模糊算法在黄瓜采摘机器人轨迹控制中的应用

为了实现黄瓜采摘自动化,解决农村劳动力缺失问题,设计了黄瓜采摘机器人。设计主要包括以下内容:①对黄瓜采摘机器人进行运动学分析,以机器人行走系为坐标原点,建立采摘机构坐标与腰部,大臂和小臂舵机角位移之间关系,进而求解逆运动方程,实现控制;②采用摆线函数,对机械臂运动轨迹进行规划,实现无冲击,平稳运动;③采用模糊控制方法,对机械臂动力学方程中摩擦不确定项进行逼近,提高机器人运动精度;④最后,对机器人运动精度进行测试,实地检测机器人采摘成功率和采摘速度。     

基于农业采摘的机械臂结构设计研究

为提高农业采摘机械手整体的工作效率和机械臂采摘工作的灵活性与准确性,针对农业采摘机械手的结构特征问题,根据农业采摘器具机械臂的运动学原理,在保证臂体整体结构紧凑、适应作业场所的前提下,对机械臂进行结构优化,并在可操作性的理论模型的基础上,通过对机械臂进行建模、仿真分析及关键运动构件参数的优化,验证此机械臂结构设计的可行性与合理性。同时,结合其相关运动控制参数设定及要求,实现农业采摘机械臂的准确采摘定位化与轨迹化控制与反馈调节控制,达到机械臂结构的优化目标,为后续机械臂轨迹规划控制奠定良好的基础,亦可作为其他农机结构优化的参考。     

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。     

农业采摘机器人机械臂结构设计

【目的】农业采摘机器人是一种集机械、电子、传感、计算机于一体的多功能农业机械设备,被广泛应用于水果、蔬菜采摘领域。但其在对果实的识别和抓取方面仍存在很大的不足。【方法】机械臂是农业采摘机器人重要的组成部分之一,也是其主要执行机构。笔者根据机械臂结构特点与功能需求,设计了一种六自由度、关节运动灵活且可更换的采摘机器人机械臂,该机械臂通过控制系统调节3个平动关节在工作空间中的位置和角度,从而获得末端执行器能够完成采摘任务所需的最小工作空间,通过六自由度变换得出6个关节在工作空间中坐标系之间运动轨迹关系。该机械臂由视觉模块、驱动模块及控制模块构成。基于D-H参数法对采摘机器人机械臂进行运动学分析,并进行仿真验证。【结果】该机械臂具有较好的定位精度,能够满足农业采摘机器人对果实的抓取要求。     

城市园林自动修剪机器人动力学仿真研究

园林修剪的意义在于提升整体城市绿化与规划水平。为此,在深入理解城市园林自动修剪机器人的整体结构与工作原理的基础上,结合机构部件的运动学规律,得出修剪机器人的动力学理论模型,并根据修剪机器人各关节的工作空间,通过驱动函数与下位机程序控制,开关量输出至修剪机器人各运动执行部件开展修剪仿真作业试验。结果表明:利用机构的运动定位与补偿功能,可实现修剪机器人各关节作业定位的准确性,定位误差控制在6%左右;不同轨迹跟踪,多次目标函数优化,便于掌握各关节臂的运动角度与作业过程中的扭矩变化情况,了解自动修剪机器人实际运动轨迹及各主要执行关节扭矩与剪切力,可为相似修剪机器人的开发与改进提供一定思路。     

基于PLC的采摘机器人作业路径避障系统设计

为提高果实采摘效率,基于PLC技术设计了采摘机器人的作业路径避障系统。系统主要由信息获取系统、工控机主程序及运动执行系统等部件组成,通过PLC技术对路径规划和果实的采摘、运输进行控制,并采用改进的蚁群算法对最优路径进行规划。对采摘机器人在温室环境下进行性能测试,结果表明:采摘机器人可以实现作业路径避障,并完成果实的采摘,工作性能稳定,能够满足农户对采摘机器人的使用和性能要求。     

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。     

击打式松果采摘机器人设计与试验

针对人工采摘松果过程中存在严重安全隐患的问题,设计了一种击打式松果采摘机器人,该机器人系统主要由电机驱动模块、主控模块、视觉模块、夹持模块、采摘模块组成,视觉模块完成松果识别与定位,实时反馈给主控模块,并控制电机驱动模块,配合夹持模块和采摘模块作业实现松果采摘。采用Matlab仿真软件建立松果采摘机器人运动学模型,求解出机械臂工作空间为直径4.5 m的球体;基于冲量原理和Lagrange方程建立碰撞动力学模型,通过动态分析求解出碰撞后各关节保持原有运动规律所需的驱动力矩;运用静力学原理建立关键组件有限元模型,利用ANSYS Workbench对结构进行优化设计,优化后其安全系数最低为1.577 1,支撑关节最大变形4.148 4 mm。仿真结果表明:该机器人结构在运动学、动力学及静力学方面均满足设计要求。制作物理样机并在实验室环境下进行了松果采摘试验,样机初始状态尺寸1 000 mm×1 200 mm×1 100 mm,试验结果验证了机器人结构设计的合理性与实用性。     

