基于旋量理论的混联采摘机器人正运动学分析与试验

为满足油茶果机械化、自动化采摘的要求,避免利用传统的Denavit-Hartenberg(D-H)参数法对机器人进行运动学分析时的缺陷,提出了一种基于旋量理论构建混联采摘机器人运动学方程的方法。根据混联采摘机器人机械臂的结构特点进行简化;基于所提出的方法建立了机器人正运动学方程,获得末端执行器的位置正解;随机选取5组关节变量值,得出末端执行器在基础坐标系各坐标轴上的最大绝对位置误差为10.4 mm,远小于末端执行器200 mm的开度,满足该机器人末端执行器的采摘工作要求,验证了通过文中所提出的方法建立混联采摘机器人运动学正解方程的可行性及方程的正确性。该研究可为后续开展混联采摘机器人控制方法和轨迹规划研究提供参考。     

基于关节构形空间的混联采摘机械臂避障路径规划

针对混联采摘机器人在非结构性环境中进行避障采摘作业的要求,该文提出了一种基于关节构形空间的混联采摘机械臂避障路径规划算法。根据机械臂和障碍物的几何特征,对机械臂及障碍物模型进行合理简化,通过分析末端执行器目标点和串联机械臂结构参数选取合适的并联机械臂动平台目标点,然后采用遍历法构建串联机械臂关节构形空间,并利用快速扩展随机树(rapidly-exploring random tree,RRT)算法搜寻串联机械臂无撞路径,再通过同样的方法获得并联机械臂关节空间障碍物映射模型和无撞路径,最后综合串、并联机械臂的无撞路径,获得混联机械臂整体的避障路径。仿真和试验结果表明,文中所提出的算法搜索的避障路径能够驱动采摘机械臂避开工作空间内的障碍物,引导末端执行器到达目标点。     

立体苗盘管理机器人的机械臂参数优化与试验

为使立体苗盘管理机器人的机械臂能够在植物工厂狭窄的作业环境下,灵活、高效地完成目标工作空间的所有搬运和喷洒动作任务需求,同时尽量减小机械臂的操纵空间和结构尺寸,采用理论与试验相结合的方法对机械臂参数进行了优化设计。首先采用D-H法建立了机器人的运动学模型,然后通过工作空间分析确定出优化参数的工作空间约束条件。在此基础上,以"距离最短"和"结构紧凑"为性能指标建立目标优化函数,并利用遗传算法求解出最优的大臂杆长648 mm、中臂杆长472 mm和小臂杆长396 mm,最优机械臂关节转角极限值为96°、68°和126°。最后进行机器人样机的搬运和喷洒运动规划试验,并借助高速摄像系统标记机械臂末端运动轨迹坐标。试验结果表明:优化后的机械臂能够到达目标工作空间的所有极限位置及其他特征位置点,最大绝对定位误差为9.8 mm,最大相对定位误差为0.98%,在允许的误差范围内,能够满足机械臂工作空间对目标工作空间的有效包容。     

西瓜采摘末端执行器夹持力精确控制

为实现西瓜的机械化采摘,该文提出了采用液压驱动型末端执行器采摘大型果实的思路。在抓取西瓜时,为避免末端执行器夹持力不稳定引起的果实损伤,需对夹持力进行精确控制,该文建立了末端执行器负载模拟平台和AMESimSimulink联合仿真模型,模拟西瓜采摘夹持力的加载情况。针对执行器夹持力加载过程中位置控制系统对力控制系统产生干扰,影响夹持力精确加载的问题,该文基于速度同步控制原理,设计了简化的加载误差补偿环节,开展了加载误差补偿理论、仿真及试验研究。结果表明,速度同步控制方法能够有效地减小加载误差,提高末端执行器负载模拟精度。该研究可为末端执行器输出力的精确控制和抓取控制策略提供参考。     

