苹果采摘拟人机械臂运动分析与工作空间仿真

苹果采摘拟人机械臂运动分析与工作空间仿真

摘要

采摘作业是苹果园生产管理中一个极为关键的作业环节，对保证苹果的及时采收和采后品质有非常重要的影响。课题的研究在对国内外苹果采摘机械化作业研究现状、存在问题和研究热点进行分析的基础上，从机械仿生的角度，在构建拟人上肢苹果采摘机构运动模型的基础上，对苹果采摘拟人机械臂进行运动分析，并用实验数据进行工作空间仿真验证，为拟人上肢苹果采摘机械臂的研发提供理论依据。

在对人体手臂的初步认识了解之后，对于仿人体手臂机械臂的设计中也采用七自由度机械臂。之后再根据人体各个关节的结构认识，在现有的机构模型中选择该机械臂的各个关节的机构模型。最终定下来的机械臂的关节自由度数分配。同样采用人体的手臂关节自由度分布，在肩关节设置3个自由度，肘关节设置2个自由度，腕关节也同样设置2个自由度。总结人体上肢运动方式以及运动过程，参考各类有关关节机器人研究的书籍后，拟采用研究关节机器人的普遍计算方法--D-H计算方法来完成该苹果采摘机械臂的运动分析。在已知各个自由度分布的情况下，采用D-H方法建立各个自由度上的坐标系，利用D-H算法建立各个坐标系的旋转矩阵。最终得到整个机械臂的正运动学方程。

在得到正运动学方程之后，首先根据查人体工程学库中的人体上臂的各个关节的关节角的运动范围，以及正常成年男性的手臂的结构参数。在得到这些有关参数之后，利用matlab 数学软件编写程序，来完成机械臂末端的工作空间仿真。

关键词：人体上肢；D-H算法；自由度；仿真；matlab

Apple picking personification mechanical movement analysis

and simulation work space

Abstrac

Picking the apple orchard in the management of production assignment is a very important work link, to ensure the timely collecting and apple postharvest quality have very important influence. Topic research in domestic and abroad apple picking mechanical work research situation, the existing problems and the research focus on the basis of the analysis of, from the point of view of mechanical bionic, in constructing the personification upper limbs apple picking mechanism motion model, on the basis of apple picking personification manipulators on movement analysis, and the experimental data simulation validation work space, upper picking apples for personification of mechanical arm provides the theory basis for research and development.

In the arm to the human body after preliminary understanding, to copy human arm of mechanical arm design also USES freedom seven mechanical arm. Then according to the structure of the human body each joint understanding, in existing institutions in the model selection of mechanical arm of each joint mechanism model. Eventually come down surely joint degree of mechanical arm free distribution. Also adopts human arm joint distribution of freedom, shoulder three degrees of freedom in setting, set up two axles elbow, wrist joint also set up two degrees of freedom. Summarize the human body upper limbs of exercise and the movement process, reference concerning various joint robot research books, is used to study the universal joint robot calculation method. D-H calculation method to finish the apple picking mechanical arm movement analysis. In each of the distribution of the known freedom to adopt the d-h method to establish various degrees of freedom of the coordinate system, using d-h algorithm of setting the coordinates rotation matrix. Eventually get the whole of mechanical arm was kinematics equations.

In get forward kinematics equation after that first check in the library human body engineering according to the human body each joint of the upper arm of the joint Angle range of movement, and normal adult male arm of structure parameters. Get in the related parameters later, use of matlab mathematical software program, to complete the work at the end of the mechanical arm space simulation.

