基于VR场景设计的采摘机器人协同作业分析

以进一步提高采摘机器人协同作业的可视性与效率为目标,将VR设计理念与采摘机器结合,针对VR场景下采摘机器人协同作业展开研究。通过考虑环境信息、植物成像、动态交互功能等基础条件,以采摘机器人各部件作业运动机理为依据,搭建采摘机器人VR场景,将采摘系统划分为多个子系统进行采摘作业的动作实现与路径调整,在数据、模型、知识等多部件协同控制支撑下进行VR场景采摘作业试验。结果表明:经系统协同感知与核心算法控制,采摘机器人各部件在自由度协调、对象及位置闭环调控条件下,得到理论计算定位与实际仿真误差控制在0～8mm范围内,机器人协同采摘的作业耗时最短为1.89s,平均耗时为2.06s,采摘成功率可达到96.8%,设计可行。VR场景设计下的采摘机器人整体协同作业分析保证了采摘机器人作业的柔韧度与协调性,对于采摘机器人部件结构改善及类似农机化设备的可视化开发具有很好的参考价值。     

一种码垛机器人的电气控制系统设计

为进一步改善用于农产品成箱搬运、码垛的码垛机器人自动化作业效率，提升自动码垛的作业效果，融合先进成熟的电气控制技术，针对码垛机器人的电气控制系统展开设计研究。在当前码垛机器人作业原理的基础上，基于PID调控原理，结合各关节臂的结构特性与运动插补函数，建立了用于码垛机器人电气系统设计的理论模型，通过软件控制与硬件选型形成完整可行的电气控制系统，并进行码垛作业试验。试验结果表明：与具有普通电气控制系统的码垛机器人相比，该电气控制系统稳定性好，应用到码垛机器人后，其码垛准确率与各关节臂的避障成功率均可提升至90%以上，码垛综合效率得到明显提升。     

基于园林的修剪机器人结构优化研究

针对园林修剪机器人作业精度和自动化作业程度较低的问题,对修剪机器人进行了结构优化设计。园林修剪机器人的主要组成包括主控制器模块、机械臂模块、电机模块、电机驱动模块、传感器模块和供电模块。为了实现园林修剪机器人自主导航时避障和自适应转向的功能,在机器人上增加激光传感器,并对其控制性能进行分析;为了保证机器人的性能最优化,从结构出发对其进行动力学分析,确定机械臂的运动方程。为了验证园林修剪机器人的性能,对其进行转向性能测试和移动性能测试。试验结果表明:机器人能够成功识别障碍物并自适应转向,且具有良好的移动和作业性能。     

基于艺术设计理念的采摘机器人外形机构研究

为进一步实现用于农业果蔬采摘的机器人外形结构优化目标,结合当前三维可视化的艺术设计理念,针对其采摘装置结构参数与布局展开研究。考虑果蔬的物理学特性与作业周边环境光线特征,建立正确的采摘动作空间坐标,设计采摘机器人结构优化流程,从采摘臂杆的偏转角度、臂杆间距与角度阈值3个方面进行参数匹配,并综合协调各采摘关节的运动状态,形成结构组件的运动目标函数。采用ADAMS场景在视觉模块、行走模块、末端执行模块的配合实现结构布局与关节运动仿真,结果表明:采摘机器人单次采摘用时与理论运动模型控制采摘计算用时误差控制在1.0s范围内,采摘成功率控制在91.1%,验证了艺术理念下机构采摘运动设计的合理性,可为采摘机器人结构深度优化进提供设计改进方向,具有一定的参考意义。     

跟踪算法下的果树修剪机器人路径规划设计

以果树修剪机器人为研究对象，基于轨迹跟踪算法对修剪机器人进行作业路径规划，并分别与传统的往复式路径规划算法和跟踪算法进行仿真对比实验分析。分析结果表明：与传统往复式路径规划算法相比，修剪机器人作业过程中漏剪率降低3%,重复率降低2.5%;与传统跟踪式路径规划算法相比，修剪机器人作业过程转角范围增大36°,横向轨迹误差降低600mm。     