欠驱动关节型柑橘采摘末端执行器设计与试验

末端执行器是水果采摘机器人的核心部件，由于目前水果采摘对象种类繁多，结构及参数固定的采摘末端执行器无法适应多场合采摘作业需求。该研究设计了一种欠驱动关节型采摘末端执行器，模拟人手包络采摘动作，并以柑橘为对象模拟球型果实对末端执行器进行结构设计。为改善此类末端执行器重复设计情况，并提升采摘适用性，提出一种基于改进遗传算法的参数化设计方法。运用 Microsoft Visual Studio 2012开发平台设计参数化界面，采用改进遗传算法结合NX的二次开发模块 NXOpen对末端执行器进行结构参数优化，并基于Adams对优化后的采摘末端执行器进行动力学仿真分析，验证了优化后的末端执行器采摘范围较优化前提升了29.1%。制作物理样机并分别进行室内与果园柑橘采摘试验，果径68～106 mm的柑橘采摘成功率达到92.9%，平均采摘单个柑橘用时7.3 s。所设计的末端执行器针能够针对不同果径的球形果实时做出快速变形反应，适合苹果、梨等不同种类球型果实采摘作业。采用遗传算法应用至优化机构工作参数，提高了机构设计的准确性与适用性。     

脐橙采摘机器人末端执行器设计与试验

针对脐橙无损采摘的需求,基于欠驱动原理设计了一种双V型手指脐橙采摘机器人末端执行器,主要由吸附机构、夹持机构和旋切机构3部分组成,吸附机构可以实现果实与果簇快速分离,夹持机构能够对果实进行无损稳定夹持,旋切机构可以将果实与果梗快速分离。建立脐橙数学模型并分析了手指工作空间。依据夹持机构的受力分析,并对关键部件进行了选型。结合电阻式薄膜压力传感器设计了手指的力反馈系统,使夹持机构达到稳定无损采摘要求。搭建末端执行器实体样机,以步进电机转速为因素,以单果采摘时间、采摘成功率和损伤率为指标,进行了105次采摘试验,根据试验结果,选取250 r/min作为最佳步进电机转速,此时单果采摘时间为1.76 s,采摘成功率为94.28%,损伤率为0。该文研究的脐橙采摘末端执行器采摘速度高、控制难度低、与机械臂集成度高,可为脐橙采摘机器人的整体研发提供参考。     

连续体采摘机械臂末端静态承载姿态等效模型建立与验证

针对连续体采摘机械臂收获作业中末端负载时的姿态变形问题,该文提出一种求解连续体采摘机械臂末端负载姿态变形的等效方法,结合大挠度变形理论和单位力原理建立了连续体采摘机械臂负载姿态变形的标准数学模型函数,通过建立系统性多参数承载性能试验,验证了所提出的弯曲姿态变形函数模型的准确性,其误差均在7.8%范围内。分析归纳了连续体采摘机械臂在不同弯曲角参数和末端负载质量参数对模型误差的影响规律,并根据负载性能试验结果得出分析可知,连续体采摘机械臂末端负载时为50 g时,其理论模型姿态与试验姿态末端位置误差最小可至3.8%,负载质量的增加至150 g时,其误差最小可至7.2%,该研究可为连续体采摘机械臂收获作业的准确定位提供可靠的控制理论基础。     

基于旋量理论的六自由度林果采摘混联机械臂运动学逆解

针对传统Paden-Kahan子问题求解机械臂运动学逆解时需确定关节轴线交点坐标的问题,对该子问题进行改进。利用末端执行器位姿信息获取轴线交点坐标,建立物体坐标与末端执行器期望位姿的映射关系,结合子问题求解6自由度林果采摘机械臂运动学逆解;根据主动关节变量取值范围分析所求逆解的可行性,得到可行封闭解,提高机械臂控制速度、稳定性和准确性。在实验室环境下利用所提出的算法求解10组工作目标位置信息对应的关节值,结果表明,所求逆解能使林果采摘机械臂到达正确位姿,末端执行器最大位置误差不超过夹持器最大开度的3.30%,最大姿态误差不超过1?,满足采摘要求。该算法为机械臂快速、稳定及精确地控制提供技术依据。     

