一個用于農(nóng)業(yè)重型搬料機器手設計與控制11

1、一個用于農(nóng)業(yè)的重型搬料機器手的設計與控制摘要：在這篇論文中，我們打算設計一個用于農(nóng)業(yè)上重料搬運的機械系統(tǒng)，在了解農(nóng)業(yè)機器人最新知識之后設計這個由移動平臺和機械臂所組成的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的控制部分設計存在參數(shù)攝動和不確定性,同時避免了保守的結(jié)論。通過運輸西瓜的試驗驗證了結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的正確性，此外，明確的設計過程已經(jīng)在控制系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)上得到確證，而且用了三個關鍵的設計工具闡明。關鍵字：農(nóng)業(yè)機器人 機械手 魯棒控制 評價指標1 背景介紹 在農(nóng)業(yè)領域，要完成各種各樣的搬運重物的操作。例如，收割的時候，農(nóng)民要在秋季處理很多的蔬菜，另外，在日益普及的有機農(nóng)業(yè)領域，農(nóng)民在施肥的季節(jié)要運大量沉重的肥料。這些操作

2、是枯燥無味的，重復的，而且需要一定的力量和技巧。二十世紀八十年代開始大量開發(fā)和研究農(nóng)業(yè)機器，Kawamura等人在1984年發(fā)明了一個果園的采摘機器人，Grand等人在1987年發(fā)明了收獲蘋果的機器，他們的研究都是基于其他人的發(fā)明,在開放領域，許多他們的研究特別是檢測系統(tǒng)的設計和報告都基于基本操作的實現(xiàn)。綜合考慮，這些研究都只是明確定義了結(jié)構(gòu)或者是控制系統(tǒng)，極少為結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)編制明確的程序。無論如何，當前的農(nóng)業(yè)機器人還沒有達到商業(yè)推廣的階段，他們還處于研究和發(fā)展的階段，因此，通過更深入的研究去提高績效和降低成本非常重要。除了一些先進的組成部分，目前還不知道有多少程序可以提高，這是一個很嚴重的

3、問題，因為我們不清楚是否還有設計工具可以使績效和成本的評價降低。為了弄清楚這些設計工具的狀態(tài)，我們必須確定一個明確的結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的設計程序。 在這幅圖中，可以看到我們實現(xiàn)了機械機器人的搬運，更準確的說，移動平臺和機械手的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)已經(jīng)通過最新的關于農(nóng)業(yè)機器人的建議進行了選擇和設計，同時，控制系統(tǒng)在不確定性以及避免保守的情況下也已經(jīng)進行了設計，兩個系統(tǒng)的有效性通過在一個開放領域執(zhí)行現(xiàn)場實驗得到了證實，這些實驗的結(jié)論是這篇論文最大的貢獻。現(xiàn)場實驗表明,總操作時間和成功率與工人的熟練程度有關，此外，一個顯式的設計過程作為設計工具評估農(nóng)業(yè)機器人可能的改進,這是本文的另一個重要貢獻。本文組織如下，第二部

4、分提出了工業(yè)機器人的一個新的性能指標，第三部分論述了移動平臺和機械手的結(jié)構(gòu)設計，第四部分用分析的方法設計了控制系統(tǒng)，第五部分通過戶外實驗證實了系統(tǒng)的有效性，第六部分是這篇論文的總結(jié)。2 全局性能指標 在這部分我們我們討論農(nóng)業(yè)機器人的評價指標?？偟膩碚f我們無法在沒有性能指標的情況下做出合理的設計，對于一般的機器人已經(jīng)有了很多的指標。例如，可操作性是一個通用的指標，還有很多特殊的指標，例如空間預留是為了避免機械和植物之間的碰撞，危險程度是避免機器和人碰撞。然而這些指標都是關于空間和時間的，從整體的角度來研究機器人，還有一個可應用的指標叫做“理論容量”，已經(jīng)被用于農(nóng)業(yè)車輛，像卡車，收割機等。他的定義

