移动苹果采摘机械手设计及其运动规划

发布时间：2022-07-08 13:42

　　随着农业现代化建设的不断推进,果实收获已成为农业工程中非常重要的一环。苹果作为民众生活中普遍需求的水果,其采摘的自动化程度显得尤为重要,故现已有大量的机器人被用于苹果采摘。但是目前苹果采摘机器人的采摘效率仍然还存在着一定的提升空间,这与其结构和运动规划方式密切相关。为此,文中针对苹果的生长环境,设计了一种四自由度采摘机械手结构,并对其进行采摘运动规划的研究。首先,文中进行移动采摘机械手平台的软硬件设计。在硬件平台上,设计了移动底盘和机械臂,对采摘机械手视觉系统和主控系统的相应硬件进行选型,同时对车轮和关节的电机及其对应驱动器进行选型。在软件系统上,采用Lab颜色模型和霍夫梯度法进行目标的识别以及定位,运用PID算法结合光电编码器来实现伺服电机的速度闭环,并且编写了相应程序并测试,验证了上述方法的有效性。其次,为了实现机械手的采摘,文中针对上述采摘机械手结构,运用末端关节分离法,确立了机械手的采摘位姿,并选择摆线运动方程作为机械手关节轨迹规划曲线。再结合采摘姿态和关节运动学约束,推导了以采摘运行时间最短为目标的机械手最优运动规划数学模型。然后,为了提高上述运动规划模型的求解性能,文中提出... 

【文章页数】：85 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 课题背景及意义
    1.3 采摘机械手研究现状
    1.4 苹果采摘机器人研究趋势
        1.4.1 结构设计
        1.4.2 运动规划
        1.4.3 机器视觉
    1.5 论文章节内容安排
第2章 移动苹果采摘机械手样机设计与平台搭建
    2.1 引言
    2.2 移动采摘机械手结构设计与制作
        2.2.1 整体结构设计
        2.2.2 伺服电机选型
        2.2.3 系统硬件选型
        2.2.4 样机制作与装配
    2.3 采摘机械手视觉检测系统设计
        2.3.1 目标视觉识别与定位原理
        2.3.2 视觉处理程序设计和测试
    2.4 采摘机械手电机控制系统设计
        2.4.1 闭环电机控制原理
        2.4.2 伺服电机闭环控制程序设计和测试
    2.5 本章小结
第3章 采摘机械手运动学及运动规划模型
    3.1 引言
    3.2 采摘机械手空间运动学
        3.2.1 采摘机械手运动学正解
        3.2.2 采摘机械手运动学逆解
        3.2.3 采摘机械手运动学仿真测试
    3.3 采摘机械手关节空间轨迹规划
        3.3.1 三次多项式插值
        3.3.2 两端抛物线插值
        3.3.3 摆线运动
        3.3.4 关节轨迹规划函数的对比与选取
    3.4 采摘机械手最优运动规划模型
        3.4.1 确立采摘位姿
        3.4.2 关节运动学约束
        3.4.3 最优运动规划模型
    3.5 本章小结
第4章 采摘机械手最优运动规划求解研究
    4.1 引言
    4.2 群体智能优化算法
        4.2.1 禁忌遗传算法
        4.2.2 基本小世界优化算法
    4.3 基于精英集聚效应的小世界优化算法
        4.3.1 算法的一些定义
        4.3.2 算法的基本步骤
    4.4 算法的收敛性能分析
    4.5 算法的数值测试与讨论
        4.5.1 TSP数值测试
        4.5.2 算法参数测试
    4.6 算法用于采摘运动规划模型的仿真测试
    4.7 本章小结
第5章 采摘机械手运动规划综合实验
    5.1 引言
    5.2 实验准备
    5.3目标采摘及运动规划实验
        5.3.1 较高处目标采摘运动规划及采摘过程
        5.3.2 中远处目标采摘运动规划及采摘过程
        5.3.3 较低处目标采摘运动规划及采摘过程
    5.4 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
攻读硕士学位期间所取得的科研成果
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]基于YOLO深度卷积神经网络的复杂背景下机器人采摘苹果定位[J]. 赵德安,吴任迪,刘晓洋,赵宇艳.  农业工程学报. 2019(03)
[2]结合MPGA-RBFNN的一般机器人逆运动学求解[J]. 张毅,刘芳君,胡磊.  智能系统学报. 2019(01)
[3]农业机械自动化技术研究[J]. 吴莉丽,薛益.  电子世界. 2018(18)
[4]群体智能优化算法[J]. 程适,王锐,伍国华,郭一楠,马连博,史玉回.  郑州大学学报(工学版). 2018(06)
[5]高精度增量式光电编码器信号处理系统[J]. 汪雨冰,王睿,于永江,杨罕.  吉林大学学报(信息科学版). 2018(04)
[6]基于直流电机驱动电路的移动式采摘机器人设计[J]. 张战杰.  农机化研究. 2019(04)
[7]基于PLC的苹果采摘机械手运动控制系统设计[J]. 姜秀玲.  农机化研究. 2017(11)
[8]采摘机器人无线通信系统设计—基于LTE-advanced与微粒群算法[J]. 郑冰,杨文铂,李航.  农机化研究. 2018(03)
[9]苹果采摘机器人视觉系统研究进展[J]. 王丹丹,宋怀波,何东健.  农业工程学报. 2017(10)
[10]基于蚁群算法的六自由度采摘机器人轨迹规划研究[J]. 黄轶文,张梅.  农机化研究. 2017(03)

硕士论文
[1]基于5次B样条函数的果蔬采摘机器人轨迹规划的研究[D]. 司艳伟.浙江理工大学 2017



本文编号：3657133