农业采摘机械臂轨迹跟踪控制

侯小艳

（晋中信息学院，山西 晋中 030800）

机械臂是辅助人工进行作业操作的有效机械设备，在农业果园采摘以及机械零部件装配等各项工作中，均有突出表现，应用价值相对较高。在农业采摘中，能够通过合理控制完成多自由度运动，保证机械臂的控制精度，是现代农业机械化发展的重要推动力[1]。由于在机械臂的使用过程中，需要对机械臂关节轨迹进行科学规划，以便保证采摘效果，所以对机械臂轨迹进行跟踪和控制显得极为重要。

1 机械臂轨迹跟踪控制的必要性

机械技术的快速发展以及其在各应用领域的不断拓展，为农业的智能化发展提供了可靠助力，各种智能化采摘机械开始在我国农业生产中得到应用。这些采摘机械主要由采摘机构、移动平台以及机械臂三部分组成，如图1 所示。其中，机械臂负责将采摘机构送达到指定目标位置，保证采摘机构能够完成对果实的采摘，是机械应用中的关键。与工业机械臂有所不同，农业采摘机械臂通常需要在复杂非结构化环境中，对分布无规律障碍物和目标进行躲避和采摘，对于机械臂采摘精准度要求相对较高，且在效率方面也有一定要求，还要保证采摘效果[2-3]。对机械臂进行控制，实际上是对其运动路径进行跟踪和控制，通过合理进行轨迹控制的方式，做好路线规划，以便完成目标点和操作方案的设置，保证最终采摘效果，因此对机械臂轨迹进行跟踪和控制是极为必要的。

图1 农业采摘机械臂

2 农业采摘机械臂轨迹跟踪控制

2.1 机械臂轨迹跟踪控制基本思路

在使用机械臂的过程中，需要保证其能够准确到达指定采摘位置，并且在靠近采摘物时，能够将其运行速度控制为零，以防损伤果实，保证采摘质量。因此需要对机械臂运动轨迹、速度以及位置进行有效管控，保证其连续性，避免因为速度突变而造成关节受到冲击的情况，保证定位精准度。较为常见的轨迹规划主要有关节空间轨迹规划以及笛卡尔空间轨迹规划两种模式。其中，笛卡尔空间轨迹会通过对末端执行器运动轨迹进行分析，展开后续规划操作，但此种规划方法可能会因为某奇异点的影响，而造成机械臂使用不可控的情况，整体计算量相对较大。而关节空间轨迹规划模式会对整体关节进行精准控制，能够保证机械臂运动的平稳程度，并不会因为突然变速而导致关节受到较大冲击。在运用此种方法进行轨迹规划过程中，需要在明确已知目标点位置之后，运用逆运动学计算方法完成采摘机械臂每个关节需要进行转动的角度值计算，并按照计算结果进行关节空间轨迹规划，确定关节起始点到目标之间的轨迹曲线[4-5]。通过对正运动学方程的应用，可以验证轨迹曲线准确性，明确轨迹规划中插值点的设置合理性，进而按照规划轨迹进行机械臂控制。

2.2 轨迹跟踪控制方式方法

2.2.1 基本情况分析

以苹果采摘为例，对机械臂采摘轨迹跟踪和控制方式方法进行研究。果园中的苹果在非结构化的三维空间中不规则地分布着，并且在进行的采摘过程中，会受到绿叶以及树枝等遮挡物的阻碍，所以整体采摘难度相对较大。为有效应对该项问题，需要在进行轨迹规划、数值模拟的过程中，针对苹果的无规则分布情况，进行数值模拟模型网格的分析，明确其具有不易收敛特点，适当增加求解步数，但此种方法会降低运算效率。同时，因为受到各种遮挡物的阻碍，采摘过程中需要设置障碍物规避功能，可以通过搭建仿真模拟场景的方式，展开相应运算，但整体运算时长较长[6]。在对两种问题进行深度分析之后，决定采用分步迁移策略和分布空间约束策略，实施轨迹跟踪和控制操作。

