基于罚函数-高斯牛顿法的冗余采摘机器人逆解方法

来源：农业机械学报杂志2025年第9期北京时间：

作者：林桂潮，曾文勇，徐垚，傅文平，黄旭熙，朱立学

单位：仲恺农业工程学院,仲恺农业工程学院,仲恺农业工程学院,仲恺农业工程学院,仲恺农业工程学院,仲恺农业工程学院,

摘要：7自由度冗余采摘机器人灵巧度高，可在非结构化果园进行避障作业，而传统逆运动学数值解法未约束关节运动范围，常导致逆解失效。本文提出一种基于高斯牛顿法和外点罚函数法的冗余采摘机器人逆运动学解法。设计一种由1自由度平移导轨和6自由度串联机械臂组成的采摘机器人；采用改进的DH参数法描述机器人各连杆几何参数和位置关系，建立机器人正运动学模型，确立其工作空间；以机器人末端位姿与目标位姿之间的欧氏距离作为目标函数，使用外点罚函数法构造关节约束项以避免机器人在运动中超程，应用机器人雅可比矩阵和高斯牛顿法优化目标函数，建立机器人关节角度与目标位姿之间的非线性映射关系。仿真试验结果表明，当位置误差小于10-7mm和姿态误差小于10-7rad时，本文方法逆解成功率为99.8%，比高斯牛顿法高29.8个百分点；平均运算时间为37.1ms，比高斯牛顿法减少40%。田间试验结果表明，本文逆解方法在末端执行器宽度、前后、高度方向上定位误差(平均值±标准差)分别为(2.6±1.4)mm、(-5.7±6.9)mm、(2.4±2.8)mm，果梗夹持成功率为77.0%。本文方法逆解成功率和实时性高，误差较小，可为7自由度冗余采摘机器人应用提供技术参考。

关键词：七自由度采摘机器人;逆运动学;高斯牛顿法;外点罚函数法

基金资助：国家自然科学基金项目(32472015、32101632)、广东省基础与应用基础研究项目(2023A1515011496)、梅州市科技计划项目(2023A0304055)和广东省重点建设学科科研能力提升项目(2022ZDJS024)