采摘机器人执行端机械结构优化和电量模糊控制设计

末端执行器是果蔬采摘机器人的另一重要部件,通常被认为是机器人的核心技术之一。为了提高采摘机器人执行末端的工作效率,增加机器人的有效作业时间,提出了一种新的优化方法。该方法将采摘机器人执行末端采用伺服电机控制,对机器人的电量进行实时显示,以备及时充电;对机械手在运动学上进行优化设计,采用模糊控制理论实现了执行末端输出功率和电量的模糊控制。该设计缩短了采摘机器人执行末端的响应时间,降低了果实破损率,提高了作业的有效时间,为采摘机器人的现代化和自动化设计提供了较有价值的参考。     

农业机器人切削过程仿真分析——基于计算机辅助设计

利用6自由度机器人切削加工平台,讨论了该机器人与计算机辅助设计工具的数据链结构,研究了其运动控制过程,并对设计结果进行有效优化。通过介绍切削加工控制系统整体结构,构建了机器人运动学模型,并根据计算机辅助设计工具,对机器人后续优化过程的坐标转换、各关节正逆运动学计算以及机器人运动控制程序生成过程进行了深入研究。同时,对系统进行了ADAMS软件仿真,并完成了3D样件的加工。试验结果表明:该系统可以自动生成机器人运动控制程序的加工指令,直接驱动机器人末端执行刀具的运动,实现零部件的加工生产,可行性高。     

基于遗传迭代和模糊控制的采摘机器人目标追踪算法

为了提高采摘机器人目标追踪的效率和精度,在机器人视觉系统和控制系统的设计上引入了遗传迭代算法和模糊PID控制器,通过对图像处理过程和机械执行末端动作过程进行优化,可以得到更佳的采摘效果。在视觉系统对采摘图像进行处理时,可以通过遗传迭代算法对高质量图像进行筛选,并提高果实成熟度匹配的效率,果实识别后采用模糊PID控制算法对机器人执行末端进行控制,使其可以以更高的精度追踪到果实,执行采摘任务。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能试验

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3 mm和7 mm时,动态最大负重质量分别为1.33 kg和3.01 kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5 mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7 mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

夹剪一体的荔枝采摘末端执行器设计与性能测试

针对荔枝串果低损高效的机械化采摘,设计了具有单动力源驱动、夹剪一体的荔枝采摘机器人末端执行器,构建了剪切力学模型和稳定夹持力学模型,分析了夹持模块的力封闭性,推导了稳定夹持的三点接触正压力计算模型,设计了末端执行器的物理样机,并对其进行了采摘、负重和抗遮挡干扰工作性能测试试验。试验结果表明:末端执行器具有良好的夹持负重能力,串果母枝直径分别为3mm和7mm时,动态最大负重量分别为1.33kg和3.01kg;采摘时能快速剪切母枝并稳定夹持串果,平均夹剪时间为2 s,串果母枝直径5mm以下采摘成功率均为100%,串果母枝直径6~7mm采摘平均成功率为70%;具有中等抗遮挡干扰采摘能力。     

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。     

基于机器视觉的机器人智能采摘实验平台开发

针对如何实现快速、高效的采摘,提出机器人智能采摘实验平台系统,该采摘机器人依靠视觉反馈控制来识别采摘物的位置。研究机器人手臂的运动控制,构建机器人的运动学模型。分析机械手的视觉伺服控制问题,直接将图像位置误差矢量映射到所需的末端执行器速度矢量。对机器人智能采摘进行试验分析,试验任务进行171次,准确率94.67%。试验结果验证该视觉伺服控制方法在实际场景中对采摘物识别效率,提高视觉伺服系统的鲁棒性和有效性。     

基于遗传算法和EDA技术的果蔬采摘机器人设计

为了提高果蔬采摘机器人的避障和路径规划能力,实现机器人智能化和轻量化的设计,将嵌入式系统引入到果蔬采摘机器人的控制系统中,并利用EDA技术对控制系统进行了封装,植入了机器人路径规划的遗传算法。对果蔬采摘机器人的机械手进行了改进,通过机械手结构设计实现了采摘机器人执行末端的避障功能,利用遗传算法智能控制设计实现了复杂环境中的路径搜索功能。对果蔬采摘机器人的性能进行了测试,结果表明:障碍物识别率高达99%以上,路径规划的准确率也在95%以上,满足智能化采摘机器人的设计需求,为现代化采摘机器人的设计提供了较有价值的参考。     

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。     

六自由度农业采摘机器人驱动控制仿真研究

农业采摘机器人是21世纪精准农业的重要装备之一,利用仿真技术分析机器人的运行情况和合理的优化机器人是未来机器人的研究的重点.为此,采用Matlab/Simulink环境下的Simulink工具箱、SimPowerSystems模块库和powerlib模块库三者相结合的方法,建立了通用型六自由度机械手农业采摘(GMFS-360)机器人仿真模型并进行了仿真分析,利用Matlab的函数模块对机器人的运行性能进行了优化设定.然后,建立了农业采摘机器人的驱动控制系统仿真模型、定位控制系统仿真模型、速度和惯性矩系统仿真模型,实现了虚拟环境下机器人的各个旋转轴的驱动运行,通过仿真分析证明了控制算法和仿真模型的正确性.通过对农业采摘机器人仿真分析,可以直观地了解采摘机器人的构造原理及其运行状况,为农业采摘机器人的调试和具体实际操作提供理论依据和模型.     