多末端苹果采摘机器人机械手运动学分析与试验

提出了一种多末端采摘机器人机械手结构方案,设计了机械臂、末端执行器及其控制系统。机器人机械臂采用主从两级结构,从臂前端可挂接多个末端执行器。末端执行器能进行果实连续采摘,其结构紧凑、驱动简单、通用性好,可适用于苹果、柑橘、梨等球形水果的自动化收获。针对设计的采摘机械手具有多末端的特点,提出了果树分区采摘作业策略,一个采摘区内各个末端执行器同时连续采摘、果实集中回收。在此基础上建立了机器人机械手运动学模型,采用D-H法推导了运动学方程,运用Matlab Robotics Toolbox进行了运动学仿真验证。制作了机械手物理样机并在实验室环境下进行了机械手运动学及采摘试验,结果表明,机械手各从臂末端位置误差小于9 mm,采摘成功率为82.14%。     

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。     

黄瓜采摘机械臂运动学分析与样机试验

为提高黄瓜机械化采摘的可行性,在完成新型黄瓜采摘机器人设计的同时,针对采摘机械臂这一关键部分展开研究,并制作黄瓜采摘机械臂样机;利用机构组合的形式代替采摘机械臂通常的关节型设计形式,完成黄瓜采摘机器人的整机方案设计。对作为关键部分的采摘机械臂进行机构运动分析和研究。通过建立矢量多边形和Adams运动学仿真对机构运动过程进行分析,证明设计方案的可行性。按照采摘机械臂设计方案进行零件加工装配和控制系统设计,完成试验样机试制,并进行黄瓜采摘试验,对采摘效果进行评价和总结,得到采摘机械臂中存在的问题和缺陷,并在后续的工作中对其进行优化。     

采摘机器人作业行为虚拟仿真与样机试验

为开展采摘机器人智能防碰损作业行为及规划算法的仿真试验与验证,设计了一种基于虚拟现实的采摘机器人仿真试验系统。以葡萄采摘机器人为对象,先构建虚拟现实环境下采摘机器人及其作业场景模型,用于模拟设施果园试验环境;然后对虚拟采摘机器人进行运动学建模,运用D-H参数法解算机械臂运动学正解和逆解;再依据葡萄串形状等特性设计一种夹-托-剪式的采摘机器人末端执行器及其采摘过程控制模型;建立机械臂末端连杆与执行器之间的空间位姿变换关系,并对机械臂运动进行轨迹规划;设计并定义仿真系统各模块间的数据接口,最终基于虚拟现实平台EON开发出采摘机器人虚拟仿真系统。基于该系统进行18次葡萄防碰损采摘路径规划及夹剪行为试验,成功率达88.89%;将相关算法移植到物理样机进行43次室内试验,成功率为86.05%。结果表明,开发的仿真系统可为采摘机器人智能行为算法的测试及改进提供虚拟试验平台。     

苹果采摘机器人采摘机构优化设计

为了提高苹果采摘机器人收获空间及采摘效率,增大机器人单点作业空间,结合苹果果树特点和生长环境,采用参数化分析方法,探讨采摘距离与机械臂长度、转角和操作空间、工作空间之间的关系,优化苹果采摘机器人采摘机构结构参数。基于Matlab软件绘制苹果采摘机器人三维运动轨迹。     

数控技术在采摘机器人作业中的应用

为研究采摘机器人的数控技术,构建了欠驱动采摘机器人模型。基于农业采摘机器人成本、耗能及实地作业需求,构建的模型为后轮驱动模式,结构简单。实际工作过程中,通过车轮移动,机械手通过智能控制到达指定位置进行果蔬采摘。同时,从采摘精度角度出发对机器人的驱动及末端执行装置进行参数设计,通过PID控制实现对采摘机器人的自动采摘过程,构建出末端执行装置运动学矩阵方程,并在此基础上构建系统数控系统,实现其自动采摘等多元化功能,为后续相关研究提供参考。     

