基于MATLAB／Simulink的取苗机械臂运动轨迹仿真

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1、·智能控制技术·李建刚尹文庆胡飞等基于MATLAB／Simulink的取苗机械臂⋯⋯27基于MATLAB／Simulink的取苗机械臂运动轨迹仿真李建刚，尹文庆，胡飞，左德龙(南京农业大学工学院，江苏南京210031)摘要：根据取苗机械臂的结构和特定的工作要求，用MATLAB／Simulink模块建立机械臂仿真模型，验证机械臂的路径和位姿规划。仿真结果表明路径规划以及机械臂在特定点的位姿符合取苗要求。关键词：取苗机械臂；MATLAB／Simulink；仿真中图分类号：TP242．31文献标识码：B文章编号：1672—

2、1616(2009)15—0027一O3农作物移栽种植虽然比直播种植费工费时，但是移栽种植可以延长作物的生长期，苗期便于管理、有利于抵抗病虫害和气候灾害。发达国家普遍采用钵苗移栽植的方式，与钵苗移栽植相配套的装备主要是半自动栽植机，全自动栽植机正在快速发展。随着工业机器人技术的日益成熟和广泛应用，该技术在农业中的应用越来越广泛，它的应用将极大提高农业生产率和自动化程度。为了实现取苗自动化，提出用取苗机械臂代替人工取苗放苗，达到提图1取苗机械臂连杆坐标系统高移栽工作效率的目的，实现钵苗移栽自动化。为了描述取苗未端执行器

3、的位姿，定义固定坐标系及各连杆的附体坐标系如图1所示。取苗未1取苗机械臂的运动学方程端执行器的位姿矩阵为：取苗机械臂完成将钵苗从穴盘中取出，然后放m—0Zm0忌人到栽植器中，根据取苗点与放苗点的位置空问，r3A1。A2‘A3：构建的取苗机械臂如图1所示，取苗机械臂3个关0010节的z轴平行且坐标原点在同一平面内，所以连0001式中：A1，A2，A3分别为相应连杆的齐次变换矩杆参数中的连杆扭角和连杆间距分别为0。阵；m=COS(01+02+03)；=sin(01+02+03)；根据图1建立的取苗机械臂连杆坐标系统_1J

4、，Z=170cos(0l十2+03)+220cos(01+02)+可以用连杆的4个D—H参数来描述取苗机械220cos01；是=170sin(01+02+03)+220sin(01+臂，见表1。表1取苗机械臂连杆参数02)十220sin0l。通过取苗末端的位姿矩阵，在给定取苗机械臂末端执行器的特定点以及在特定点的姿态进行反向求解，可以计算出取苗机械臂在该特定点下的3个关节变量的值。收稿日期：2009—05—18基金项目：江苏省农机三项工程资助项目(NJ2008—32)作者介绍：李建刚(1981一)，男，山东菏泽人，南

5、京农业大学工学院硕士研究生，主要研究方向为机电智能控制。282009年8月中国制造业信息化第38卷第15期2取苗机械臂运动轨迹规划项式轨迹规划方法，关节变量的三次多项式为：根据取苗机械臂工作过程可知，在穴盘中取苗()=o+Cl十C2t+C3t时末端执行器要求与穴盘垂直，避免末端执行器伤各个关节点的起始点和终止点的角度为已知，苗(该点为A点)、同时在开始取出到整个苗完全同时各关节起始点和终止点运动角速度也为已知。取出时(该点为B点)仍要保持同苗盘垂直，即把根据这4个已知条件，可以求出三次多项式轨迹函苗取出苗盘的整个过程

6、(AB段为直线)都保持和数的4个系数，且是惟一解，然后就可以得到各关苗盘垂直。在栽植器里放苗时要达到预定位姿(该节任意时间的角度、角速度和角加速度。在BC，点为C点)即末端执行器与栽植器保持垂直以确CA段分别插入2个路径点，为了保证AB段为直保苗能够顺利放入栽植器苗根朝下，BC，CA段是线则在该段插入4个路径点。否为直线不在功能要求之内，只要轨迹平稳就能达这里的起始点和终止点条件为：到要求。由取苗机械臂的抓放幼苗的功能要求，得t)=0出其最短运动轨迹如图2所示。tf)=t)=tf)=Os式中：0，0为起始点的角度，角

7、速度；，Os为终止点的角度，角速度。3取苗机械臂仿真模型为了在计算机上进行仿真，首先把移栽机械臂本体和移栽机械臂所在的作业环境抽象为物理模型_2』，然后进行系统模型的设置，最后编制相关的图2取苗机械臂末端执行器最短理想轨迹对于取苗机械臂的抓放作业，需要描述取苗机仿真运算程序。取苗机械臂仿真运算程序包括各械臂运动的起始点和目标点，也就是取苗的特定连杆的设置、关节的制作及各关节相对坐标系的建点。故采用点到点运动形式(point—to—pointmo—立；驱动器的设计，把运动轨迹规划的参数加入到tion)，这里点表示取苗机

8、械臂末端执行器的位姿。驱动器；传感器的设计，建立各关节位置传感器。确定运动形式之后，要对运动轨迹进行规划，而轨根据前述的连杆D—H参数在MATLAB／迹规划方法有很多，如不同阶次的多项式函数及抛Simulink环境下的SimMechanics工具箱中，4J，建物线性函数等方法。本文采用关节空间的三次多立取苗机械臂仿真图如图3所示。图3取苗机械臂