AMR果蔬自动收获机器人动力学建模与实时控制

现代农业的高速发展促使我国农业向精细农业、精准农业的方向深入发展,由此果蔬自动收获机器人的发展进入快车道。为此,设计研发了带有6自由度机械臂的果蔬自动收获机器人AMR1。该机器人为通用型果蔬自动收获机器人,可改装各种专用末端执行器以实现专用采摘。为了验证本机器人结构的合理性与实用性,通过利用SolidWorks软件进行了实体建模,并建立了相关的运动学、动力学模型,进一步设计了6自由度机械臂的PID-SMC控制算法,实时控制机械臂末端的轨迹跟踪。通过试验仿真,验证了所提出的动力学和控制模型,为果蔬自动收获机器人AMR1的进一步应用提供了参数数据。     

基于物联网运作平台的采摘机器人组布局优化

以采摘机器人组为研究对象,针对采摘机器人组在执行采摘任务时出现的单体机器人数量、总任务数量以及单体机器人之间的相互协同作业,基于物联网对系统模型参数和任务模型参数进行优化设计。仿真试验随着采摘机器人组当中执行采摘任务单体机器人数量的增加,执行任务所需的平均时间增加;对总任务按照分配策略进行恰当的分配组合,当单体机器人数量满足任务需求时,即可在全局范围内执行采摘任务,且耗时较短;当单体机器人数量达到一定数量后,采摘机器人组系统负荷增加,采摘过程中断率明显增加。     

基于嵌入式监控的双差速驱动果蔬采摘机器人设计

为了提高采摘机器人的转弯性能和自动寻迹能力,利用双差速驱动系统建立了速度协同约束的非线性运动模型,并进行了线性优化,提出了一种基于嵌入式监控图像采集反馈信息的闭环控制模型,提高了采摘机器人移动和转弯寻迹的灵活性。针对采摘机器人双差速的路径寻迹问题,建立了机器人输入、输出的非线性运动模型,并分析了冗余运动约束和系统运动约束条件,通过控制姿态偏差和距离偏差,结合嵌入式监控系统的反馈信息,实现机器人移动和寻迹的反馈调节。对采摘机器人的采摘性能进行了测试,测试项目主要包括寻迹能力和路径规划的耗时。通过测试发现,机器人可以实现较高精度的路径寻迹功能,路径规划耗时短,系统稳定性好。     

高架栽培草莓采摘机器人系统设计

为了提高草莓采收自动化水平,针对高架栽培草莓设计了自动采摘机器人系统,其采用无线遥控和语音提示相结合的人机交互方式,可以对机器人本体两侧果实同时进行采摘。该系统采用机器视觉和声纳测距相结合的方式实现了自主导航,通过双目视觉相机对果实进行识别和空间定位,由关节型机械臂操纵末端执行器进行定位。系统末端执行器采用果实吸附、果柄夹持和电热切割的方式对果实进行柔性操作。针对系统控制方案,制定了采摘机器人系统作业流程,并对机械臂末端运动路径节点和时间节拍进行规划,防止与周围环境发生运动干涉,保证机器人作业效率。试验结果表明,草莓采摘机器人系统末端定位平均误差小于2.2mm,单次采摘作业平均耗时10.99s。     

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%。     

番茄采摘机器人末端执行器的硬件设计

设计的基于多传感器信息融合和开放式控制的智能型番茄采摘机器人末端执行器,其硬件主要包括执行系统、感知系统、控制系统和供电系统,执行系统中真空吸盘装置使果实从果束中分离,手指夹持机构对番茄可靠抓持,果梗切断装置利用激光对果梗进行切断.该末端执行器设计质量为1.2 kg,完成一次采摘动作只需3 s.只需更换联接板,即可与其他机械手顺利联接.     

果蔬采摘机器人末端执行器研究综述

从果蔬采摘的特点出发,综述了国内外各种果蔬采摘机器人末端执行器的研究现状及特点,指出末端执行器的通用性与系统成本、使用成本之间的矛盾是制约采摘机器人发展与应用推广的关键难题.提出将欠驱动多指手作为果蔬采摘机器人的末端执行器,同时分析了欠驱动多指手国内外研究现状,并从欠驱动多指手的机构特点、抓取模式和综合成本等方面说明了这一思路的可行性.     

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。