5、：Ct = wmVm, (1) Wm是機器工作寬度，Vm是直線運行速度。事實上，Wm是末端的寬度，Vm是最大速度，下標m意味著依賴機器的工作，e意味著依賴工作環(huán)境，c意味著兩者兼?zhèn)?。他存在兩個問題，第一他不能用于高自由度機器，像機械手，因為他是基于已經(jīng)存在的低自由度的農(nóng)業(yè)車輛，第二他沒有考慮機器人和環(huán)境之間相互作用的載荷和翻轉(zhuǎn)。 為了解決這些問題我們介紹一個新的指標，首先我們從某一工作環(huán)境開始，在農(nóng)業(yè)領域，工作環(huán)境被分為兩類，田地和道路，這表明也分為田地內(nèi)移動和道路上移動。第二幅圖顯示了一種農(nóng)業(yè)機器人的工作環(huán)境，由種植區(qū)和機械移動區(qū)組成，Be 指種植區(qū)的寬度，We 指移動區(qū)的寬度，Le 指種植

6、區(qū)和移動區(qū)的長度，me 格子的列數(shù)，Ne 指格子的行數(shù)，Be 指寬度方向的間距，le 指在長度方向上由低向高的間距。 這個模型有如下的特性植物的密度定義近似如下這種近似基于經(jīng)濟時間和測量值。Se是場面積和常數(shù)，生產(chǎn)區(qū)域的面積如下這是一個通用的方程式。 另一方面， 讓Mc作為能夠同時感知機械的成長區(qū)的面積，那是空間和視場的相交處種植區(qū)域的數(shù)目，對于常規(guī)的農(nóng)業(yè)車輛，有wm = McBe，考慮到規(guī)范的計劃，機器在種植區(qū)域直線運動的工作時間如下Tmm 對于一個作物的操作時間 Tpm 感知時間 Tlc 裝卸時間 L1c 裝卸距離 T sc 的第三項是裝載時機器從運動區(qū)域的一側(cè)到另外一側(cè)，同時前后穿梭運動

7、的時間，轉(zhuǎn)彎的工作時間是Tm是旋轉(zhuǎn)180度的時間，總的來說工作時間是這是一個全球性工作時間方程，為簡單起見省略功能符號，從5到8，一個新的評價指標如下這一個工作頻率明確定義了TFC的第一個問題（即，TFC不能用于高度的自由度機制的自由機制），在現(xiàn)有農(nóng)用車輛的情況下，如果we = 0,這相當于TFC第二個問題（即，TFC不采取車削和（聯(lián)合國）裝載考慮和不考慮農(nóng)業(yè)機器人和工作環(huán)境之間的相互作用）。在10中，CET是CT（的擴展理論界能力）的延伸。3結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在本節(jié)中，我們將討論移動平臺和機械手的結(jié)構(gòu)體系的選擇和設計。3.1農(nóng)產(chǎn)品機器人的設計策略 農(nóng)業(yè)機器人的運動操縱的設計策略分類如下：(AR1)選擇

8、移動平臺和現(xiàn)有的固定式機械手，然后它們疊加 (AR2)同時進行移動機制設計和操縱(AR3) 選擇移動平臺，然后只設計操縱器(AR4) 選擇固定機械手，然后只設計移動機制(AR1)是初始投資成本加重的情況下，(AR2)是強調(diào)性能的情況下，(AR3)和(AR4)是中間的情況。我們選擇（AR3），因為在農(nóng)業(yè)領域初始成本和性能不能忽視。根據(jù)（AR3），首先，我們從現(xiàn)有中選擇了一個移動平臺，第二，我們設計了一個是不僅適合預定的任務，同時適合移動平臺的機械手。參數(shù)工作環(huán)境模型（西瓜場）地點山形縣尾花澤市千葉縣富里長野松本 福井酒井鳥取福部熊本嘉本日期2000.82000.6 1999.8 2000.520

9、00.8 2000.5Bem5.01.83.610.03.32.5wem 0.50.81.61.40.80.5lem0.70.80.80.80.80.5Me1122113.2任務 在這里，農(nóng)業(yè)機器人的任務是收獲西瓜，Edan 等開發(fā)了甜瓜采摘機器人，Hwang and Kim開發(fā)了一個西瓜采摘機器人與遙控操作系統(tǒng)，Tokunaga 等開發(fā)了一個西瓜采摘機器人視覺系統(tǒng)的數(shù)字電路，這些研究主要是針對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)或控制系統(tǒng)，在本論文中，我們同時討論。表1示出在日本的一些主要產(chǎn)品區(qū)的環(huán)境參數(shù)的研究，收獲西瓜的常規(guī)操作步驟也進行了研究，并分為以下四個步驟一；選擇有針對性的西瓜，切開藤二；采摘他們，并把它們放

