论文研究-基于机器视觉的关节机器人的研究 .pdf

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基于机器视觉的关节机器人的研究

张凯良，张铁中，杨丽

中国农业大学工学院（100083）

E-mail：zhang_kailiang@eyou.com

摘 要：果蔬采摘机器人的研发在一些作业领域已十分迫切，而机器视觉技术和关节型机器

人机构在果蔬采摘领域又有着很大的应用价值。本课题从实际需要出发，对基于机器视觉的

关节机器人进行了研究。以实现关节机器人的末端机构对目标物体的捕获为目的，把寻求并

验证适宜的解决方案作为重点，将研究内容具体划分为三个部分： 1．机械结构的研究：设

鉴于当今世界机器人技术的发展和我国农业的现状，果蔬采摘机器人的研发在一些作业

领域已十分迫切，而机器视觉技术和关节型机器人机构在果蔬采摘领域又有着很大的应有价

值，因此本课题从实际需要出发，对基于机器视觉的关节机器人进行了研究。以实现关节机

器人的末端机构对目标物体的捕获为目的，把寻求并验证适宜的解决方案作为重点，将研究

内容具体划分为三个部分：机械结构的研究、机器视觉的研究、运动控制的研究。

2．机器人机械本体结构的研究

机器人操作机本体按照坐标形式大致可分为四类，即：直角坐标型、圆柱坐标型、球坐

标型和多关节型。其中，多关节型机器人以其结构紧凑、工作范围大、占用空间小、动作灵

机器人的机器人本体结构方案。[2]

在课题中，考虑到果蔬采摘，尤其是草莓采摘的实际需要，将关节机器人除末端执行器

外的自由度设计为 4，它们分别是四个串连且分别独立的机器人转动关节（参见图 1），即：

①腰部水平面内转动关节；

②大臂肩关节竖直平面内转动关节；

③小臂肘关节竖直平面内转动关节；

④手腕腕关节竖直平面内转动关节。

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1

3

4

转角最小值 -180° -30° 0° 0°

转角最大值 180° 90° 135° 135°

1

大臂L

2

小臂L

3

蜗杆传动中心距

1.5 1.5 1 0.8

齿轮传动中心距

传动比

小齿轮齿数

驱动器型号

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该平衡机构的原理如图 2 所示，当机器人关节发生弯曲时扭转弹簧被压缩，由于绝大多

数情况下关节机器人负载最大发生在各关节水平伸展时，对于相对负载最大的肩关节尤为如

此，所以扭转弹簧的设计位置使得当各杆臂转为水平方向时，弹簧所产生的形变最大，此时

其输出的平衡力矩也最大，从而最大限度的减轻了关节电机的负载。

装配成形的样机如图 3 所示，实验证明该机构具有刚性好、运动平稳、定位准确的特点。

图 3 关节机器人机械本体外观图