基于运动力学模型的采摘机械臂结构设计董文(武汉城市职业学院,武汉430400)摘要:以果蔬采摘机械臂为研究对象,设计一种能够在特定环境中使用的4自由度果蔬采摘机器臂,利用拉格朗日法建立机械臂运动学分析模型,并进行数值仿真。结果表明:机械臂运动过程平稳,能够满足采摘过程的精确控制和使用,各关节的最大力矩值均在合理设计范围内,能够满足果蔬采摘过程的作业需求。关键词:采摘机械臂;动力学模型;拉格朗日方程;自由度中图分类号:S225;TP242文献标识码:A文章编号:1003-188X(2023)12-0050-040引言果蔬采摘是一种劳动密集型工作,耗费的劳动力较大,随着大规模果蔬种植的开展,机械化采摘也得到不断的发展[1-2]。采摘机器臂是自动化采摘过程的执行部件,要求使用过程具有较强的操作性,同时能够在采摘过程中有效进行避障[3-4]。为此,针对果蔬采摘过程中的传统问题,设计了一种4自由度关节式果蔬采摘机器臂,利用拉格朗日方程建立机械臂的动力学模型,进行求解仿真,并对果蔬采摘机械臂的设计合理性进行验证。1采摘机械臂结构设计果蔬采摘机械臂自由度直接决定了机械臂的控制复杂程度,也会对机械臂的生产成本产生不同程度的影响。果蔬采摘过程作业空间小,进行采摘机械臂结构设计时,拟选用一种4自由度机械臂[5-7],主要包含机械臂基座、肩关节、肘关节以及腕关节。图1为果蔬采摘机器臂结构示意图。根据采摘作业需求,设定采摘过程中末端负载质量为m=3kg,腕关节中心与采摘手爪中心的距离为30mm,腕关节作业过程中的运转速度为πrad/s,腕关节回转中心力矩为8.82N·m,摩擦力矩为0.882N·m。综合考虑安全使用系数,电机使用功率为45.71W,为此选用100W直流伺服电机。表1为采摘机器臂关节参数表。收稿日期:2021-09-03基金项目:武汉市市属高等学校产学研项目(CXY201637)作者简介:董文(1981-),男,武汉人,讲师,硕士,(E-mail)yanocaq-xky98915@163.com。图1果蔬采摘机械臂结构示意图Fig.1Structurediagramoffruitandvegetablepickingmanipulator表1采摘机械臂关节参数表Table1Jointparameterspickingmanipulator关节参数长度/mm角度范围/(°)初始角度/(°)基座375-90~9090肩关节65029~11990肘关节614-124~290腕关节300-153~9502果蔬采摘机械臂运动学模型果蔬采摘机械臂的末端采摘手爪中心位姿可表示为0A4=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001éëêêêêêêùûúúúúúú其中,nx、ny、nz为采摘手爪法向向量;ox、oy、oz为采摘手爪方位向量;ax、ay、az为采摘手爪接近向量;px、py、pz...