10、在運載工具上三；駕駛車輛將他們放在重載卡車上四；將他們用卡車運至工廠第1步不需要辛苦的勞動，對于步驟3和步驟4，工作機（例如，車輛升降）已經(jīng)開發(fā)，因為這些操作都需要辛勤勞動。然而，對于步驟2中，雖然很辛苦但工作機尚未被開發(fā)。采摘西瓜，要求工人具有較高的端點力，而各種障礙，如樹葉，藤蔓和未選中的西瓜約束工人的方向，更確切地說，工人處理6-12公斤的西瓜還需要踮腳，這意味著，第2步要求工人保證高強度的扭轉(zhuǎn)，總的來說第二步是一個有挑戰(zhàn)性的工作。我們的最終目標是第2步的機器人化，機器人操作的任務如下所示任務2A；感知遠距離的西瓜任務2B；移動到他們周圍任務2C：從近距離感知他們?nèi)蝿?D：操作（取放）完

11、成任務2D后，任務2A或2C繼續(xù)。在這項研究中，要實現(xiàn)和評估2D。應該指出的是，技術工人平均約10秒完成一次采摘西瓜操作。3.3移動平臺選擇 移動平臺的分類如表2中所示，腿型和蛇狀型仍處于研究和開發(fā)階段，輪式和履帶式的類型已經(jīng)處于商業(yè)化階段。如3.1所示，農(nóng)用車存在眾多的移動平臺。在運動領域內(nèi)履帶式存在優(yōu)勢，因為土壤的承載能力比中間領域低，輪型在運動領域之間由于速度而存在優(yōu)勢。表2農(nóng)業(yè)流動機制分類A型Y型多個支持單個支持運動區(qū)域運動區(qū)域滾輪類型履帶式 選擇腿型蛇型 我們選擇履帶式，因為即使在雨天或雨后短時間內(nèi)重型物料搬運機器人也必須走動，也就是說即使承載能力很低時也是如此。在領域之間的運動，由

12、另一輪型平臺運輸，假定是卡車，這將在后面進行討論。農(nóng)業(yè)移動平臺的分類如表2中所示，A型的跨越生長區(qū)域同時形成A型的樣式，B型的沒有跨越生長形成Y型的樣式。 A型有一個好處，即穩(wěn)定性下降，因為A型滿足wm Be。然而，我們選擇了Y型，因為A型不適合另一種平臺下的交通，特別是像表一里面的西瓜實例的情況。 現(xiàn)在，我們選擇一個商業(yè)履帶自走式車輛（145公斤）去實現(xiàn)任務的發(fā)動機（3.2千瓦），作為Y型履帶式平臺的一名候選人。 從（5）知道，NE隨著We的增加減少，當SE大時，這將成為一個更嚴重的問題，車寬為490毫米，這樣足夠小去通過窄的通道，我們可以在表一中看到。而CT不依賴于我們，我們可以看到一個很

13、小的值，我們可以增加分子的CET，它可以被視為銷售預期指數(shù)。表3鏈路長度和鏈路長度比 L0L1L2L3 d1maxd2max d3max 1-rl :rl平面坐標0.50.5(2.0)0.0(5.0)d3max :l2極坐標 0.50.50.5關節(jié)運動型0.50.5(3.0)(2.0)L2:l3柱坐標 0.5(2.0)(3.0)d2max :d3max笛卡兒坐標2.02.0(2.0)d1max :d3maxSCARA0.50.5(2.75)(2.75)1.0L2:l33.4機械手的設計（運動學） 許多著名的運動學模型，如極坐標類型，關節(jié)運動型，圓柱坐標型，直角坐標型，SCARA類型，提出了如何

