機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

摘要：科技的發(fā)展給人類的生產(chǎn)生活帶來了巨大便利。近些年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展日新月異，這為農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化、智能化提供了強(qiáng)有力的發(fā)展動(dòng)力。通過虛擬設(shè)計(jì)和系統(tǒng)仿真，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械手進(jìn)行建模，完善其屬性參數(shù)，進(jìn)而建立先驗(yàn)知識(shí)庫。使用立體視覺獲取目標(biāo)圖像的識(shí)別與定位。文章采用EON軟件仿真處理機(jī)械手的三維視覺，使用ADAMS軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，并使用matlab完成仿真的各個(gè)參數(shù)和機(jī)械手的誤差分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械手；虛擬設(shè)計(jì)；仿真；圖像識(shí)別

1.前言

隨著科技的不斷發(fā)展進(jìn)步，農(nóng)業(yè)機(jī)械也朝著自動(dòng)化和智能化的方向發(fā)展。最早研究智能機(jī)器人的國家是日本。上個(gè)世紀(jì)七十年代以來，工業(yè)機(jī)器人開始發(fā)展。而農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究和應(yīng)用也逐漸開始啟動(dòng)。隨著我國人口老齡化的比例不斷加大，人工采摘在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本中占據(jù)相當(dāng)大的比例。如何通過設(shè)計(jì)和完善農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為我國當(dāng)前面臨的一個(gè)重大問題。本文基于對(duì)農(nóng)業(yè)果蔬采摘機(jī)器人的研究，將農(nóng)業(yè)機(jī)器人的識(shí)別和定位做了深入研究，并呈現(xiàn)了智能參數(shù)與虛擬仿真相結(jié)合的研究成果，通過將先驗(yàn)知識(shí)納入農(nóng)業(yè)水果采摘機(jī)械手的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)了重用性，縮短了開發(fā)周期，具有一定的參考價(jià)值。

2.機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)搭建

機(jī)械手虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)主要由機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、誤差分析、立體視覺、機(jī)械仿真以及數(shù)據(jù)庫五個(gè)子模塊構(gòu)成。如圖1所示。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是將底座、手臂以及末端執(zhí)行器三部分按照功能進(jìn)行搭建。誤差分析是從視覺誤差、機(jī)械誤差方面分析立體視覺是通過使用圖像的一系列處理算法對(duì)視覺圖像進(jìn)行分析，使用EON仿真軟件處理機(jī)械手的三維視覺，并將解決倒入機(jī)械手中進(jìn)行其行為控制。機(jī)械手仿真包含正運(yùn)動(dòng)和負(fù)運(yùn)動(dòng)兩方面。而數(shù)據(jù)庫則是通過實(shí)際的先驗(yàn)知識(shí)構(gòu)成的。

3.機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)

3.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

虛擬樣機(jī)是基于智能技術(shù)、仿真工程以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的先進(jìn)制造技術(shù)。通過計(jì)算機(jī)的仿真和建模為支撐來對(duì)實(shí)際的產(chǎn)品進(jìn)行性能和功能預(yù)測，進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，最終達(dá)到產(chǎn)品最優(yōu)的目的。這里使用的虛擬樣機(jī)軟件為ADAMS軟件。

3.2 虛擬樣機(jī)的建立

ADAMS軟件具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)學(xué)及其分析能力功能。通過使用ASAMS和Pro/E之間的接口程序，從而將三維的機(jī)械手實(shí)際模型倒入到ADAMS。此次設(shè)計(jì)使用Pro/E建立起機(jī)械手的三維模型，并導(dǎo)入至ADAMS進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的分析之后，使用MECH/Pro中的Interface下拉子菜單進(jìn)行模型的轉(zhuǎn)化。由此，就完成了模型的建立。最后，使用ADAMS/Views中的信息按鈕顯示信息工具庫，在Tool菜單中選擇Modify Verfiy命令顯示信息窗口，完成對(duì)模型的驗(yàn)證工作。

