岳建荣，郭 辉，2※，张 静（.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计重点实验室）

5自由度机械臂的结构设计及参数优化

岳建荣1，郭 辉1，2※，张 静1
（1.新疆农业大学机械交通学院，新疆 乌鲁木齐 830052；2.新疆农业工程装备创新设计重点实验室）

机械手采摘成功率与采摘范围不仅取决于机械手臂结构尺寸和特点，还与控制精度有关。文章结合棉花采摘的作业要求，对一种5自由度机械手臂进行了结构设计，并运用Matlab软件的Optimization Tool对机械手的变量进行了参数优化。

采棉机械臂；结构设计；参数优化

0　引言

作为在非结构环境下工作的复杂机电综合体，采摘机器人依靠视觉传感器来完成对采摘对象的识别、定位，再由机械臂末端执行器完成对目标物的采摘。与工业机器人相比，工作环境的复杂性与采摘目标的特殊性对采摘机械手臂的外形与结构提出了更高的要求［1］，同时，采摘机械人手臂的工作空间对采摘方式和采摘效率有很大影响，因此，机械手臂的优化设计在采摘机器人的设计中起着重要的作用［2］。

机器人运动学是一门通过描述机器人各关节与不同位置上刚体之间的运动关系，建立末端执行器三维空间与机器人关节空间之间进行相互转换桥梁的学科［3］。为了保证采摘机器人具有更高的控制精度，本文以一种5自由度棉花摘机械手臂作为研究对象，根据采摘要求对机器人手臂的结构参数进行优化设计。

1　采摘机器人结构形式选择

通过在新疆建设兵团对棉花种植模式与生长状况的调研，确定出采棉机器人应具有结构简单，轻巧，可控性强等特点。由于采摘目标附近茎叶的不规则生长，采摘环境复杂，为减少机械手在采摘过程中受到茎叶的影响，机器人还应具有较好的灵活性和避障能力［4］。

综合考虑棉花生长的特点及其采摘要求，结合关节型机器人特点及实际使用要求，最终确定棉花采摘机械臂部分采用关节型。

图1　机械臂结构简图

机械手臂的重量直接影响到整个机械臂的控制难度及动作速度，为同时满足采摘需求与降低机械臂转动惯量的要求，本文设计的5自由度机械手臂采用双四连杆机构来完成对末端执行器位姿确定以及降低整个机械手臂重量的要求。其结构简图如图1。

本设计采用针式采摘末端执行器，对末端执行器位姿要求不高，只需使末端执行器保持一个位姿即可。在该机构中，末端执行部分借助两个平行四边形机构来保持位姿水平，控制肘关节的电机被移至肩关节处，该电机通过带动连杆机构使肘关节旋转，进而使得机械臂重量得到减轻。小臂与腕部铰接关节只用来保证腕部垂直，使末端执行器处于水平位姿。

确定了机械臂的结构后，还要根据棉花的采摘要求及空间要求确定机器人的自由度数目，并确定自由度的运动方式。根据机器人的结构理论，为使机械手臂末端执行器在工作空间内实现任意位姿，机械手臂的自由度数目应多于6个。自由度的数目决定着末端执行器能否完成预定的工作，也决定着机械手臂的结构简化程度以及控制难度。由于采摘机器人的采摘对象是棉花，其外形受到外界环境的影响，大小与位置不统一，选择5个旋转自由度的关节型机器人即可完成对棉花的采摘。

2　采摘机器人参数设计

棉花采摘机器人结构参数的优化设计是基于工作要求和采摘对象在空间的分布位置，以机械手末端执行器位姿和活动范围为出发点，利用优化方法进行分析与计算［5］。末端执行器始终处于水平位置，在参数优化设计中可不做计算。

2.1工作空间的确定

本机械手臂系统包含两个连杆系统。腰部、大臂和小臂构成具有3个自由度的连杆，称为主连杆，长度较长，主连杆系统通常用来确定手臂末端实施采摘部件的空间位置；另外两个自度组成次连杆。小臂与腕部铰接关节受到肘关节和2个平行四边形结构共同控制，且该关节转动角度与肘关节转动角度大小相等，转向相反，故在确定结构参数时，为减少计算量，可将该关节忽略不计。机器人的工作空间由主连杆的几何参数决定［6］，因此，需要确定手臂主连杆几何尺寸和各关节转动角度来完成对采摘机器人的机械手结构参数设计，且同时满足采摘和小尺寸的要求。

规定机械手的腰部高为l1，大臂长度为l2，小臂长度为l3，腰部回转角为α1且回转范围为［β1，β2］，肩关节旋转角度为α2，旋转范围［γ1，γ2］，肘关节旋转角度是范围为［δ1，δ2］的角α3，如图2所示。

末端执行器工作区域是体积为V=b×w×h的空间。在分析过程中，可将体积为V的立体空间转化为计算面XOZ内b×h以及平面XOY内b×w的过程，如图3所示。这样就能完成对立体空间的分析。实现体积为V的采摘区域可先满足b1×h，然后腰部绕Z轴旋转，进而完成要求的工作空间b×w×h；也可按照先绕Z轴旋转完成b×w，然后配合各关节转动实现工作空间体积为b×w×h。本文采用第二种方法确定目标函数。

对棉花种植以及植株形态进行调研。结果表明，棉花高度在800～900 mm之间的株数居多，部分棉花垂至地面，整个植株从顶部到底部均有棉桃分布，前后分布的距离在120 mm范围之内，结合采摘机器人作业情况，确定末端执行器工作空间的大小为（120×800×900）mm3。考虑到执行部件与目标物间的相对位置，以及手臂实际采摘区域，最终确定执行部件的矩形工作空间b1×h=180×900。