14、在工業(yè)環(huán)境中從實際的角度來看裝配作業(yè)。搬運機械手的運動學模型的設計準則概述如下：G1在垂直方向高標準化端點力G2高標準化工作空間體積G3高度適合的移動平臺G4高性能的安全接觸G5初始成本低因為（AR3）被選中所以要有【G3】。 在這項研究中，從實際的角度來看，類似為水平多關節(jié)型，在農(nóng)業(yè)中的重型材料處理提出的候選示于圖3（a），這個候選有四個自由度（4 DOF），被稱為“平行型”,這種類型是從原始設計歸納而來，但它可以通過除去的三角幾何約束達到更高的穩(wěn)定性，其他公知的類型也示于圖中。首先,我們通過對表三給的數(shù)值數(shù)據(jù)進行運動學分析確定端點位置配置(三個關節(jié)配置)，旨在滿足(G1)(G2)(G3),

15、第二，我們確定端點的定向配置設計，以滿足G4 G5,這個過程在本節(jié)后面討論。 這個剛性機械手的運動學式子如下，x = r(q), (11) 其中，x是端點位置而q是節(jié)點位移。運動學公式如下：其中q =1 2 d3T，其他類型的詳細信息不在這里描述。3.4.1端點力可操作性橢球是由下面的公式表示：Im() 是象空間，是雅克比行列式。 圖4顯示了在表3中的每個鏈路的長度的總和L的歸一化的可操作性橢球。需要注意的是端點力的方向操作性是小是大，因為端點力具有雙重的可操作性，極坐標型的關節(jié)運動型的垂直端點力往往是小于并聯(lián)式，尤其是當目標存在地面上時,在地面上的極坐標類型和減少關節(jié)運動型，作為終點的位置離

16、開底座的垂直端點力。這意味著，極坐標型和關節(jié)運動型不滿足G1。 3.4.2工作區(qū)體積 歸一化的工作空間量表示為 積分符號表示體積積分。 圖5示出的鏈路長度比rl和歸一化的工作空間體積之間的關系,被定義為表3中的每個鏈路的長度比RL。不論他們的鏈接長度比多大，各自的歸一化工作區(qū)卷的圓柱坐標式,笛卡兒坐標類型和SCARA型較并聯(lián)式小。這一事實意味著，圓柱坐標型，直角坐標型和SCARA型不滿足G2。3.4.3是否適合移動平臺 在一般情況下，歸一化的工作空間的體積增大，所需的移動距離減小。圖5表明，對移動平臺，圓柱坐標型，直角坐標型和水平多關節(jié)型適宜度低于并聯(lián)式，另外，在一般情況下，操作性變得更加獨立

17、的端點位置，移動平臺所需的控制變得簡單，這是履帶式情況，因為履帶式?jīng)]有全方位的特點。請注意，我們不討論其他類型，如輪類型，因為我們已經(jīng)選擇了履帶式作為我們的移動平臺。并聯(lián)式的可操作性已經(jīng)完全處于地面水平，而各項指標都基于大量的蔬菜收獲，圖4表示一個移動平臺的極坐標型和關節(jié)運動型的適宜性低于并聯(lián)式。我們可以得出結(jié)論，并聯(lián)式最滿足G1G2G3。在本節(jié)的其余部分的分析中，我們檢查并聯(lián)式是否滿足G4和G5。3.4.4接觸式安全性能和初始成本 考慮到人機關系，機器人與人類之間的碰撞安全策略分為控制策略和機器的設計策略，根據(jù)碰撞之前和之后的情況和行動區(qū)分，從G4的觀點出發(fā)，我們將這種碰撞分類運用于機器人和

18、農(nóng)業(yè)目標（如水果，雞蛋和牛奶）。我們選擇了控制策略前碰撞和碰撞后的機器設計策略。 更精確地說，一個控制系統(tǒng)的目的是實現(xiàn)小的位置誤差，以避免碰撞，一個額外的接頭（聯(lián)合4）被設計成被動的，以減少碰撞后立即產(chǎn)生的接觸力。從G5的觀點出發(fā)，本機的設計策略有一個附加的優(yōu)點，被動聯(lián)合的查詢結(jié)果不僅減少致動器，而且減少傾斜傳感器，因為穩(wěn)態(tài)聯(lián)合4的位移總是相等的傾角，如圖三所示的運動學結(jié)果所示。如果我們選擇一個碰撞后控制策略，我們可能需要力傳感器，并在滿足G5時有更多的困難。3.5機械手的設計（結(jié)構(gòu)）圖6示出一個操縱器的示意圖，從（9），Mc增加時Cet減少，當T m 和Le 比較大或者Vm很小時這樣更有效率

