番茄采摘双臂机器人设计与控制系统研究
发布时间：2021-07-04 21:20
温室高价值果蔬采收目前大多数仍依靠人力实现,随着中国人口老龄化,劳动力成本上升,亟需产生新型自动化解决方案。机器人技术已经在工业自动化领域得到广泛应用,其在农业领域亦将发挥出巨大作用。本课题主要聚焦于温室鲜食番茄的自动采收,设计开发了番茄采摘双臂机器人。本文的研究成果主要包括:1)针对设施环境作业机构运动链、尺寸链和构型载荷谱多约束协同设计问题,使用SolidWorks完成了双臂机器人机械结构的设计工作和虚拟装配,并对关键部位进行有限元校核。采用改进的D-H参数描述机器人连杆坐标系关系,并对5自由度机械臂的正运动学、逆运动学解法进行了分析,逆运动学算法用到了空间圆参数方程和函数极值点。2)针对串联机械臂多关节运动实时协同驱动问题,机械臂采用了基于EtherCAT总线的多轴联动伺服控制方案,末端执行器则采用串口连接单片机控制。之后设计了提高机械臂重复定位精度和绝对定位精度的方案,其中在校准绝对精度时使用了机器视觉辅助,以纠正标准模型偏差。3)针对多功能农业机器人软件架构复杂、多任务并行开发困难的问题,基于机器人操作系统ROS构建了机器人整体上位机软件,包括三维仿真模型显示、视觉图像处理、...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
草莓采摘机器人
图 1-4 草莓采摘机器人 图 1-5 番茄采摘末端执行器Fig.1-4 Strawberry harvesting robot Fig.1-5 Tomato picking end-effector江苏大学的刘继展博士专门进行了番茄采摘机器人末端执行器真空吸附系统的分析与优化控制研究[8]，他设计的末端执行器原型机如图 1-5 所示。该末端执行器首先用由微型空压机和集成式真空发生器产生真空的吸盘吸持目标番茄，然后通过电机驱动双向螺杆机构合并两个圆弧形夹板夹住番茄，最后微调聚焦透镜聚焦光纤耦合半导体激光器发出的激光将番茄果柄切断[9]。1.3 论文的主要内容与章节安排1.3.1 主要内容针对课题项目的任务要求，实验室项目组全新设计制作了一台双臂番茄采摘机器人，并先后在 Windows 系统环境下和 Linux 环境 ROS 框架下实现了其软件控制系统。该机器人为深入进行课题的主要任务 目标识别、定位与控制技术研究 奠定了良好的实验平台基础，并对一些前期基础理论和功能进行了验证，为后续改进与深化工作探明了方向。本文是对作者参与该项目的一些工作的总结，其
上海交通大学硕士学位论文零部件装配行业，具有选择顺应性的 SCARA 机器人就是一种很好的选择；而在食品等小型产品的流水线分拣作业方面，高速轻载的 Delta 并联机器人则应用广泛[10]；在产品最终装箱码垛阶段，工厂会较多选择利用平行四边形机构理论的码垛专用串联机器人；而在一些通用多变的应用场合，标准的六自由度或七自由度串联工业机器人以其高灵活性得以胜任。因此，具体到本项目的温室番茄自动化采摘任务，提前分析了解温室详细种植环境与待采摘的番茄品种特性，对设计合理的机械结构至关重要。事实上，这一设计过程也不可能是一蹴而就的，必然需要历经多次的实验修改与验证过程以趋于完善。很多时候，传统的种植方法和温室硬件也必须相应改进，以适应并简化自动化机械。如荷兰在开发黄瓜自动采收机器人时，就专门设计了温室中的轨道及黄瓜藤悬挂方式[11]。智能化番茄自动采收系统的实现最终也可能需要专门配套设计的温室结构与种植方法，形成与现今人工采摘温室环境完全不同的体系结构。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ROS的机器人模型构建方法研究[J]. 曹正万,平雪良,陈盛龙,蒋毅. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[2]基于PVT模式的Spline插值研究[J]. 毛子明,张伟军,袁建军,谢广庆. 机电一体化. 2015(05)
[3]Delta机器人在瓷砖分拣包装自动化生产线上的应用[J]. 黄佳红. 机器人技术与应用. 2014(03)
[4]一种五自由度机械臂逆运动学求解的几何法[J]. 朱晓龙,顿向明. 机械与电子. 2014(05)
[5]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[6]机器人技术研究进展[J]. 谭民,王硕. 自动化学报. 2013(07)
[7]我国草莓采摘机器人研究获多项突破[J]. 机器人技术与应用. 2013(03)
[8]站台监控器界面设计技术研究——基于DirectX技术与MFC框架[J]. 王飞,王啸,连奇幸. 现代电子技术. 2013(05)