基于CAM/CAE的采摘机器人运动轨迹控制研究

为适应现代农业装备向精细化、智能化方向,更为准确地掌握采摘机器人作业过程中的实时运动轨迹,不断提升采摘机器人的作业效率,以6自由度的采摘机器人机械臂为研究对象,在全面理解采摘机器人结构组成及作业原理的基础上,运用运动学与动力学相结合的理论模型,通过对其进行三维实体建模,优化整体臂体结构及控制系统的软硬件组成、臂体运动学求解算法及关键参数控制要求等。同时,利用CAM/CAE分析工具进行模拟仿真验证,结果表明:通过不断调整运动部件与作业环境间的相互关系,实现了采摘机器人臂体的运动轨迹跟踪控制,臂体的各个执行部件运动位置误差范围控制在10%之内,达到了机器人自主采摘的控制要求。这一控制研究可为采摘机器人其他相关部件研究与改进提供参考。     

手持往复式绿篱机作业过程的人机关系研究

使用手持式绿篱修剪机进行园林绿化作业时,枝条的工作阻力、绿篱机的自重及运动部件产生的惯性力将不断地通过操作手柄传递到人体上。本研究从人体工程学角度出发,引入软固体压切断裂力学理论,通过对绿篱修剪需要的切割力及其传递过程的理论分析和实际测试,建立了手持式绿篱机作业过程的人机相互作用的力学关系。结果表明,作用于绿篱机手柄上的纵向力及垂直力主要与绿篱机的自重及运动部件的惯性力有关,而与绿篱枝条的切割阻力无关,但绿篱枝条切割阻力的增加将会引起绿篱机手柄上的横向力及手柄扭矩的急剧突变。期望本研究能为新型绿篱机切割装置的性能改进和先进拟人化智能修剪机器人的设计研发提供相应的理论基础。     

波浪式绿篱修剪机升降机构的设计与运动仿真

对自走波浪式绿篱修剪机升降机构进行了仿真分析。升降机构是由顶枝修剪升降机构和侧枝修剪升降机构组成。在工作过程中,为了使侧枝修剪机构的运动轨迹与整机的运动轨迹平行,侧枝修剪升降机构的角度和高度应是固定的。顶枝修剪升降机构由偏心轮驱动,其运动轨迹是正弦函数曲线,因此在绿篱表面形成了波浪形曲面。     

一种五自由度修剪机器人结构设计与分析

为满足多样化景观绿篱修剪造型对修剪机器人工作空间、结构刚度和强度的需求，设计一种用于园林绿植的五自由度修剪机器人结构。首先采用D-H法对机器人进行建模与运动学分析，利用蒙特卡洛法得到机器人的工作空间；然后以球形绿篱为修剪目标，基于机器人有效空间体积比和速度全域性能指标，确定机器人臂架结构主要杆件的尺寸；最后对臂架结构进行有限元静力学和振动模态仿真分析。仿真结果表明：当大臂尺寸为800 mm，小臂尺寸为900 mm，腕臂尺寸为350 mm时，该机器人垂直修剪作业范围为0~2 000 mm，水平修剪作业范围为-1 300~1 300 mm，工作空间可满足园林绿篱的修剪需求；臂架结构的最大等效应力为34.245 MPa，最大变形为1.897 1 mm，刚度和强度均满足技术指标的要求，且其固有频率可有效避开外界频率，避免共振现象。本研究为景观绿篱修剪机器人研制提供机械结构设计方法与方案，具有一定的应用价值。     

自动取苗末端执行器的设计

蔬菜嫁接栽培是克服连茬病害和低温障碍的有效途径。为了实现瓜科嫁接供苗工序的自动化,根据穴盘和嫁接用苗的实际尺寸,设计了一种自动取苗末端执行器,并介绍了其工作原理,阐述了各部分的组成及各部分部件的设计方案。该方案采用气动方式驱动气缸运动到穴盘的穴孔中心位置,通过电机运动带动曲柄滑块机构运动,实现拢苗定位手指的闭合,完成嫁接用苗的拢苗、定位和剪切作业。     

基于信息技术的自动修剪机智能监控系统研究

随着城市园林绿化建设的不断发展,园林修剪需求逐渐增大,但传统的修剪方式耗费大量的人力物力、作业强度大且工作效率低,同时由于自动修剪机缺乏参数监控,无法根据实际情况自动调整修剪机的修剪机构,导致修剪效果不好.为克服这一难题,提高园林修剪效率,将信息技术、传感器技术及通信技术等先进技术应用在自动修剪机中,对自动修剪机工作过...     