19、 。最大的操盤水平達到2.8米，這樣足夠長以使MC大，特別是對于小的Be，同時保留現(xiàn)有的Be。3.5.1傳感器和電源的選擇和傳輸電路的設計 三個關節(jié)都是活動關節(jié)，液壓馬達驅(qū)動聯(lián)合1，電機的轉(zhuǎn)矩通過帶齒的皮帶和兩個滑輪被轉(zhuǎn)移到諧波驅(qū)動齒輪。聯(lián)合2由兩個液壓缸驅(qū)動，氣缸的力通過機械聯(lián)動裝置實現(xiàn)，最大的端點力是150N。 液壓致動器的動力源是履帶式車輛的發(fā)動機，G3的觀點，液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)換泵和電動機只需要一皮帶輪和一皮帶，因此是比較方便的。 直流電動機與減速齒輪驅(qū)動聯(lián)合3，通過一個帶齒的皮帶，兩個帶齒滑輪，和一個滑塊將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為平移運動，滑塊有四個小車輪軸承，以便它可以在軌道上移動。直流電動機

20、通過程序驅(qū)動，動力源是電池和車輛用發(fā)電機。不同于液壓電纜，電力電纜很容易斷開，因此，這長的機械臂由卡車運輸也可以斷開。 接頭4包括安裝的滑塊軸承及無阻尼器，粘性摩擦是從高速運轉(zhuǎn)的觀點考慮，優(yōu)選減少剩余振蕩的聯(lián)合4。然而，從G4的觀點出發(fā)，粘性摩擦是不優(yōu)選的，也就是說，粘性摩擦增加在目標上的接觸力，這種問題不能僅僅通過機械的設計得到解決。接下來討論的交換和調(diào)度控制器可以解決這個問題。 圖7示出驅(qū)動器（液壓和電氣）電路，該控制器由一個D / A轉(zhuǎn)換器（12位），一臺電子計算機（25兆赫）和一個計數(shù)器電路板（24位）組成，光學旋轉(zhuǎn)編碼器（1024，1024，1000，200×24 P /

21、R）測量位移的所有關節(jié)。所有輸入（V1，V2，V3）受制于±5 V，所有輸出（1，2，d3上，4）的約束如表4中所示，系統(tǒng)共有三輸入四輸出。3.5.2末端效應器的選擇和重新設計 我們選擇一個機械手，并重新設計西瓜的采摘和放置。依照【G5】的觀點我們選擇了一個原始的手型，沒有執(zhí)行機構(gòu)的包含4個自由度的手架進行采摘，允許40毫米的位置錯誤，但是不能在沒有液壓致動器的情況下執(zhí)行。 我們專注于一個事實，即反作用力傳輸從平臺到手架的放置。我們設計了一個機構(gòu)實現(xiàn)較少的空間占用，首先，該電線暫停手架，重力保持手架關閉，第二，經(jīng)過由聯(lián)合2運動的手接觸平臺，因為反作用力使線張力可以是零，三，由一個低功

22、率直流電機卷筒的連接線，使手架保持打開，最后，保持手架上升不會接觸對象。4控制系統(tǒng) 本節(jié)討論控制系統(tǒng)設計分析的方法，我們設計不考慮魯棒性的控制器實驗，證明參數(shù)攝動和不確定性存在時，閉環(huán)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性。 4.1運動規(guī)劃和控制器的設計方針 針對西瓜進行如下操作：M2D-1：通過所有活動關節(jié)將手移動到西瓜以上M2D-2：通過2與3拾起西瓜M2D-3：通過1與3將手移動到平臺之上M2D-4：通過2與3放置西瓜在M2D-4之后，任務A或者C將繼續(xù)。在本文下一節(jié)中，我們選擇PTP控制實現(xiàn)這一控制器的運動規(guī)劃和設計。在這里，下面的操縱器不確定性在預期中。參數(shù)擾動西瓜質(zhì)量為6-12.0公斤，這種大規(guī)?？赡軙?/p>

