双臂采摘机器人自主连续作业建模与控制

发布时间：2020-10-20 20:28

　　 国内外针对果实采摘机器人的研究很多,但是距离走出实验室、在温室环境下进行连续作业似乎还有一段距离。阻碍采摘机器人进行大规模商用的难点主要体现在硬件和软件两个方面:硬件方面是缺乏一款能够实现快速采摘的硬件装置及与之配套的结构化采摘环境;软件方面则是缺乏对采摘作业环境的结构化建模及理解以及一套适应连续作业场景的软件控制系统。针对第一个问题,项目所属课题搭建了一款西红柿双臂采摘机器人。本文主要聚焦于解决第二个问题,依托于上述硬件,开发了一套双臂采摘机器人连续作业软件控制系统。主要的研究工作有以下几点(1)针对半结构化环境中采摘机器人的作业方案问题,首先分析采摘机器人的作业环境-温室环境的半结构化特点,聚焦变光照条件下的识别定位、多簇生长环境下的智能采摘、复杂多任务规划问题。采用系统工程方法确定了面向复杂过程和可变对象的机器人结构设计、工作空间设计、眼手协同作业规划设计系统化方案。最后提出了基于时空数据库的双臂采摘机器人半结构环境下环境感知方案及智能化的上位机软件系统框架。(2)针对温室半结构化环境难以进行数据表征及建模的问题,开发了基于动态关联的时空数据库系统。首先针对连续采摘过程中的两个时空对象,西红柿及机器人,进行了时空建模及动态关联。然后在服务器端利用SQL server搭建了时空数据库。最后进行系统验证,调试存储功能正常,与机器人上位机软件系统通信功能正常。(3)针对双臂采摘机器人软件系统功能模块复杂、开发难度大的特点,以及对西红柿进行连续采摘过程中的复杂多任务规划问题,设计了分层模块化的上位机软件系统框架。其中的核心部分是基于有限状态机思想的多任务规划、功能模块调度方法。实际的开发实践表明,分层模块化的软件框架设计及基于有限状态机的任务调度设计降低了开发难度、提高了开发效率。(4)根据以上的框架设计及编程思想,基于ROS系统实现了视觉模块、运动模块、眼手协同模块及任务规划模块的具体设计及子节点编程。在工控机上运行验证,有效的实现了各节点功能,在搭建的温室实验环境中实现了机器人的连续采摘。实验结果表明,全视野内目标果实不多于3个的条件下,多果采摘平均时间为35s。
【学位单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：S225;TP242
【部分图文】：

图 1-3 甜椒采摘机器人Fig.1-3 Sweet pepper harvesting robot除此以外，Taqi[8]等研发了小型家用樱桃番茄采摘机器人，可以在特定环境现非常准确的采摘作业任务。YAGUCHI 等[9]特别设计的旋转式番茄采摘机械端执行器，可以使采摘的成功率和采摘速度都得到大幅度的提升。内采摘机器人硬件研究现状国内对于采摘机器人的研究开展比较晚，主要以高校为主，但在近十年来得了许多不错的成就，与国外领先水平差距正不断缩小。国内的研究最早由农业大学张铁中团队开展，其设计研制的高架草莓采摘机器人“采摘童 1 号于 2012 年完成（如图 1-4），由精密运动定位机构和末端执行器等构成，由执行器上的摄像头和光纤传感器等进行信息采集，在实验中的无损采摘成功 88%，取得相当不错的效果。

图 1-5 李伟团队的番茄采摘机器人ig.1-5 Tomato harvesting robot of China Agricultural Univer继展等[12]设计了新型的采摘机器人末端执行器结、手指夹持机构和激光切断装置构成执行机构，、远距近距传感器、指力传感器、腕力传感器等确地摘取下一颗果实。

图 1-5 李伟团队的番茄采摘机器人Fig.1-5 Tomato harvesting robot of China Agricultural University学刘继展等[12]设计了新型的采摘机器人末端执行器结构（装置、手指夹持机构和激光切断装置构成执行机构，由分码器、远距近距传感器、指力传感器、腕力传感器等构成效准确地摘取下一颗果实。
【参考文献】

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本文编号：2849123