农业机器人轨迹优化自动控制研究——基于BP神经网络与计算力矩

以农业机器人精密轨迹优化自动控制为目标,在优化算法中引入BP神经网络与计算力矩法结合的自动控制器,旨在减少作业过程中的运动误差,提高其工作效率。首先,建立农业机器人数学模型,分析其运动学和动力学原理;然后,设计了农业机器人运动控制系统,引入BP神经网络对不确定动力学因素进行判断,并提出解决该因素的自适应学习法;最后,对该系统运用Mat Lab进行了仿真。试验表明:以BP神经网络与计算力矩法结合的自动控制器可以有效优化机器人运动路径,提高机器人整体作业效率,系统运行稳定、可靠性强,且对外部环境的干扰因素具有较强的自适应学习能力。     

农业物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法

为了解决机器人将农产品从收获场所转移到仓库或运输车辆存在的移动轨迹和作业轨迹相对独立且耗时长的问题,本文设计一种物料移运机器人,并提出一种物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法,获得机器人作业系统和行驶系统协同作业的时间最优轨迹。该方法建立机器人协同作业的运动学模型和动力学模型,对物料移运机器人开展时间最优轨迹规划,并基于Lyapunov理论设计控制律减少跟踪误差,最后通过Matlab/Simulink和ADAMS联合仿真验证方法的有效性。结果表明,提出的轨迹规划方法可使机器人在抓放料协同作业和避障协同作业中取得平滑且时间最优的运动轨迹,机器人各关节的位移、速度、加速度、力/力矩曲线变化平缓,两履带牵引力满足机器人的要求且可快速稳定跟踪时间最优路径。     

树莓剪枝机器人设计

树莓在我国边疆地区大面积种植,如要有良好的长势,剪枝尤为重要,需要大量的人力。受地理条件限制,边疆地区地广人稀、人力成本高,为降低生产成本,研制树莓剪枝机器人非常必要。为此,针对早春时节树莓需要定植修剪的实际需要,研发了一款树莓剪枝机器人。工作时,以上位机与下位机进行串口通信的控制系统为核心,利用机器视觉技术,对采集到的图像进行实时处理,控制剪枝机器人前进,左右机械臂同时工作,高效地实现对细弱枝、破损枝的识别与剪除。试验表明:树莓剪枝机器人工作时有极大的可靠性与自适应能力,能适应各种复杂环境,可在早春时节实现智能化树莓定植修剪,对过密的细弱枝、破损枝可以齐地剪除。     

基于改进YOLOv5的割草机器人工作环境障碍物检测方法研究

为实现割草机器人在计算资源有限的情况下快速、准确地定位并识别工作环境中的障碍物，提出一种基于滤波器剪枝的改进YOLOv5s深度学习模型的割草机器人工作环境下障碍物的检测方法。首先，将YOLOv5模型中的Bottleneck残差块改为分层残差结构，以更细粒度地表示多尺度特征，同时增加网络感受野；另外，在残差块尾部加入SE模块，用来对特征图重新标定；其次，对改进后的算法进行滤波器剪枝；最后，针对割草机器人工作环境中的常见障碍物建立相关数据集，并使用剪枝后改进YOLOv5s作为深度学习模型进行检测。试验结果表明：改进后的YOLOv5模型大小减少188%，mAP增加0.1%。对改进YOLOv5模型进行剪枝后，比原YOLOv5模型计算量降低36.6%，模型大小降低333%，推理速度减少1.9 ms。剪枝后本文模型的mAP值分别比YOLOv4，YOLOv4-tiny，YOLOv3，YOLOv3-tiny高1.3%，9.5%，5.8%，22.1%。     

