基于关节空间的采摘机器人机械臂实时避障算法研究

发布时间：2020-04-01 05:38

【摘要】：农业是典型的劳动密集型产业,而其中果蔬的收获又是占用劳动力最多且难以实现机械化作业的关键环节。即使发达国家的农业作业已达到较高的自动化水平,其采摘环节仍然大量依赖人工来完成,实现采摘作业的自动化已成为农业生产发展的现实需求。将采摘机器人应用到农业实际生产,有利于缓解劳动力不足的问题,有助于降低农产品成本,提高农副产品在市场中的竞争力。在采摘过程中存在随机生长的枝叶、未成熟果实阻碍采摘机器人机械臂运动的现象,这一问题导致采摘机器人难以真正应用到农业生产活动中,制约了采摘机器人产业的发展。因此,开展采摘机器人机械臂实时避障路径规划方法的研究,对于推广采摘机器人在农业生产中的应用有着十分重要的现实意义。本文的主要研究内容如下:1、机械臂运动学分析与碰撞检测算法。通过空间几何体包络模型的优缺点,确定机械臂和空间障碍物的碰撞检测包络模型类型。基于旋量理论对机械臂进行数学建模,推导机械臂正运动学方程,结合机械臂结构参数构建其简化的碰撞检测模型。根据机械臂与空间障碍物碰撞检测模型的类型,设计空间几何体碰撞判定算法。2、快速构形空间构建算法。分析传统关节构形空间构建方法所存在的不足,以此为基础提出一种快速关节构形空间构建算法。该算法由离线阶段和在线阶段两部分组成。离线阶段以遍历机械臂任意构形下与工作空间单元的干涉情况建立外部和自碰撞数据库。在线阶段计算实时场景中障碍物占据的离散工作空间单元,根据被占据的离散单元序号索引离线阶段建立的外部和自碰撞数据库,构建工作空间障碍物在关节构形空间中的映射模型。3、高维关节构形空间实时避障路径规划算法。结合基于启发和基于随机采样的避障路径规划算法,引入批通知树算法(Batch Informed Tree,BIT*)。提出一种双线程实时避障路径规划策略,规划线程主要进行当前场景的避障路径规划任务,执行线程则主要用于与控制流程通讯以及判断实时刷新的规划场景与正在执行的机械臂避障路径之间的关系。在实时避障路径规划策略的基础上,对批通知树算法进行改进,使其适用于动态环境下的避障路径规划。4、利用在Matlab环境下搭建的虚拟仿真系统,模拟机械臂沿初始避障路径运动的过程,在此场景中通过改变目标果实的空间位置或设置新障碍物阻挡初始避障路径的手段,验证本文所提出算法的有效性。同时,将本文所提出的算法部署到林果采摘机器人控制系统中,通过实验验证算法在模拟的实际采摘过程中的可行性和有效性。结果显示,本文所提出的算法在虚拟仿真系统和真实机器人采摘系统中均能够在设计时间内正确处理实验所设置的任务,表明本文提出的算法能够快速、有效地进行机械臂实时避障路径规划。
【图文】：

黄瓜,实物,避障路径规划,机器人

采摘机器人能够真正应用于实际生产中，农业自动化领域的学者和专业技术人员对农逡逑业采摘机器人、机械臂的避障路径规划问题开展了大量研宄工作，取得了邋一定的成果。逡逑Ｈｅｎｔｅｎｔ１２＃等以如图１．１所示的黄瓜采摘机器人为研宄对象，通过工作场景信息逡逑获取、机器人正逆运动学分析和避障路径规划器三个部分的内容首次系统地阐述了农逡逑业机器人机械臂避障运动规划算法。考虑到Ａ＊算法（Ａ邋Ｓｔａｒ）易于部署、鲁棒性好等逡逑特性，研宄中采用了该算法进行避障路径规划。仿真实验结果显示，虽然Ａ＊算法能逡逑够为７自由度黄瓜采摘机器人提供避障路径规划，但由于该算法的遍历搜索特性，导逡逑致单个黄瓜采收过程耗时接近１０邋ｓ，远不及温室黄瓜人工采收效率。逡逑图１．１黄瓜采摘机器人机械臂实物图逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｃｕｃｕｍｂｅｒ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ邋ｍａｎｉｐｕｌａｔｏｒ逡逑Ｎｇｕｙｅｎｔ１４，１５＃等在根据多种基于采样的路径规划算法速度性能实验结果，选取双逡逑向扩展随机树（Ｒａｐｉｄｌｙ－ｅｘｐｌｏｒｉｎｇ邋Ｒａｎｄｏｍ邋Ｔｒｅｅ邋Ｃｏｎｎｅｃｔ，ＲＲＴ－Ｃｏｎｎｅｃｔ）算法实施路逡逑径规划，在此基础上，提出了一种适用于９自由度苹果采摘机器人的实时避障路径规逡逑划策略。如图１．２所示的仿真实验结果显示，ＲＲＴ－Ｃｏｍｉｅｃｔ算法的平均路径规划时间逡逑约为２５０ｍｓ

避障路径规划,油茶果,混联,摘机

并联部分动平台目标点，然后利用ＲＲＴ算法先后搜寻机械臂串联部分和并联部分的逡逑避障路径，最后综合串、并联部分的结果获得机械臂整体在作业场景中的无撞路径。逡逑如图１．４所示为仿真实验结果，结果表明该算法能够有效为混联懫摘机器人机械臂进逡逑行避障路径规划。但该算法将混联机械臂串、并联部分的避障路径规划任务分割至独逡逑立的两个阶段中，使得串联部分无法实时避障，导致混联机械臂整体避障能力下降。逡逑在此研究基础上，，其所在课题组融合改进双向快速扩展随机树算法（ＲＲＴ－Ｃｏｎｎｅｃｔ）逡逑和渐进最优快速扩展随机树算法（ＲＲＴ＊），引入了一种双向渐进最优快速扩展随机逡逑树算法（ｉｍＴ＊－Ｃｏｎｎｅｃｔ），并通过快速建立明确的机械臂构形空间减少在路径规划过逡逑程中机械臂与外部障碍物的复杂碰撞检测。如图１．５所示为将算法应用于６自由度混逡逑联采摘机器人机械臂避障路径规划的仿真实验结果，算法速度性能较为优秀。但该算逡逑法仍然只是针对静态环境下的避障路径规划任务，无法响应障碍物和目标果实的位姿逡逑动态变化。逡逑ｔｓｏｏ．逦，６００｜逡逑？邋１＇廔双gａ。逡逑１０００邋＼邋２０００邋ｎ邋＼逡逑ｙ／ｍｍ邋－２０００逦．２（Ｋ）0邋ｘ／ｍｍ
【学位授予单位】：中南林业科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP241

【参考文献】