油茶果采摘机械臂工作空间分析与仿真

为了强化油茶果采摘机器人工作的稳定性,以自行研制油茶果采摘机器人为研究对象,通过对采摘机械臂结构进行分析,综合运用D-H表示法和圆柱坐标表示法建立机械臂数学模型,应用MatLab求解以该模型为基础建立的机械臂正运动学方程,仿真得到油茶果采摘机械臂工作空间。     

协同关系下多媒体运动与采摘机器人匹配设计研究

基于编码器的采摘机器人控制方法主要是通过机器视觉技术划分各机械臂的作业区间,利用编码器完成多机械臂的协同作业,此方法对图像边缘提取过程中模糊区域的边缘提取效果较差,导致采摘效率低。为此,提出协同关系下多媒体运动与采摘机器人匹配控制方法,将多媒体运动与采摘机器人图像边缘检测相匹配,采用梯度算法,通过滤波、增强、检测和定位等过程实现采摘机器人采摘目标的精确定位。在此基础上,采用基于约束的采摘机器人运动控制算法,通过采摘机器人双臂运动中位置、姿态及各关节速度间的约束关系,实现采摘机器人精确的双臂协同运动。实验表明:所提方法的图像识别和定位准确率平均值分别为98.35%和98.44%,采摘时间与其他两种方法相比分别降低12.07s和16.48s,说明此方法具有较高的识别精度和采摘效率。     

采摘机器人避障末端臂的设计与试验

在机器人实际采摘果实的作业中,机器人末端臂及末端执行器与果树枝条接触碰撞几率最高,其要具有感知碰撞的能力,从而判断原规划采摘路径的合理性,最终实现避障采摘之目的。为此,提出了一种采摘机器人感知碰撞避障伸缩末端臂,其通过转动关节与机器人大臂连接,整体相对于大臂可以进行仰俯动作,同时本身具有直线伸缩的功能,从而驱动末端执行器实现直线接近待采果实。感知碰撞结构使末端臂在上、左和右3个方向上具有感知危险碰撞的能力。通过试验改进了样机部分结构,伸缩杆运动平稳,感知碰撞结构动作可靠,并可通过调节微动开关的高度位置,能够对不同碰撞力做出反应,发出危险力的开关量信号,以适应多种果蔬的采摘作业。     

黄瓜采摘机械臂结构优化与运动分析

黄瓜采摘机器人在非结构环境中工作时,其机械臂的结构特点与运动精度将直接决定机器人作业范围和采摘成功率。针对黄瓜特定的栽培模式,结合机械臂工作空间及结构长度指标,运用参数优化法,对采摘机械臂构型和结构参数进行了优化设计。建立了机械臂运动D-H模型,实现由关节空间向笛卡尔空间的正逆变换,并确定了机械臂速度雅可比矩阵;应用三次多项式插值法,建立了机械臂关节空间运动规划模型;应用Matlab平台对优化参数进行仿真。结果表明,机械臂实际采摘范围可达到目标工作区域90.5%以上,关节位移变化曲线光滑,运动平稳。     

抚育机器人优化性设计——基于MatLab

以当前广泛应用于森林抚育采伐的抚育机器人作为研究对象,对其核心动作部件-机械臂进行优化性设计。根据运动部件的抚育原理及所要达到的育林效果,建立理论数学动力学模型,通过对各机械臂构件进行机械优化,绘制三维动作部件物理模型,并结合机械臂的协作运动控制机理及轨迹方案,对主要控制参数对比计算并选取。同时,利用MatLab分析工具,在核心控制算法理论支撑下开展试验仿真。针对抚育机器人的核心动作部件—机械臂系的软硬件系统进行改进优化,研究抚育机器人在抚育过程中的运动轨迹及部件动作变化情况,为进一步优化抚育机器人整机结构及协调性提供了改进思路和方法,并可为提升抚育机器人装置的整体工作效率提供理论参考。     

基于足球机器人控制系统的采摘结构运动系统构建分析

为进一步提升农业采摘机器人运动控制系统的准确性与平稳性,引入足球机器人控制系统的控制原理,结合农业机械采摘的结构运动控制要求,针对采摘结构的运动系统进行了构建分析。在深入理解采摘结构的运动系统原理和主要采摘部件构成的基础上,建立了基于足球机器人控制系统下的采摘运动理论模型,并对其硬件结构系统进行搭建、软件控制系统进行优化,从而进行采摘试验。试验结果表明:采摘试验时间控制在1.50～2.50min范围时,综合漏采率可控制在1.20%以下,且最小的综合漏采率可以降低至0.95%,采摘成功率可达到93%以上,验证了将足球机器人控制系统机理应用于采摘结构运动系统的可行性与平稳性。