23、導致額外的擾動，如關節(jié)摩擦或轉(zhuǎn)動慣量的變化，除了原來的擾動中存在的轉(zhuǎn)矩常數(shù)數(shù)值和關節(jié)摩擦。無模型的動態(tài)在一般情況下，存在未建模動態(tài)液壓系統(tǒng)，因為液壓系統(tǒng)的物理模型很難建立。 然而，某些類型的魯棒控制器（如H控制器）給出的是保守的結(jié)果，即使它們產(chǎn)生于合理的設計程序，為了避免這個問題，我們用分析的方法設計魯棒控制器。首先，我們設計了不考慮魯棒性的控制器實驗，接下來，我們證明閉環(huán)系統(tǒng)中存在的參數(shù)攝動和不確定性的魯棒穩(wěn)定性。 此外，我們把整個3輸入4輸出系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：聯(lián)合系統(tǒng)1，聯(lián)合系統(tǒng)2，聯(lián)合系統(tǒng)3與4。他們的相互干擾足夠弱，或者至少不影響閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先，我們在參數(shù)攝動存在下設計了聯(lián)合

24、控制器3與4，接著我們在無模型動態(tài)下設計聯(lián)合控制器1與2.4.2建模 聯(lián)合3與聯(lián)合4系統(tǒng)的運動方程給出兩個剛體之間的耦合，D3：聯(lián)合3個位移M,4：聯(lián)合4個位移弧度 ,M:鏈接4質(zhì)量kg ,M：鏈接5質(zhì)量（手的質(zhì)量）公斤 ,J:鏈接5關于該質(zhì)量中心的的轉(zhuǎn)動慣量，l：質(zhì)量中心之間的距離，CM：LINK4粘性摩擦系數(shù)，CM：鏈接5粘性摩擦系數(shù)，G：重力加速度，U：LINK4的輸入力。表5列出了確定的參數(shù)。從輸入V3給力U3的傳遞函數(shù)被視為一個增益為42.25靜態(tài)的系統(tǒng)。 圍繞獨特的穩(wěn)定平衡點，線性化模型的狀態(tài)空間表達式被表示為 x = Ax +Bu3,y = Cx +Du3,(16)其中x=（D3

25、4D34）T是狀態(tài)，y是測量輸出關節(jié)速度由關節(jié)位移的一階差分給出。4.3控制器設計 對聯(lián)合3聯(lián)合4系統(tǒng)，我們設計了一個PD控制器K1和兩個LQ控制器K2和K3組成的開關控制器，中，K1控制聯(lián)合3的位移，K2和K3控制聯(lián)合3和聯(lián)合4位移。我們發(fā)現(xiàn)由于參數(shù)擾動導致單一的控制器沒有足夠的性能，這三個控制器根據(jù)操縱的端點位置進行切換。 由于大的初始值下的輸入飽和，積分作用沒有被應用而改成轉(zhuǎn)換，這是一個很重要的問題，與機器人手臂一般長和平移相關，這是非線性摩擦之所以沒有明確建模的原因。 兩個LQ控制器設計為線性化模型，并使用以下的評價基準收益K1和他們的交換條件改變著實驗。 對于聯(lián)合1和聯(lián)合2系統(tǒng)，PI

26、D被實現(xiàn)為4.4控制系統(tǒng)的分析 聯(lián)合3-聯(lián)合4的系統(tǒng)擾動和非擾動參數(shù)被描述為¯ M, ¯ m 和 ¯ cm都是平均值，PM，pm 和Pcm是范圍（最大值和最小值之間差值的一半），M, m 和 cm是歸一化的擾動，滿足 |M| 1, |m| 1,cm| 1 (23)，他們被假定為LTI系統(tǒng)。J = ¯ J + (M ( ¯ M pM)l2, ¯J是標稱值，表5示出了識別出的參數(shù)的擾動。 在剛才提到的運動中，M被視為無定向系統(tǒng)，魯棒穩(wěn)定性分析是在存在擾動的m和任意固定M.厘米下的閉環(huán)系統(tǒng)進行的。 然而，（16）闡明元素的系數(shù)矩陣A和B是相