基于信息技术的自动修剪机参数监控与分析

以自动修剪机运行参数监控系统为研究对象,基于信息采集技术,搭建一种通过位置传感器、角度传感器实现的运行过程参数监控系统.修剪机自动工作过程中,参数监控系统进行修剪机运行参数采集,并与控制系统中的设定值进行比对,进行插补控制指令修正,实现修剪机运行过程的闭环控制.系统运行参数采集分析表明:自动修剪机运行过程中的转动角度、...     

片簧型柔顺并联机器人运动规划与轨迹跟踪技术

针对柔顺关节并联机器人系统存在的误差因素,为提高系统整体性能,开展运动规划及轨迹跟踪研究。根据性能要求,设计柔顺关节的结构参数,分析柔顺关节特性,建立机器人系统的分析模型并推导运动学方程。针对柔顺关节轴心漂移引起的杆长误差,提出一种机器人主动杆和从动杆实际杆长的计算方法,修正主动杆关节角的期望轨迹。为补偿系统振动及参数摄动误差,基于径向基(RBF)神经网络设计模型逼近控制算法,跟踪期望轨迹。基于Solid Works、ANSYS、ADAMS及Matlab/Simulink建立机器人系统的虚拟仿真模型。仿真结果表明,提出的运动规划和控制方法将未补偿柔顺关节误差时的机器人末端轨迹误差降低了84%以上,能够有效提高柔顺关节并联机器人系统的运行精度。     

基于蚁群算法的六自由度采摘机器人轨迹规划研究

在现代农业生产中,果蔬采摘作业复杂而繁重,采摘机器人在作业过程中常常需要经历成千上万个果蔬采摘点,面对这样巨大的工作量,采摘机器人移动路径规划显得非常重要。为此,以采摘机器人运动轨迹为研究对象,以其运动轨迹总长最短为研究目标,针对机器人各关节机构运动速度变化情况及机器人运动特性,利用基本蚁群原理对六自由度采摘机器人的路径进行规划。实验结果表明:所设计的采摘机器人轨迹优化技术不但路径优化能力强、运动轨迹平滑,还具有可靠性强及稳定性好的优点。     

基于Java3D和VRML技术的采摘机械手运动仿真研究

为了实现采摘机器人机械手臂运动虚拟仿真过程的交互性,基于Java3D和VRML虚拟现实技术,提出了一种机械臂交互式三维场景生成及运动仿真系统。为了验证系统的可行性,以采摘机器人机械臂为研究对象,设计了基于采摘机器人机械臂运动仿真系统,并基于网络的特征,通过接口导入机械臂关节的造型文件,实现了采摘机器人机械臂仿真三维虚拟场景创建。对仿真系统进行了实验,结果表明:开发的采摘机器人机械臂三维运动仿真系统可以对采摘路径进行合理的规划,得到和实验基本吻合的轨迹,能够实时地显示关键力矩的变化,为关节结构的优化提供了数据参考。将仿真目标位置和预设位置进行对比发现,最大位置偏差不超过1 mm,从而验证了运动模型和算法的可靠性。     

基于磁通叠加原理的变刚度关节设计与特性研究

基于磁通叠加原理，提出了一种机器人变刚度关节，在减少了关节质量的同时增加了关节刚度的调整速度和运动范围。阐述了通过电信号直接调整永磁-电磁混合式变刚度装置中磁通量，实现刚度改变的工作原理，并以此原理设计关节整体机构。根据磁通连续性原理和虚位移法建立了关节刚度模型，并给出关节刚度随电流和关节位置的变化关系。以变刚度关节刚度模型为基础，设计了变刚度关节位置与刚度协调控制器，搭建了变刚度关节的原理样机。实验结果表明，基于磁通叠加原理的变刚度机器人关节可以实现关节刚度的快速调节，关节的位置和轨迹跟踪精度随着刚度的增加而增加，随着频率的增加而降低。