机器人柔性抓取试验平台的设计与抓持力跟踪阻抗控制

为减小机器人在采摘过程中对果蔬的损伤,设计了机器人柔性抓取试验平台,提出了一种适合末端执行器双指抓取果蔬的抓持力跟踪阻抗控制算法,该算法将末端执行器抓持果蔬系统等效为阻抗-导纳模型,使手指力/位控制等效为期望的惯量-阻尼-刚度模型,可按需调节其参数实现抓持力与位置的动态关系。期望抓持力与采集果蔬实际接触力的偏差作为外环力阻抗控制器的输入,控制器生成对内部位置环参考轨迹的校正量。该算法仅考虑沿末端执行器双指夹持果蔬方向,避免了使用多自由度机械臂阻抗控制算法的复杂性,提高了控制的实时性,同时对抓取系统模型的不确定和力扰动具有较强的鲁棒性。机器人抓取试验证明了双指抓持力反馈阻抗柔顺控制算法的有效性,可实现机器人柔性抓取,减小抓取果蔬损伤和保证品质。该研究可为农业机器人无损抓取和采摘提供关键技术。     

果蔬采摘机器人末端执行器的柔顺抓取力控制

为了尽可能减小采摘机器人末端执行器在采摘过程中对果蔬的损伤,提出了一种基于广义比例积分(GPI,generalized proportional integral)的抓取力矩控制方法。首先,对由电机驱动的末端执行器建立模型,推导出电机输入电压与负载力矩之间的数学关系;然后,利用积分重构器设计GPI力矩反馈控制器,将力偏差转化为电机的输入电压控制。该方法不需要对力矩跟踪误差进行求导计算,避免了求导所带来的系统延时和噪声问题。仿真和实物抓取试验结果表明,采用GPI的末端执行器力矩控制对跟定信号的跟踪误差达到10-3量级,具有良好的力矩跟踪能力,与传统PI(proportional integral)控制方法相比,其控制力矩和电机控制电压输出平稳,降低了末端执行器抓取时对果蔬的损伤,无损采摘效率达到90%,比PI控制的采摘完好率高出8个百分点,适合于对果蔬的柔顺抓取控制。该研究可为果蔬采摘机器人无损采摘提供参考。     

芒果采收车机械臂运动特性分析及试验

为提高芒果采收车机械化采摘的适应性，该研究采用多体动力学理论方法对其机械臂的运动特性进行分析。首先，结合芒果生长和农艺特征及采摘机械臂几何构型与向量特性，运用D-H法建立了机械臂运动学模型以探索其运动特性，并进行末端执行器运动轨迹规划。轨迹规划结果表明末端执行器运动平稳，满足芒果采摘运动要求。进一步地，利用拉格朗日法构建了机械臂的动力学模型，对其进行了正逆动力学仿真验证，以深入了解机械臂的关节运动特性。动力学分析结果表明，在恒力矩工况下，伸缩装置和摆动装置的运动呈现一定的周期性，摆动装置、旋转装置角加速度和伸缩装置加速度均约在1.25、2.3、4.15 s达到阶段峰值；在仅做摆动周期运动的情况下，旋转装置、摆动装置所受驱动力矩均近似呈周期性变化，峰值分别为72.5与52 N·mm，且在一个运动周期内，均有两个极大值点。对机械臂结构进行仿真模态计算和模态试验，结果表明前六阶固有频率误差在5%以内，验证了芒果采收车机械臂多体动力学仿真建模的准确性。研究结果可为保证有效实现机械臂的采摘效果及提高其可靠性与稳定性提供依据。     