图2　工作空间的确定

图3　工作空间的简化

3　结构参数的优化设计

3.1设计变量的确定

机械手的设计变量包括腰部回转体高度l1，大臂的长度l2，小臂长度l3，腰部回转角α1，肩关节旋转角α2，肘关节旋转角α3。为了减少参数优化过程中的计算量，设定以移动平台上表面为参考面，逆时针旋转为正角度，底座高度h为240 mm，腰部回转角α1=±45°，肩关节转角α2=+50°，肘关节旋转角α3=-50°，由于最后两个自由度只用来调整末端执行器的位姿，这样，优化设计的变量就只剩大臂的长度l2和小臂的长度l3，即：

3.2目标函数的确定

本优化设计目的是在满足采摘区域高度和实际采摘区域面积最大化时，得到结构最紧凑的机械臂。以机械手臂末端执行器在XOY平面内需要达到的范围所围成的面积为目标函数，使得末端执行器的工作空间（b×w）包含在内时该目标函数为最小值，即：

3.3约束条件

设计过程中，l1与l2的长度取值必须满足条件：采棉机械手作业空间包含在实际工作区域内。综合分析各关节处在运动过程中形成的方程，并考虑各变量的非负性，最终可得到参数优化设计的约束条件为：

3.4优化设计参数的确定

采摘机械手的结构参数优化是一个单目标非线性优化问题［7］。该优化过程涉及到1个目标函数，2个变量，不等式约束3个。在Matlab中编程，并使用工具箱Optimization Toolbox进行计算，得到的结果为：

X=［0.413，0.447］

为得到最大化的采摘机械手工作空间、最强的可控性和最佳避障能力，需使l2与l3的长度相等，即l2=l3。结合棉花生长与采摘要求的实际情况，最终确定腰部立柱高度l1=240mm，大臂的长度l2=400mm，小臂的长度l3=450 mm。

综合上述结构设计与参数优化设计得到的结果，即可得出该棉花采摘机械手是参数分别为：l1=240mm，l2=400 mm，l3=450mm，α1=±45°，α2=+50°，α3=-50°的平行关节型采摘机械手。

图4　机械臂模型

根据优化得到的参数，我们成功研制出棉花采摘机器人机械臂部分，如图4，该机械臂结构简单紧凑，布局合理轻巧。

4　基于Matlab的工作空间分析与仿真

蒙特卡洛法可以通过多种计算机编程语言加以实现，本文基于蒙特卡洛法利用Matlab强大的编程能力对棉花采摘机器人采摘手的作业范围进行了数值解的表述。运用Matlab中三维绘图函数plot3函数绘制的机器人采摘空间以及在面XOZ上的投影分别如图5，6所示。

图5　机械手工作空间三维图

图6　工作空间在面XOZ的投影

从工作空间的投影图可以看出，末端执行器的作业点在Z轴方向（-300～500）mm内，X轴方向（-400～400）mm内分布均匀且密集，包含了棉花生长的空间。由仿真结果可以看出，本文设计的机械臂能够满足采摘作业在空间大小上的要求，验证了机械臂结构设计的合理性。

5　结论

（1）本设计针对采摘对象的特点和作业要求，确定棉花采摘机器人采用5自由度关节型采摘机械手。

（2）根据棉花生长分布空间，确定了采摘机器人的工作空间，目标函数为采摘机器人实际能达到的最小工作空间。使用数学软件Matlab的优化工具箱对机械手臂结构参数进行优化设计，并确定了手臂各部位的结构尺寸。

（3）基于数值解法，通过运用Matlab完成了对采摘机器人末端执行器工作空间大小的仿真。仿真结果表明，本文设计具有5自由度的平行关节机器人能够满足大田棉花的采摘要求，验证了结构设计的合理性。

［1］冯青春，纪超，张俊雄等.黄瓜采摘机械臂结构优化与运分析［J］.农业机械学报，2010（41）：244～248.

［2］汪木兰，殷梅，韦皆顶等.智能型采棉机器人中单机械手运动学建模与仿真［J］.农机化研究，2009（5）.

［3］李桢，王滨，陈子啸等.基于Matlab的猕猴桃采摘机械臂运动学仿真研究［J］.农机化研究，2015，37（12）：227～231.

［4］梁喜凤，苗香雯，催绍荣等.番茄收获机械手运动学优化与仿真试验［J］.农业机械学报，2005，36（7）：96～100.

［5］李伟，李吉，张俊雄等.苹果采摘机器人机械臂优化设计及仿真［J］.北京工业大学学报，2009，35（6）：721～726.

［6］催国华，张艳伟，张英爽等.六自由度串并联机械手的构型设计与运动学分析［J］.农业工程学报，2010，26（1）：155～159.

［7］梁喜凤，王永维，苗香雯.番茄收获机械手机构尺寸优化设计［J］.机械设计与研究，2008，24（1）：21～24.

Parameter Optimization and Structural Design for the Manipulator with 5-DOF

YUE Jian-rong1，GUO Hui1，2，ZHANG Jing1
（1.College of Mechanical and Traffic，Xinjiang Agriculture University，Urumqi，830052，China；2.The Key Lab of agricultural Xinjiang Agricultural Engineering Equipment Innovation Design）

The operating space and picking successrate of robot isnot only dependson the structure and size of robot arm，but also its control accuracy.The parameters'Optimization design of the robot framework and structure with 5-DOF is made in thispaper，which isbased on the harvesting requirements.

Cotton-picking robot arm；Structure design；Parameter optimization

1007-7782（2016）03-0007-04

10.13620/j.cnki.issn1007-7782.2016.03.002

TH122

A

2016-04-28

郭辉