基于逆运动学降维求解与YOLO v4的果实采摘系统研究

为提高采摘设备的执行效率，采用六自由度机械臂、树莓派、Android手机端和服务器设计了一种智能果实采摘系统，该系统可自动识别不同种类的水果，并实现自动采摘，可通过手机端远程控制采摘设备的起始和停止，并远程查看实时采摘视频。提出通过降低自由度和使用二维坐标系来实现三维坐标系中机械臂逆运动学的求解过程，从而避免了大量的矩阵运算，使机械臂逆运动学求解过程更加简捷。利用Matlab中的Robotic Toolbox进行机械臂三维建模仿真，验证了降维求解的可行性。在果实采摘流程中，为了使机械臂运动轨迹更加稳定与协调，采用五项式插值法对机械臂进行运动轨迹规划控制。基于Darknet深度学习框架的YOLO v4目标检测识别算法进行果实目标检测和像素定位，在Ubuntu 19.10操作系统中使用2000幅图像作为训练集，分别对不同种类的果实进行识别模型训练，在GPU环境下进行测试，结果表明，每种果实识别的准确率均在94%以上，单次果实采摘的时间约为17s。经过实际测试，该系统具有良好的稳定性、实时性以及对果实采摘的准确性。     

油菜角果抗裂角性二自由度碰撞测试方法研究

为了筛选更利于机械化收获的油菜品种,提出了二自由度油菜角果抗裂角性碰撞测试技术。该文对二自由度碰撞测试仪的结构原理、参数设计、机构运动特性进行分析,并对二自由度碰撞与摇床碰撞下的钢球运动进行EDEM仿真;对二自由度碰撞的适宜碰撞参数进行研究,且对二自由度碰撞法与摇床随机碰撞法、田间角果与剪取后干燥角果的抗裂角性分别进行对比试验。研究结果表明:摆动电机转速60 r/min、移动电机转速75 r/min为适宜碰撞参数;二自由度碰撞法(平均标准偏差0.025 6)比摇床碰撞法(平均标准偏差0.020 3)结果重复性更好,且二自由度碰撞对抗裂角性较好的品种区分度更好;而同含水率水平下的田间油菜角果抗裂角性(抗裂角指数范围0.013～0.553)相比于干燥后角果抗裂角性(抗裂角指数范围0.008～0.948)要差,二者结果差异显著(P=0.010.05),田间角果测试可以更为真实的反映出角果的抗裂角性,研究结果为不同油菜品种抗裂角性的评价测试提供参考。     

一类6自由度Delta型机器人运动学分析

为满足工业机器人多角度操作需求,提出了一类具有3组耦合分支,且对称分布的6自由度Delta型机器人。首先,将每组耦合分支拆分为独立运动单元,并等效为串联运动链,基于旋量理论求出等效后的运动自由度;其次,利用闭环矢量回路法分别计算耦合分支中每条主动链的位置逆解,建立机器人的逆运动学模型;在此基础上,提出一种搜索算法,用于描绘满足边界条件的机器人运动空间,并与相同尺度参数的3自由度Delta机器人进行对比。结果表明,3自由度Delta机器人的运动空间是所提机器人工作空间的子集。最后,根据理论分析,完成了工程样机的搭建与运动实验,实验结果表明,该Deta型机器人具有6个自由度运动能力,且所提运动空间搜索算法具有较高的计算精度。     

直流电机驱动农用履带机器人轨迹跟踪自适应滑模控制

为了提高农用履带机器人轨迹跟踪控制的性能,将履带机器人模型视为由电机驱动方程和运动方程组成的级联系统,在考虑了履带机器人运动学模型和电机驱动模型动态特性的基础上,构建了一种变倾斜参数的自适应积分滑模切换函数,基于这个函数设计了由等效控制和切换控制组成的自适应滑模控制,将机器人的位姿误差以及在线辨识的驱动电机时变不确定参数反馈至控制器中,计算出左右轮驱动电机的期望角速度,控制履带机器人运行。田间试验结果表明,当机器人分别以1,3,4 m/s速度运行时,在运动方向距离误差、侧向距离误差和航向角的误差分别在-0.04~0.04 m,-0.09~0.07 m和-0.03~0.05 rad范围内。因此,基于电机驱动的机器人自适应滑模控制具有良好的控制精度,能够满足田间实际作业的要求。     

籽棉碰撞模型中恢复系数的测定及分析

为建立籽棉与其收获及处理机具工作部件间发生碰撞时的碰撞模型,采用基于运动学方程的恢复系数测定装置,对籽棉恢复系数进行测定及分析。不同下落次数的籽棉恢复系数通过下落实验进行测试,实验装置下落高度范围200～400 mm、材料厚度2～6 mm,考察材料为Q235钢、铝合金、有机玻璃和橡胶的碰撞。针对含水率为12.54%的"中棉6913"籽棉品种,采用L8(41×24)混合正交试验方案研究碰撞材料、材料厚度、自由下落高度和籽棉个数四因素对籽棉恢复系数的影响,然后针对碰撞材料、下落高度和材料厚度进行单因素试验,并获得下落高度和材料厚度对恢复系数的影响规律及回归方程。试验结果表明,影响籽棉恢复系数因素的显著性顺序为:碰撞材料下落高度材料厚度籽棉个数;其中籽棉个数对恢复系数影响不显著。由单因素试验结果可得:籽棉与碰撞材料之间恢复系数顺序为:Q235铝合金有机玻璃橡胶;在试验范围内,籽棉恢复系数随着下落高度的增加而近似线性减小;随碰撞材料厚度的增加先呈显著增大后缓慢增大。上述结果可为籽棉收获及处理机具中相关工作部件的合理设计及籽棉与机构联合仿真提供理论参考。     