2.2.2 分布空间约束策略

由于苹果所在位置不规则，在进行轨迹规划模拟过程中，需要加入空间平面约束方法，对轨迹场景复杂问题进行妥善解决。在对原有深度梯度控制算法的分析中，通过加入分布式空间平面约束的方式，利用原有仿真模型，确保仿真模型一致性能够达到要求。在对分布空间约束控制策略进行应用过程中，会展开空间平面约束模型建设，以此为基础展开机械臂轨迹规划，在获得有效参数之后，要利用约束模型展开无空间约束平面模型基础参数模拟。运用此种处理方式，达到有效提高模拟运算效率的目标，保证模拟精准度。如果采摘空间较为复杂，可对运算过程进行分解，按照一定顺序进行运算。在完成苹果空间平面的绘制之后，会对机械臂在此过程中的采摘轨迹进行模拟，并且在获得关键参数之后，将其作为无空间平面约束模型初始参数进行应用，完成对苹果采摘轨迹的规划[7-8]。

2.2.3 分步迁移策略

在对绿叶以及树枝等遮挡物问题进行处理的过程中，需要做好轨迹规划以及障碍物的躲避设置，确保在非结构化应用环境中，模拟运算效率能够处于理想状态。为达到此种效果，可以应用分布迁移策略。分步迁移策略在使用过程中，以深度梯度控制算法为基础，通过对非结构应用环境进行拆分模拟的方式，对果园的整体场景进行搭建，以便通过仿真模拟的方法，对轨迹进行科学规划，做好障碍物的躲避。虽然原有深度梯度控制算法的应用，也能够达到对非结构化应用环境进行求解和处理的目标，但其整体轨迹规划精度相对较差，存在抗干扰能力不足以及需要大量运算才能完成求解的缺陷，所以并不适用于本次采摘轨迹规划。

在运用分布迁移策略的过程中，需要完成无枝叶、混合枝叶以及单一结构枝叶的场景搭建，进而通过对各个场景中的模型进行搭建和运算的方式，完成复杂环境中的轨迹规划，保证能够高质量完成障碍物的躲避。在完成无枝叶无障碍结构化的场景搭建之后进行求解，将求解结果迁移到单一枝叶或单一障碍物场景之中，再将其求解结果运用到混合枝叶场景之中，做好不同场景的轨迹规划和运算。实时分布迁移策略的核心，是对复杂求解过程进行简化处理[9]。通过将其进行逐步分解的方式，逐步完成相对简单的场景求解，再通过对不同求解结果进行运用的方法，实现对复杂场景的计算，这样不仅能够有效提高求解效率，同时还能够保证轨迹规划的精度。

2.2.4 分布空间约束仿真

为确定分布空间约束控制策略应用是否有效，需要通过对专用软件的应用完成采摘轨迹规划仿真处理。通过设置不同工况的方式，在各个工况中进行不同约束平面的建设。通过运用模型进行采摘工况分析的方式，和没有设置空间平面约束的基准模型进行对比分析，进而确定此种处理方法是否具有优势，以便决定最终是否需要采用此种处理模式。在进行数值模拟之前，为保证后续各项操作能够顺利进行，需要对采摘模型进行简化处理，对采摘过程中可能引起阻碍的树枝进行综合分析。虽然树叶会对采摘造成影响，但其影响相对较小，所以在进行模型简化处理时，可以忽略树叶的影响，只对树枝产生的影响进行计算。

需要在进行部署计算过程中，对数据迭代次数进行全面计算和研究，将5 000 步迭代次数作为设定计算步数。模拟数值计算结果显示，此种处理方法能够达到收敛效果，工况可比性较为明显。在对模拟结果实施定量以及定向分析的过程中，需要加入奖励值评价指标内容，当奖励值数值与0 处于较为接近的状态时，表明轨迹规划精准度较为理想，且收敛性水平较高，整体轨迹规划处于最佳状态[10]。