3.3知識(shí)庫的建立

通過在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、組織和使用相互關(guān)聯(lián)的知識(shí)的集合，進(jìn)而解決某一領(lǐng)域需求就叫做建立知識(shí)庫。具體來講，機(jī)械手設(shè)計(jì)中的知識(shí)庫包含實(shí)例庫和規(guī)則約束。由于科學(xué)的數(shù)據(jù)庫使得系統(tǒng)有組織，更容易操作和管理，因而能夠使構(gòu)件的機(jī)械手具有一定的智能性?？偟膩碇v，機(jī)械手臂的模型數(shù)據(jù)庫中應(yīng)當(dāng)含有知識(shí)庫的鏈接、規(guī)則映射表以及知識(shí)屬性等。為此，首先，使用SQL語言創(chuàng)建代碼，將系統(tǒng)中零件的屬性加入表中，并設(shè)置主鍵及數(shù)據(jù)表中的字段。其次，零件與零件之間的關(guān)系映射到數(shù)據(jù)表中。一個(gè)部件可以有多個(gè)零件組成，因而在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中是一對(duì)多的形式。再次，部件與部件之間的關(guān)系映射到數(shù)據(jù)表中，并根據(jù)方案的不同設(shè)置不同的權(quán)值。當(dāng)用戶所給的數(shù)據(jù)模糊時(shí)，就可以根據(jù)知識(shí)庫中的知識(shí)進(jìn)行分析判斷，從而給用戶提供最合適方案的參考。最后，根據(jù)具體的需求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫中的增添查改等操作。從而為方案的制定提供更多的便利。

3.4系統(tǒng)仿真與誤差分析

通過對(duì)機(jī)械手建立數(shù)學(xué)模型，并通過迭代算法最終求得機(jī)械運(yùn)動(dòng)過程中的各個(gè)參數(shù)，進(jìn)一步就可以通過矩陣運(yùn)算算出機(jī)械手的各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)表達(dá)式。系統(tǒng)的仿真就是建立在表達(dá)式和參數(shù)的基礎(chǔ)之上。這里使用MATLAB作為編程工具，構(gòu)建系統(tǒng)界面，輸入目標(biāo)參數(shù)，進(jìn)而由MATLAB進(jìn)行矩陣運(yùn)算，求得所需的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)而控制機(jī)械手按照規(guī)定的運(yùn)動(dòng)軌跡仿真。其中的反解程序是編寫M文件進(jìn)行的。同時(shí)通過EON仿真軟件對(duì)機(jī)械手的三維視覺進(jìn)行分析和處理。然后，通過將VC++與MATLAB的混合編程技術(shù)，調(diào)用M文件，執(zhí)行運(yùn)動(dòng)方程的求解和模型的仿真。

當(dāng)前，機(jī)械手系統(tǒng)的誤差存在于其識(shí)別和定位的精度。系統(tǒng)通過立體視覺來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別和定位，從而指導(dǎo)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡。因而，在識(shí)別與控制機(jī)械手相連接的過程中存在一定的誤差。通過仿真數(shù)據(jù)的計(jì)算可以得到誤差結(jié)果。為了縮小誤差范圍，這里采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，通過多次訓(xùn)練，使結(jié)果最趨近真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

4.結(jié)論

綜上所述，機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)和仿真系統(tǒng)的研究對(duì)于農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化有著重要的意義。通過將智能化與參數(shù)化的知識(shí)相結(jié)合，并使用多次訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，構(gòu)建起機(jī)械手的虛擬設(shè)計(jì)與仿真系統(tǒng)。該虛擬產(chǎn)品符合一定的標(biāo)準(zhǔn)，但還有待進(jìn)一步加工和完善。機(jī)械手控制單元的可重用性是其一大創(chuàng)新點(diǎn)，這樣的重用特點(diǎn)能夠大大降低生產(chǎn)成本，達(dá)到設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。最后，還要充分考慮到誤差的來源，做好誤差分析，進(jìn)一步通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法減低誤差，從而為機(jī)械手的立體視覺定位和識(shí)別提供更穩(wěn)定的幫助。

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作者簡介：

王琴（1993-），女，現(xiàn)為長江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院本科學(xué)生。