烟兜挖掘装置的运动学分析与试验

针对丘陵山区烟叶收获后根系去除作业劳动强度大,机械化效率低的问题,结合液压回路设计了一种烟兜挖掘装置.以烟兜挖掘机构为研究对象,根据其结构特点,将烟兜挖掘过程分为伸出、保持、收回3个阶段,建立了运动学姿态状态空间,并对铲刀的运动状态进行了运动学理论分析,得出了液压缸活塞杆的伸出运动速度对挖掘深度的影响有显著作用.利用三维建模技术及虚拟样机仿真技术对该机构的运动状态进行了数值分析,验证了挖掘铲在微耕机前进速度以及伸出姿态时间、保持姿态时间、收回姿态时间一定的条件下,挖掘深度随活塞杆伸出速度增大而增大的关系,同时也验证了活塞杆伸出速度与挖掘铲水平位移无明显关系.为了验证理论、仿真分析的准确性和该装置的性能,在西南大学烟草种植实践基地进行了田间试验,将田间试验结果与仿真数据进行对比,挖掘深度的相对误差在7%～12%之间,表明了理论、仿真分析的正确性以及该装置能基本满足挖掘性能要求.     

关于点的合成运动中的两个问题

本文讨论了在合成运动中，动点与动参考系的选取，相对运动轨迹对计算点的绝对速度和绝对加速度的影响．证明了相对运动轨迹只对点的绝对加速度计算有影响，阐明了选取动点和动参考系的原则．     

蒜种盒机械投放过程运动学分析与参数优化试验

针对种盒式大蒜播种方案,为检验倾斜输送带式蒜种盒投放方式的可行性,设计了预植蒜种的可降解蒜种盒和输送带式种盒投放试验台。对蒜种盒投放过程进行了运动学分析,建立了蒜种盒运动速度、输送带倾角与投放后相邻蒜种盒间隙等相关参数间的数学模型,明确了蒜种盒投放间隙的影响因素及变化规律。通过蒜种盒投放过程的受力分析,确定了蒜种盒触地后不与地面产生滑动的条件和方法。为了验证理论分析结果和大蒜播种方案的可行性,进行了输送带倾角、行驶速度等单因素试验和正交试验,结果显示,输送带倾角为30°、试验台运动速度为0.75 km/h,投放效果较好。输送带倾角对前后蒜种盒投放后的间隙影响显著,通过优化蒜种盒长度两端尺寸,可有效消除投放后蒜种盒衔接间隙,保持播种株距稳定。     

收获期马铃薯块茎碰撞恢复系数测定与影响因素分析

为了建立马铃薯块茎在土薯分离机构和振动筛上发生碰撞时的碰撞模型,该文基于质点对固定面的碰撞动力学理论在自制测定装置上对马铃薯块茎碰撞恢复系数进行了试验测定。对块茎碰撞恢复系数的主要影响因素碰撞材料、下落高度、块茎质量、含水率、跌落方向和马铃薯品种等进行了混合正交试验和单因素试验。混合正交试验结果表明,各因素对马铃薯块茎碰撞恢复系数的影响顺序为:碰撞材料、下落高度、块茎质量、含水率、跌落方向和马铃薯品种,其中碰撞材料、下落高度、块茎质量和含水率影响较为显著。单因素试验结果表明,马铃薯与65Mn钢、橡胶、马铃薯和土块间块茎碰撞恢复系数依次减小,其中新大坪的值分别为0.791 2、0.710 5、0.663 2、0.525 3,陇薯7号的值分别为0.762 7、0.695 2、0.690 4、0.563 1;马铃薯块茎碰撞恢复系数随着下落高度、块茎质量和含水率的增加而减小,回归方程决定系数均大于0.9。研究结果可为马铃薯收获机挖掘及土薯分离装置关键部件的优化设计提供参考。     

双端曲面齿轮式柱塞泵运动特性分析与实验

为解决斜盘式柱塞泵摩擦副的磨损问题,提出了一种新型轴向柱塞泵,用双端曲面齿轮代替了斜盘,用齿轮副代替了摩擦副。利用端曲面齿轮副传动原理建立了单柱塞、六柱塞双端曲面齿轮式柱塞泵的运动特性数学模型,得出了柱塞运动规律。通过ADAMS虚拟样机建立了柱塞泵运动特性仿真模型,验证了新型柱塞泵柱塞运动的可行性。利用LH-050型激光位移传感器对柱塞泵运动特性测试实验台进行了相关测试,通过实验测试结果和理论值对比发现:实验数据与理论计算值吻合较好,误差控制在5%以内,证明了柱塞泵运动特性理论模型的正确性。