采茶机器人SCARA机械手的轨迹规划与控制
2020年信息技术与网络安全第4期
汪琳，关胜晓
(中国科学技术大学 信息科学技术学院，安徽 合肥 230026)
摘要： 考虑到采茶机器人的整体性能，采用SCARA机械手作为其采摘机构，以满足名优茶自动化采摘的需求。首先采用D-H法建立机械手的运动学模型，并结合MATLAB Robotic Toolbox建立其空间仿真模型；其次采用五次多项式插值算法对机械手主要关节的运动进行轨迹规划；最后将SCARA机械手简化为XOY平面内的两关节机械手，结合其一般动力学模型，在MATLAB/Simulink中采用S函数设计基于自适应算法补偿的PD控制系统，进行轨迹跟踪仿真实验。实验结果表明自适应鲁棒PD控制策略能够精确地跟踪机械手大臂和小臂关节的控制输入，使得各关节能够快速地跟踪到期望位置，跟踪误差较小。
中图分类号：TP242.6
文献标识码：A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.04.014
引用格式：汪琳，关胜晓.采茶机器人SCARA机械手的轨迹规划与控制［J］.信息技术与网络安全，2020,39（4）：73-80.
文献标识码：A
DOI： 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.04.014
引用格式：汪琳，关胜晓.采茶机器人SCARA机械手的轨迹规划与控制［J］.信息技术与网络安全，2020,39（4）：73-80.
Trajectory planning and control for SCARA manipulator of tea picking robot
Wang Lin，Guan Shengxiao
(School of Information Science and Technology,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)
Abstract： Considering the whole performance of a tea picking robot,this paper uses the SCARA manipulator as its picking mechanism to meet the needs of picking famous tea automatically.Firstly,the DH method is used to establish the kinematics model of the manipulator,and its spatial model is established by using MATLAB Robotic Toolbox.Secondly,the fifthorder polynomial interpolation algorithm is used to plan the trajectories of main joints of the manipulator.Finally,the SCARA manipulator is simplified to a twojoint manipulator in XOY plane.Combining its general dynamics model,this paper uses Sfunction in MATLAB/Simulink to design a PD control system based on adaptive algorithm compensation,and performs trajectory tracking simulation experiments.The experimental results show that the adaptive robust PD control strategy can accurately track the control inputs of the manipulator′s boom and forearm joints,so that each joint can quickly track to the desired position.The tracking error is small.
Key words : tea picking robot;SCARA manipulator;kinematics modelling;trajectory planning;trajectory tracking control
0 引言
近年来，茶叶产业不断发展，对茶叶的采摘要求也越来越高，目前茶园主要通过采茶工人和使用采茶机两种方式来采摘茶叶。其中，人工采摘对劳动力的需求量较大，在采茶旺季往往会面临劳动力短缺的现象，随着城市化的发展和人口老龄化的加剧，越来越多的年轻人不愿意从事采茶工作，使得采茶工人中大多都是妇女和老年人，采摘效率低下，但茶叶的采摘具有很强的时令限制，人工短缺会造成很多茶园的季节性茶叶无法得到及时的采摘，成为茶叶产业经济发展的主要障碍；使用采茶机采摘虽然提高了茶叶的采摘效率，但目前的采茶机在工作时仍需要人员参与其中，无法实现完全自动化，且无法满足名优茶有选择性的高质量采摘要求。为了缓解这种现状，提高茶叶的采摘质量和效率，越来越多的高校与学者开始研究智能采茶机器人，通过电机驱动和算法设计实现机器人的自动行走功能，从而解放人类双手；通过视觉处理系统自主完成茶叶的识别定位与新叶老叶的判别，再控制机械手完成指定茶叶的自动化采摘，市场应用前景广阔。
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作者信息：
汪琳，关胜晓
(中国科学技术大学 信息科学技术学院，安徽 合肥 230026)
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