Key words：Human Upper Limb；D-H algorithm；degree of freedom；The simulation；matlab

目录

1 引言………………………………………………………………………………………………………………

1.1任务基本要求…………………………………………………………………………………………………………

1.2进度及安排……………………………………………………………………………………………………………. 2绪论…………………………………………………………

第一章

1.1任务基本要求：

1.根据课题要求必须参阅相关的中英文文献。

2.熟悉并理解运动测量实验方案，上肢仿生机构运动模型建立的方法和步骤

3.建立苹果仿生采摘机构的运动模型

4.仿生采摘机构的运动分析，并设计仿真程序验证。

1.2进度及安排

第二章绪论

2.1 采摘机器人简介

2.2 人体运动分析简介

人体运动分析指的是运用某种手段跟踪< track > .捕捉(capture)人体的运动，获得人体的运动参数并从运动中重建(recovery)人体的结构和姿态(pose )。其最终目的是达到对人体运动的理解并加以应用。人体运动分析的首要任务和基本问题是获取人体的运动参数，而运动参数的获取有多种方法。如采用专用的机械装置或电子装置等。

就广义而言，人体运动分析的研究对象既可以是以人脸、唇、手势等为代表的较小尺度的局部人体运动;也可以是手臂、腿部或全身等人尺度的全身或肢体运动。前者，例如在人险识别中，通过对人脸的运动分析，跟踪人脸在空间姿态和位置，可以定位人脸，从而为进一步的人脸识别做基础]17[。而在唇读( lip read)分析领域上，通过对唇的运动分析，可以对语言进行识别或进行相应的辅助识别工作。在手势识别方面，通过分析手指间的相互空间关系，可以获得丰富的信息，达到理解手势的目的。在对后者全身性的运动分析上，可以跟踪人体的全身或肢体运动，识别人体运动的类别，获取人体运动的参数，并在此基础上理解人的土体运动及相关行为方式。

围绕人体运动所展开的工作最早可追溯到1973年心理学家Johansson 对于人类的运动感知所做的研究工作。在他的实验中，在人的关节点附着亮点，使人处于黑暗的环境中，因此只有关节点可见。实验结果表明:对于静态的光点集合，人的视觉感知系统无法得出任何有意义的信息，而对于运动中产生的光点集合序列，人们可以辨别出运动的形态如走路、跑步等，甚至判断出运动者的性别，故由此提出了对于运动的识别问题。

20世纪70年代中后期M arr提出计算机视觉理论后，人体运动分析获得长足发展，目前己成为一个多学科交义研究领域，涉及计算机视觉、图像处理、模式识别、人工智能等多个学科.鉴于人体运动分析广阔的应用前景，越来越多的大学、研究所、商业机构投入到该领域的研究中来.国际上的一些权威期刊(如IJCV ,CV U , PAM I, IVC)和重要的学术会议(如ICCV ,CVPR ,ECCV , WV S)也将人体运动分析作为主题内容之一，为该领域的研究人员提供更多的交流机会。对此，Wand等人杜友亮等和Y ilm az等人分别撰写了人体运动分析的综述文章，总结人体运动分析的发展。W and等人介绍人体运动分析系统的一般框架，从运动目标检测、运动目标分类、人体运动跟踪、行为识别与描述这4个方面总结了2000年以前的工作.杜友川等人从人体运动的类别、运动表示方法和运动识别方法二

个方面分析人体运动分析的进展，侧重点为人体运动识别.Y inn az等人则以运动跟踪作为切入点，阐述了对象表示特征选取、运动目标检测和运动跟踪的方法，并提出运动跟踪可能的发展方向。本文中模拟人体上肢采摘苹果实验中采用特征点的方法对人体上肢运动进行跟踪。

2.3 人体运动分析的应用和研究意义

目前，人体运动分析的主要的应用领域有生物医学，人机交互，虚拟现实，图像压缩，计算机图形，机器人技术，智能安全监控学等。

在生物医学领域中，人体运动分析一直以来都扮演着十分重要的角色。例如在运动医学领域中，人体运动分析可被用以指导对运动员的训练工作。通过记录运动员在运动中的运动参数，可以分析运动员的动作，继而保持合理的动作，改进错误的动作，可以到达辅助训练的目的。

