子工程学院　副教授　博士, 210037　南京市郑加强　南京林业大学机械电子工程学院　教授　博士生导师郭伟斌　南京林业大学机械电子工程学院　硕士生

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农　业　机　械　学　报2007年　

座、上臂、前臂、手以及刀盘构成。固定底座通过紧固件固定在机器人上, 伺服电动机驱动转动底座绕固定底座转动; 上臂与转动底座、前臂与上臂以及手与上臂之间均分别由伺服电动机驱动在同一平面内相对转动。

工作时, 刀盘由直流电动机驱动而高速旋转, 手部与地面保持垂直。刀盘实现切割杂草和涂抹除草剂的动作。

图1　机械臂结构组成Fig. 1　Com po nents o f

the r obot ic arm

1. 固定底座　2. 转动底座　3. 肩关节　4. 上臂　5. 前臂6. 腕关节　7. 手　8. 刀盘

变换矩阵为

i ) =A i =T rans (x i , y i , z i ) Rot (z i , H

cos H i -sin H i 0a i co s i sin H i 0

cos H i

01

a i sin H i

0001

机械臂上臂、前臂以及手3部分运动学方程为

n x n y n z

o x o y o z

A x A y A z

P x P y P z

=A 1A 2A 3

0001式中　P x 、P y 、P z ——点P (刀盘) 在坐标系中的3个

分量

　a i ——相应的臂长

在求逆解时, 末端连杆的位姿矢量和位置矢量已知, 即n 、o 、A 和P 已知, 则可反向求出各关节变量。

本文使用一个4关节自由度的机械臂。由于上臂、前臂和手在同一平面内, 因此其求逆解过程得以简化。

如图3所示, 摄像头在Q 点, 视觉范围是A BDC 区域。机械臂肩关节中心为O 点(垂直投影为B D 中点N ) 。建立参考坐标系, 设O 为原点, z 1轴垂直向下、x 1轴平行B D , y 1轴平行AB 。参数:l QG =528mm , l ON =400mm , l AB =360mm , l AC =270mm 。

2　机构运动学分析与求解

机器人运动学分析通常有两类问题:一是根据关节变量求手部位姿的正问题; 二是根据手部位姿求关节变量的逆问题。在本文中, 需要根据刀盘空间位置求出各关节角, 再求得对应的伺服电动机控制参数, 属于逆问题。

在图2所示的坐标系中, 手坐标系的原点为O H , 3个正交坐标轴分别为x H 、沿3个坐标轴的y H 和z H 。单位矢量分别为n 、o 、A 。基坐标系的原点为O B , 3个正交坐标轴分别为x 、y 和z 。沿3个坐标轴的单位矢量分别为i 、j 、k 。

将手坐标系上的单位矢量n 、o 、A 表示在基坐标系中, 有[6]

n =n x i +n y j +n z k o =o x i +o y j +o z k A =A x i +A y j +A z k

式中, n

x 、x 、y 、z 分别是单位矢量n 、n y 、n z 、o x 、o y 、o z , A A A o 、A 在基坐标系x 、y 和z 3个轴上的投影分量。

图3　摄像头与机械臂的空间位置图

F ig. 3　Lo catio ns o f the camera and the ro botic ar m 　

如图4所示, 将摄像头视野范围(A BDC ) 划分

为50个矩形块, E F 是地面上作物行中心线,

图2　手坐标系H 和基坐标系B

Fig . 2　Hand co or dinat es a nd base co or dinat es 　

R 1R TT 1为作物生长区域, 机械臂不在此禁区工作。左机械臂工作范围是A R 1T 1C 区域, 右机械臂工作范围是RBDT 区域。由于对称性, 只讨论右机械臂。

根据前面描述的求逆解方法和本系统的特殊, 该机械臂中, 坐标系x i +1y i +1z i +1可以由坐标系

x i

y i ,

　第8期陈勇等:除草机器人机械臂运动分析与控制

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对各参数逐个加以修正以获得准确值, 如表3所示。

表2　伺服电动机的转动参数

Tab . 2　Rotating parameters of the f our motors

转动参数

区域中心序号

p 0

123

[***********][***********]65140

p [***********][***********]2178169167

p [***********][***********]0127127127

p [***********][***********]87

图4　地面图像区域划分图F ig. 4　Cr op and w eeds in an image

　

45678910

地面杂物) , 求得的各关节角如表1所示。其中, H 0为转动底座相对于固定底座的转角, 可以通过直接计算获得。H 1对应肩关节转角, H 2对应肘关节转角, H 3对应腕关节转角。

表1　机械臂4个关节角

Tab . 1　Four j oint angles of the robotic arm

关节角

区域中心序号

[***********]415

H [**************]0-25-45-70-46-60-80

H [***********][***********]6126120118

H [***********]00149000

H [***********][**************]62

(°)

1112131415

表3　修正后的伺服电动机的转动参数Tab . 3　Rotating parameters of the f our motors

after calibrating

转动参数

区域中心序号

p 0

123456789

[***********][***********]222

p [***********][***********]2178169167

p [***********][***********]0127127127

p [***********][***********]2100

3　机械臂运动控制

根据控制系统要求, 伺服电动机运动的位置参数取值范围为:1～254。工作初始, 机械臂处于与地面垂直位置。在初始位置, 各个伺服电动机所对应的位置参数分别为:0号电动机127、1号电动机254、2号电动机127、3号电动机127。

利用这些关系, 将表1各关节角度转化为对应伺服电动机的位置参数p 0、p 1、p 2、p 3, 列于表2中。

试验中发现, 直接使用表2的参数值进行控制[1**********]5

依照伺服电动机控制板命令格式, 上位机(PC

机) 通过串行口将这些参数送至伺服电动机控制板上的下位机, 再由下位机直接控制机械臂上的4个

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农　业　机　械　学　报2007年　

电位器的变化并同时与外面的控制信号进行比较, 从而得出需要“锁定”的位置。

图5　机械臂控制系统简图

F ig. 5　Block diag ram o f the contr ol sy stem

o f the ro botic ar m

　

图像处理软件找出地面杂草目标后, 机械臂控制程序采用查询工作方式查询15个矩形区域, 如果某区域杂草覆盖面积大于一定阈值, 则伸出手臂切割杂草并涂抹除草剂。

伺服电动机输出端口安装有位置检测部件, 能

实时地反馈电动机的运动位置, 因此控制器可以及时修正存在的误差, 保证转角的准确。具体技术是:在电动机的输出轴上并联一个电位器, 输出轴转动时能同步地带动电位器转动, 其内部驱动电路检测　　

参

考

4　结束语

研制了基于直接施药方法的除草机器人机械臂, 并分析其运动学问题。通过建模、求逆解, 获得控制机械臂的参数系列, 并完成参数修正工作。

文

献

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