苹果采摘机械臂避障系统设计及研究
发布时间：2023-02-09 10:43
在农业生产过程中,果实采摘是其中重要的一个环节。农业智能采摘机器人的研发与应用,可以解决我国目前劳动力短缺的问题,大大缩减生产成本,提高市场竞争力。虽然,现在工业机器人发展已日趋成熟,但农业采摘环境更加复杂,对路径搜索的要求更高。本文以苹果为采摘对象,对避障系统进行研究。首先,根据苹果树的生长特性,将采摘机器人结构分为定位机构、调姿机构和采摘机构三部分,通过构型和尺寸的综合,得到一种五自由度苹果采摘机构。然后,基于D-H参数法进行机器人数学模型的建立,进行正解和工作空间的计算。同时,为了简化反解的计算,求解苹果的轴线倾角,对关节角度进行预设。在路径搜索方面,先对常见“随机类”算法进行研究发现,传统的算法在路径搜索时,产生“节点”的随机性、盲目性太大。为此,提出了一种改进的RRT-connect算法,在路径搜索的效率及其稳定性方面有了一定的提高。然后,利用八叉树算法,对视觉系统得到采摘环境的点云数据进行障碍模型的建立。最后,采用改进的RRT-connect算法,在八叉树搭建的环境模型下完成路径搜索任务。在轨迹规划方面,先对笛卡尔坐标系下和关节坐标系下的轨迹规划算法进行研究发现,在关节坐标...
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的背景及研究意义
1.2 采摘机器人研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 机器人避障规划研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 研究目标及主要研究内容
1.4.1 研究目标
1.4.2 课题研究内容
第2章 采摘机械臂的构型设计和运动学分析
2.1 苹果树的种植栽培方式
2.2 采摘机器人构型选择
2.3 机械臂尺寸综合
2.3.1 基于苹果分布的CAD参数模拟
2.3.2 图解法确定连杆参数
2.3.3 基于Matlab进行解的优化
2.4 采摘机械臂的运动学描述
2.5 机器臂运动学求解
2.5.1 机械臂运动学正解
2.5.2 机械臂运动学逆解
2.6 本章小结
第3章 采摘机械臂路径规划研究
3.1 构型空间
3.2 传统采样算法
3.2.1 概率地图(Probabilistic Roadmap Method,PRM)算法
3.2.2 快速扩展随机树(rapidly-exploring random tree,RRT)算法
3.2.3 双向RRT算法(RRT-connect)
3.3 改进的RRT-connect算法
3.3.1 改进的RRT-connect算法原理
3.3.2 节点扩张策略
3.3.3 基于改进算法的路径优化
3.4 算法比较
3.5 频率因素
3.6 采摘环境下改进算法仿真
3.6.1 八叉树算法搭建环境模型
3.6.2 八叉树模型下的改进RRT-connect算法仿真
3.7 本章小结
第4章 采摘机械臂轨迹规划研究
4.1 笛卡尔坐标系下轨迹规划
4.1.1 空间直线轨迹规划
4.1.2 空间圆弧轨迹规划
4.2 关节空间下轨迹规划
4.2.1 三次多项式插值法轨迹规划
4.2.2 五次多项式插值法轨迹规划
4.3 带有圆弧过渡的直线插补轨迹规划
4.4 速度规划曲线
4.4.1 梯形速度规划曲线
4.4.2 正弦速度规划曲线
4.4.3 S型速度规划曲线
4.5 分步式关节空间轨迹规划
4.6 本章小结
第5章 仿真验证及采摘实验
5.1 机械臂正反解的验证
5.1.1 正解验证
5.1.2 反解验证
5.2 轨迹规划仿真
5.3 碰撞检测
5.3.1 常见检测方法
5.3.2 模型简化
5.3.3 机械臂与障碍物的碰撞检测
5.4 采摘顺序规划研究
5.5 采摘实验及分析
5.5.1 末端位姿的确定
5.5.2 采摘过程及实验分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录1 末端位姿矩阵表达式
附录2 工作空间的计算
附录3 枝干部分点云数据
附录4 反解值
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢
本文编号：3738744
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 课题的背景及研究意义
1.2 采摘机器人研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 机器人避障规划研究现状
1.3.1 国外研究现状
1.3.2 国内研究现状
1.4 研究目标及主要研究内容
1.4.1 研究目标
1.4.2 课题研究内容
第2章 采摘机械臂的构型设计和运动学分析
2.1 苹果树的种植栽培方式
2.2 采摘机器人构型选择
2.3 机械臂尺寸综合
2.3.1 基于苹果分布的CAD参数模拟
2.3.2 图解法确定连杆参数
2.3.3 基于Matlab进行解的优化
2.4 采摘机械臂的运动学描述
2.5 机器臂运动学求解
2.5.1 机械臂运动学正解
2.5.2 机械臂运动学逆解
2.6 本章小结
第3章 采摘机械臂路径规划研究
3.1 构型空间
3.2 传统采样算法
3.2.1 概率地图(Probabilistic Roadmap Method,PRM)算法
3.2.2 快速扩展随机树(rapidly-exploring random tree,RRT)算法
3.2.3 双向RRT算法(RRT-connect)
3.3 改进的RRT-connect算法
3.3.1 改进的RRT-connect算法原理
3.3.2 节点扩张策略
3.3.3 基于改进算法的路径优化
3.4 算法比较
3.5 频率因素
3.6 采摘环境下改进算法仿真
3.6.1 八叉树算法搭建环境模型
3.6.2 八叉树模型下的改进RRT-connect算法仿真
3.7 本章小结
第4章 采摘机械臂轨迹规划研究
4.1 笛卡尔坐标系下轨迹规划
4.1.1 空间直线轨迹规划
4.1.2 空间圆弧轨迹规划
4.2 关节空间下轨迹规划
4.2.1 三次多项式插值法轨迹规划
4.2.2 五次多项式插值法轨迹规划
4.3 带有圆弧过渡的直线插补轨迹规划
4.4 速度规划曲线
4.4.1 梯形速度规划曲线
4.4.2 正弦速度规划曲线
4.4.3 S型速度规划曲线
4.5 分步式关节空间轨迹规划
4.6 本章小结
第5章 仿真验证及采摘实验
5.1 机械臂正反解的验证
5.1.1 正解验证
5.1.2 反解验证
5.2 轨迹规划仿真
5.3 碰撞检测
5.3.1 常见检测方法
5.3.2 模型简化
5.3.3 机械臂与障碍物的碰撞检测
5.4 采摘顺序规划研究
5.5 采摘实验及分析
5.5.1 末端位姿的确定
5.5.2 采摘过程及实验分析
5.6 本章小结
结论
参考文献
附录1 末端位姿矩阵表达式
附录2 工作空间的计算
附录3 枝干部分点云数据
附录4 反解值
攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果
致谢
本文编号：3738744
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