人机交互接口一直是人体运动分析的重要应用领域。在这类领域中，人体运动分析的作用可主要分为两类。一类系统中，人体运动分析是作为主要交互手段来与机器沟通，如在手势识别中，通过对于特定手势的分析识别，达到控制机器的目的。另一类则是在人机交互扫起辅助作用，比如在自然语言的理解中，通过人体视觉信息补充听觉信息，可以有助于自然语言的分析理解过程。

在基于内容的视频检索中，人体运动分析也有着重要应用。由于人往往是视频记录的主要对象，所以在基于内容的视频检索中，如何检索在大段视频中的特定人体运动，也需要在人体运动分析技术方面的进展。

在图像压缩技术领域中，如MPEG-4中所描述的电话视频中，可以通过跟踪人的头部运动，确定人的头部在图像区域中的位置，并对这一部分采取较高细节的编码方式，而对背景则采用较低细节的编码方式，从而有效地对相关视频进行压缩

在计算机图形学领域中，人体运动分析被主要应用在运动合成(Motion Synthesis)中，通过对人体运动的分析，对人体二维或者三维结构的重建，可以精确对人体运动建模。

在智能安全监控领域中，人一直是监控的重要对象。这一领域中对于人的运动分析，主要出于两类需求，一类是要求能够及时检测到场景中人的出现，消失等事件，诸如在机场等公共场所中的安全检查中需要对出现的人进行捕捉与跟踪定位，由此可以进行诸如定位人的头部的动作，以便为接下来所要进行的面相识别等工作进行铺垫。另一类则需要对人的特定活动加以识别，例如在停车场中，将某些人的特定活动如来回徘徊等，视为可疑活动进行识别，以加强安全监控的

效果。在该领域中其他诸如百货商场，交通管理等应用场合中也需要对人体运动进行有效监控。

在机器人技术方面，人体运动分析是设计中必不可少的部分。人体关节的运动学和动力学分析是在人体肢体矫正和设计人工关节及设计机器人时的理论基础和依据；服务型机器人需要随时跟随使用者，这就需要对人体的运动能够进行实时跟踪分析；果蔬采摘机器人在果园里行走和作业，这就需要对人体的下肢和上肢的运动进行跟踪分析。在苹果采摘机器人设计中，人体的上肢运动分析可以为其设计提供采摘过程中的上肢的运动参数。

2.4 本文的研究内容

在研究开发采摘苹果机器人中，人体上肢的运动参数的设计尤为重要，本文对所有采摘苹果过程进行上肢运动分析，为其上肢设计提供运动参数和理论基础。首先对人体上肢上确定标记点，进行采摘苹果过程规划，运用Vicon摄像系统进行记录采摘苹果过程。运用运动学分析系统Vicon进行数据处理，得到一系

列的采摘苹果中标记点的坐标。

介绍齐次变换矩阵的表示和关节的分析方法，然后对人体上肢进行分析并建立运动模型，运用关节变量表示旋转矩阵。运用单位四元素表示法和旋转矩阵的正交分解法求出旋转矩阵，进而求出各个关节变量。

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致谢

本论文是在导师赵友亮教授的精心指导下完成的。从选题到具体构思与写作导师都给予了大力的支持和耐心的指导，这对提高本论文的质量起到了重要的作用。导师严谨的治学态度、渊博的学识、孜孜不倦的敬业精神和无微不至的关怀，深深地鞭策和鼓励着我，使我终生难忘。四年来，导师对学生成长付出了辛勤的指导，对学生的学业和工作严格要求，对学生的生活无微不至的关怀，学生只有在新的学习中取得更优异的成绩来回报。

感谢×××学院研究生王**需求分析，葡萄栽培专业技术方面的大力支持。

计算机应用教研室的×××、机房的×××，以及其他同学在本论文研究中给我提供了大力的支持与帮助，借此机会向他们表示忠心的感谢。

在攻读学士学位四年期间，得到了信息学院所有老师的关心和指导，使得学生的学业能够顺利完成，在此感谢他们。

最后，还要感谢我的家人几年来给予我的理解、支持和鼓励，在此表示深深的谢意。