技术人员需要对不同空间平面约束中的奖励值变化情况进行分析，明确其随迭代次数变化而发生的改变。通过对有空间约束和无空间约束的工况进行对比分析的方法，掌握奖励值具体的变化情况。按照整体分析发现，奖励值会随着迭代次数的增加而逐渐变大，整体会逐渐趋近于0。在迭代次数超过3 500 次时，曲线运行会处于较为平稳的状态，表明此时轨迹规划运算已经处于基本收敛的状态。在经过多个工况反复对比分析之后发现，分布空间约束策略的应用，能够达到切实提升轨迹规划效率的目标，整体规划应用效果也较为理想，表明应用此种策略能够对轨迹跟踪和控制产生积极作用。

2.2.5 结论分析

针对苹果采摘机械臂应用过程中存在的采摘物形状不一以及重力不同等方面的特点，研究过程中需要结合采摘物空间分布无规则以及环境非结构化等特征，解决轨迹规划运算效率较低等方面的问题，运用分布空间约束策略和分布迁移控制策略，实施轨迹跟踪和规划模拟。通过对深度梯度控制算法的应用，利用分步迁移控制以及分布空间约束的策略，对采摘过程中存在的各项问题进行妥善解决。在专业软件的帮助之下，完成机械臂采摘轨迹规划仿真处理。各控制策略的有效应用，能够实现对机械臂轨迹的有效规划，在提高轨迹计算效率的同时，还能够达到良好的跟踪和控制效果，最终取得较为理想的采摘效果，对机械臂的应用也能够达到最佳状态。

3 机械臂路径规划方式方法

在对机械臂轨迹进行跟踪和控制的同时，需要做好机械臂路径规划。可以通过合理设置起点和目标点之间路径的方式，降低障碍影响，以保证顺利完成采摘任务。通过对路径规划算法的充分分析发现，目前很多智能算法都已经被应用到机械臂路径规划之中，每一种算法都对规划路径各部分有详细认知，无论是计算效率还是计算能力都相对较高。各种算法都具有其独特优势和不足。在进行算法挑选时，需要按照采摘的内容以及采摘的具体环境，通过对现有路径规划方法的分析，确定最佳算法，使其达到最佳的应用效果。

以蚁群算法为例，对路径规划方式方法进行探讨。蚁群算法属于新兴仿生算法技术，虽然国内目前对其的应用仍然处于研究阶段，并没有形成一套较为完整的数学表达和分析方法，还有诸多有待提高之处，但由于其整体算法的应用精准度相对较高，而且具有诸多优势，所以将其应用到轨迹研究之中，对路径规划工作开展能够产生积极影响。通过研究发现，蚂蚁群体在进行活动时，整体行为相对较为复杂，在其运动路径上如果出现障碍物，其会在短时间内开辟另一条路径，有效规避障碍物。科学家在对蚂蚁觅食行为进行观察后，发现其会选择相对较短的路径进行搬运，而蚂蚁之间会通过释放信息素的方式进行信息传递，路径上的信息素的信号强弱会直接决定蚁群在哪一条路径上进行运动。按照这一原理，技术人员通过在算法中输入大量参数的方式，选取最佳参数范围以及路径内容，确定合理的运动路径。在对相关资料进行分析后发现，参数值设置过大或者过小，都会对蚁群算法性能产生直接影响，因此在该算法的使用过程中，需要做好参数范围设置，以便保证算法应用效果，保障最终规划路径的合理性。在具体进行轨迹跟踪和控制的过程中，需要按照采摘物种类以及采摘物所处的环境等各项情况，对机械臂的使用轨迹以及跟踪方式方法进行分析，做好策略选择以及算法使用，确保轨迹规划能够达到理想状态，能够更好地完成对机械臂运行的控制，可以根据实际采摘需求，高效完成采摘任务。

4 结语

我国传统果蔬采摘方式以人工采摘为主，人口老龄化以及青壮年劳动力的日渐短缺，使得人工采摘成本逐年增加，采摘效率明显下降。为解决该项问题，对机械臂的应用显得极为必要。未来，应进一步加大对农业采摘机械臂的研究力度，做好关节轨迹跟踪和控制工作，掌握有效跟踪控制技术应用方式方法，并在应用实践过程中，不断对机械臂的使用进行优化和改进，确保机械设备应用能够处于不断完善的状态，以有效解放农村劳动力，提高农业经济收益，进而为地区经济作出更大的贡献。