三自由度苹果采摘机器人机械结构和控制系统设计

发布时间：2020-04-22 11:01

【摘要】：近年来,随着人们生活水平的逐步提高,水果在整个食品消费结构中的比例不断增加,特别是作为四大水果之一的苹果。然而,由于日趋严重的老龄化问题以及工业化和城镇化的发展,农业劳动力逐渐向工业、服务业等方向转移,农业劳动力短缺问题日益加深。苹果采摘是苹果生产中耗时费力的环节之一,需投入相当多的劳动力,以智能机器人代替人工实现采摘自动化是解决问题的最有效途径,而目前我国农业的机械化、智能化水平较低,所以研制经济的、商品化的农业采摘机器人具有重要的战略意义。本课题旨在设计采摘机器人的核心部件—采摘机械臂,为整个采摘机器人的研制奠定基础,主要研究内容包括以下几个方面:(1)基于现代果树种植特点和传统工业关节型机械臂的缺点,设计了一套基于圆柱坐标的三自由度采摘机械臂,详细介绍了各运动轴的机构组成、传动方式以及参数的确定。(2)在creo2.0环境下对设计的采摘机械臂进行了建模。为验证设计的采摘机械臂的刚度、强度是否满足要求,运用ANSYS 14.0软件进行了结构静力学分析,通过ADAMS软件分析了运动轴的受力情况以及影响机械臂定位精度的滚珠丝杠的动力学性能。分析结果显示最大应力值为13. 23MPa,而最小应力值为30. 473Pa,应力最大值远小于材料的屈服极限235MPa,表明设计的采摘机械臂完全能承受40kg的末端负载,.用ADAMS模拟机械臂运动时,滚珠丝杠的最大受力为1200N,以及运动轴的受力情况都符合客观规律。(3)设计了基于CAN总线的上、下位机开放式控制系统,阐明了采摘机器人工作流程,基于C#编写了运动控制程序,创建了人机交互界面。为保证采摘机器人作业的安全性,从硬件和软件方面对采摘机械臂采取了保护措施。考虑整个采摘机器人布置的合理性,设计了机器人控制柜。(4)把单神经元PID自适应控制方法运用在关节控制上,在 MATLAB/Simulink环境下进行了建模,仿真结果表明该控制方法能适应复杂的、非结构化的作业环境。之后对采摘机械臂进行了定位精度和运动耗时测量试验,结果表明采摘机械臂的定位误差为4.929mm,平均耗时为6.619s,相对传统的关节型机械臂,提高了定位精度,降低了运动耗时,且完全满足采摘要求。
【图文】：

西红柿,机器人

与背景颜色的差异通过机器视觉来进行果实识别，该收获机械具有５个自由度，但机逡逑械手不是全自由度因而存在操作空间的限制，而且坚硬的末端执行器容易损伤果实。逡逑１Ｗ３年，，日本冈山大学的ＫｏｎｄｏＮ等人也成功试验了番茄采摘机器人，如图１－１所示。逡逑Ｉ邋．邋Ｉ逡逑图１－１西红柿采摘机器人逡逑Ｆｉｇｌ－ｌ邋Ｔｏｍａｔｏ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑该机器人由采摘机械臂、末端执行器、移动平台、视觉系统和相应的控制部分组逡逑成，其中视觉系统硬件采用彩色摄像头和图像处理卡。在开发过程中，研究者们充分逡逑２逡逑

葡萄,机器人,末端执行器

图１－２葡萄采摘机器人逡逑Ｆｉｇ邋１－２邋Ｇｒａｐｅ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑如图１－２所示。该收获机器人设计有基于极坐标的５自由度采摘机械臂，其中包逡逑含４个旋转关节和１个直动关节，此种结构可Ｗ有效保证末端执行器水平或者垂直地逡逑靠近葡萄架。末端执行器由仿真手指和切断茎脉的剪刀姐成，而且在不同的阶段设计逡逑有多套末端执行器，用于葡萄的套袋、喷雾和剪枝作业，有效提高了设备综合利用率。逡逑主要存在缺点：有作业对象的限制，多自由度的机械臂导致控制的繁琐。逡逑１９９６年，荷兰农业环境工程研究所研制出了黄瓜采摘机器人ｔＷ，如图＾３所示。逡逑该机器人具有７个自由度，包括Ｈ菱公司（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ）邋ＲＶ邋Ｅ２型机械手的６个自由度和逡逑安装在底座上的一个线性滑动自由度，可有效增大机器人的作业空间。在末端执行逡逑器方面
【学位授予单位】：南京农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S225.93;TP242

【参考文献】