番茄串收机械臂运动规划方法与试验

番茄串的采收环境复杂,果实体积相对较大,机械臂采收运动路径规划不仅要考虑如何采摘,还需要考虑采摘后如何避开障碍,并从复杂环境中提取出番茄串。为此,该研究以温室栽培的番茄串采摘为对象,提出了基于空间分割的实时运动路径规划算法。首先通过聚类拟合环境中的枝条,简化空间障碍物;然后分割采摘空间,筛选可行采摘空间,并引入评价函数选取最优采摘空间,指导机械臂以合理有效的姿态完成采摘;最后在采摘任务的基础上加入实时避障子任务,引导机械臂躲避障碍完成任务,保证采摘番茄串任务安全无损。在以上研究的基础上,通过大量采收试验验证算法的有效性。试验结果表明:通过基于空间分割的实时运动路径规划算法,采收机器人的单串番茄采摘时间为12.51 s,且采摘成功率接近100%。与目前主流的采样算法RRT*-connect相比,单串番茄的采摘时间降低了31.23%,大幅提高了采摘效率。     

六足农业机器人并联腿构型分析与结构参数设计

为拓展六足机器人在农业领域的应用,将并联机构用于六足机器人的腿部结构,从而使其可以用于山地、林地、丘陵等环境的农业运输、种植、采摘等。首先,对六足机器人并联腿部机构进行了构型分析,选择2-UPS+UP机构作为腿部的初步机构原型;其次,依据螺旋理论,对2-UPS+UP机构进行了转动解耦性优化和变异,提出了一种转动解耦的UPR+UPS+UP机构;之后,通过对该机构进行运动学分析,建立了该机构位置逆解模型与速度映射方程;最后,对UPR+UPS+UP机构的工作空间进行了分析,绘制了工作空间三维图,通过分析设计参数对工作空间的影响,确定了一组性能较好的结构参数,该研究为并联腿部机构农业六足机器人的进一步研究提供了参考。     

基于偏好人工免疫网络多特征融合的油茶果图像识别

为提高油茶果采摘机器人机器视觉的识别率,该文提出了基于偏好人工免疫网络识别的油茶果多特征融合识别方法。在对油茶果图像进行处理的基础上,提取待识别目标区域的颜色特征、形态特征、纹理特征进行聚类,并提取典型油茶果多特征作为偏好抗体,使多特征参数在偏好免疫算法中进行有效融合。仿真试验结果表明,多特征融合的识别方法对油茶果果实的识别率在晴天时达到了90.15%,阴天时达到了93.90%。而时间复杂度基本不变,取得了较好的识别效果,该研究可为下一步油茶果采摘机器人智能采摘提供参考。     

主动悬架轮腿式全地形移动机器人俯仰姿态闭环控制

农业机器人在作业时,不可避免的会出现位姿（质心位置与姿态）的变化。为了实现对其位姿的控制,降低复杂路面对机器人姿态的影响,确保机器人的行驶稳定性,基于汽车多连杆独立悬挂系统,设计了一款轮腿式全地形移动机器人。首先在建立轮腿机器人控制运动学模型的基础上,通过矢量法和欧拉公式得到了1/2整机逆运动学模型,进而求出机身运动俯仰角、作动器工作长度与各腿关节转角的变换关系,并对轮腿机器人的位置和姿态进行解耦控制。为了确保机器人运动学控制模型以及运动学逆解的可靠性,在理论模型的基础上加工了1/4台架并进行了单腿运动学标定与运动学控制验证,结果表明仿真数据与试验数据基本吻合,最大误差控制在1.5%以内。在单腿运动学控制模型正确的基础上,采用比例控制算法在MATLAB中搭建整机轮腿机器人俯仰姿态控制策略,在满足轮腿机器人质心位置不变的条件下实现其俯仰姿态闭环控制;最后在ADAMS中构建轮腿机器人虚拟样机模型,利用MATLAB和ADAMS平台搭建轮腿机器人整机俯仰姿态闭环控制联合仿真模型,仿真结果表明轮腿机器人的俯仰姿态与质心位置均有很好的跟踪效果,其中质心位置误差、姿态误差分别控制在0.2%、2%,结果验证了所述轮腿机器人俯仰姿态闭环控制策略的正确性。