[9]空间圆的参数方程及其应用[J]. 罗治国. 湖南师范大学自然科学学报. 2012(06)
[10]黄瓜采摘机器人远近景组合闭环定位方法[J]. 冯青春,袁挺,纪超,李伟. 农业机械学报. 2011(02)
博士论文
[1]番茄采摘机器人真空吸持系统分析与优化控制研究[D]. 刘继展.江苏大学 2010
硕士论文
[1]神经网络在机械手逆解求解中的应用[D]. 胡传俊.湘潭大学 2011
本文编号：3265561
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：93 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
草莓采摘机器人
图 1-4 草莓采摘机器人 图 1-5 番茄采摘末端执行器Fig.1-4 Strawberry harvesting robot Fig.1-5 Tomato picking end-effector江苏大学的刘继展博士专门进行了番茄采摘机器人末端执行器真空吸附系统的分析与优化控制研究[8]，他设计的末端执行器原型机如图 1-5 所示。该末端执行器首先用由微型空压机和集成式真空发生器产生真空的吸盘吸持目标番茄，然后通过电机驱动双向螺杆机构合并两个圆弧形夹板夹住番茄，最后微调聚焦透镜聚焦光纤耦合半导体激光器发出的激光将番茄果柄切断[9]。1.3 论文的主要内容与章节安排1.3.1 主要内容针对课题项目的任务要求，实验室项目组全新设计制作了一台双臂番茄采摘机器人，并先后在 Windows 系统环境下和 Linux 环境 ROS 框架下实现了其软件控制系统。该机器人为深入进行课题的主要任务 目标识别、定位与控制技术研究 奠定了良好的实验平台基础，并对一些前期基础理论和功能进行了验证，为后续改进与深化工作探明了方向。本文是对作者参与该项目的一些工作的总结，其
上海交通大学硕士学位论文零部件装配行业，具有选择顺应性的 SCARA 机器人就是一种很好的选择；而在食品等小型产品的流水线分拣作业方面，高速轻载的 Delta 并联机器人则应用广泛[10]；在产品最终装箱码垛阶段，工厂会较多选择利用平行四边形机构理论的码垛专用串联机器人；而在一些通用多变的应用场合，标准的六自由度或七自由度串联工业机器人以其高灵活性得以胜任。因此，具体到本项目的温室番茄自动化采摘任务，提前分析了解温室详细种植环境与待采摘的番茄品种特性，对设计合理的机械结构至关重要。事实上，这一设计过程也不可能是一蹴而就的，必然需要历经多次的实验修改与验证过程以趋于完善。很多时候，传统的种植方法和温室硬件也必须相应改进，以适应并简化自动化机械。如荷兰在开发黄瓜自动采收机器人时，就专门设计了温室中的轨道及黄瓜藤悬挂方式[11]。智能化番茄自动采收系统的实现最终也可能需要专门配套设计的温室结构与种植方法，形成与现今人工采摘温室环境完全不同的体系结构。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于ROS的机器人模型构建方法研究[J]. 曹正万,平雪良,陈盛龙,蒋毅. 组合机床与自动化加工技术. 2015(08)
[2]基于PVT模式的Spline插值研究[J]. 毛子明,张伟军,袁建军,谢广庆. 机电一体化. 2015(05)
[3]Delta机器人在瓷砖分拣包装自动化生产线上的应用[J]. 黄佳红. 机器人技术与应用. 2014(03)
[4]一种五自由度机械臂逆运动学求解的几何法[J]. 朱晓龙,顿向明. 机械与电子. 2014(05)
[5]我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J]. 王田苗,陶永. 机械工程学报. 2014(09)
[6]机器人技术研究进展[J]. 谭民,王硕. 自动化学报. 2013(07)
[7]我国草莓采摘机器人研究获多项突破[J]. 机器人技术与应用. 2013(03)
[8]站台监控器界面设计技术研究——基于DirectX技术与MFC框架[J]. 王飞,王啸,连奇幸. 现代电子技术. 2013(05)
[9]空间圆的参数方程及其应用[J]. 罗治国. 湖南师范大学自然科学学报. 2012(06)
[10]黄瓜采摘机器人远近景组合闭环定位方法[J]. 冯青春,袁挺,纪超,李伟. 农业机械学报. 2011(02)
博士论文
[1]番茄采摘机器人真空吸持系统分析与优化控制研究[D]. 刘继展.江苏大学 2010
硕士论文
[1]神经网络在机械手逆解求解中的应用[D]. 胡传俊.湘潭大学 2011
本文编号：3265561
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