27、對于非線性的物理參數(shù)。這種非線性意味著被表示為相對于系數(shù)矩陣的仿射擾動的不確定性時所分析的結(jié)果可能是非常保守的，或相對于仿射擾動特征方程的系數(shù)符合哈利托諾夫定理。事實上，這些方法不能證明表5情況下閉環(huán)的穩(wěn)定性。 因此，一旦我們注意到，在A和B中，物理參數(shù)由有理多項式的形式寫入，（16）可以改寫為一個描述符的形式，如下所示： 在這些方程中的系數(shù)矩陣的元素是多項式的形式，在這種情況下，下面的關系成立Fu(, ) 是上線性分式變換，S(, )是主要產(chǎn)品，現(xiàn)在，M和cm的可以成功提取。通過使用符號，（24）可以表示為其中，E0和A0是對應的標稱值的Edes和Ades他們因為自己的獨特性省略了尺寸，根據(jù)

28、小增益定理，如下所有滿足34 1is閉環(huán)是為穩(wěn)定輸出的一個充分條件 圖9示出三個設計的控制器的恒定的縮放常態(tài)（28），這種計算是一種可行的線性矩陣不等式（LMI）的問題，可以使用MATLAB LMI工具箱解決，于表5中使用的參數(shù)的魯棒穩(wěn)定性得到證實。 接下來，我們開始聯(lián)合1和聯(lián)合2系統(tǒng)的分析。除了上述參數(shù)的擾動，由于液壓致動器故應考慮未建模動態(tài)， 如上文所述，一般液壓系統(tǒng)存在未建模動態(tài)，因為這樣的系統(tǒng)物理建模很難。一個標準的系統(tǒng)辨識實驗產(chǎn)生的標稱型號相應增加的不確定性上限定義在這里，我們所說的結(jié)構(gòu)奇異值為通過上述各式，魯棒穩(wěn)定性得到驗證。5田間試驗 在本節(jié)中，我們通過在一個開放的區(qū)域進行西瓜收

29、獲實驗評估建議的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)及其控制系統(tǒng)的有效性。5.1實驗方法 我們移植西瓜然后經(jīng)過四個月的生長期，生長方法和工作環(huán)境是根據(jù)我們在日本的主要西瓜產(chǎn)區(qū)的調(diào)查，圖二的環(huán)境參數(shù)(Be, Le, we, me)=(2.5, 10, 0.5, 1)，第2步中傳統(tǒng)的運載工具的平臺高度是820毫米，室外收獲實驗8月在日本京都進行。 這個實驗假設任務2C已經(jīng)完成。所需關節(jié)的位置由西瓜的位置確定，基本坐標框架系統(tǒng)的原點是在路面的交點，關節(jié)1的旋轉(zhuǎn)軸線平行于直線行駛方向，逆運動學方程在（12）表示 其中，x= 0時，由于Y型的移動平臺，不能有從機器人基座中心的直線行駛方向的目標。進行了兩個實驗，首先，作為一個確認的

30、結(jié)構(gòu)體系的有效性的實驗，開關不適用，而由固定控制器PID控制低收益。僅進行采摘嘗試，其次，確認提出的控制器總的系統(tǒng)的有效性，開關被應用，同時進行采摘和放置嘗試。 在這兩個實驗中，我們在西瓜采摘的不同位置重復這個實驗15次，同時抓和釋放的西瓜，以滿足G4時，聯(lián)合4的位移控制和LQ控制器不適用，采樣時間為10毫秒。5.2實驗結(jié)果 圖10顯示了在第一個實驗中，使用低增益的PID控制的路徑，在該圖中，實線是由編碼器測量的路徑，圓圈是由光學測量儀器測量西瓜的位置。 在第一個實驗中，機器人收獲的成功率，定義為成功的操作對總的試運行的百分比是86.7，收獲的西瓜沒有受到破壞。在失敗的沒有拿起西瓜案例中，目標西瓜總是最小的，在超過2米的基地上。西瓜的直徑和質(zhì)量，這些示于圖 11中，一個西瓜總運行時間是40秒。圖12顯示了采集過程，圖13示出關節(jié)位移的結(jié)果，在使用開關控制器的第二個實驗中。該圖還示出根據(jù)端點的位置的切換條件，最大尖峰聯(lián)合2位移2對應采摘，第二大尖峰對應的配售。成功率為86.7，等于第一實驗的速度，收獲的西瓜沒有受到破壞，總運行時間為14 S。 5.3討論 根據(jù)我們組先前的研究報告，成功率大于66.7，在目前的研究中的室內(nèi)試驗時，成功率為100%，位置誤差為15mm，低于40mm。故障似乎是由于關節(jié)周圍的高角動量的操盤的運動引起的，這是一