5自由度机械臂的结构设计及参数优化

机械手采摘成功率与采摘范围不仅取决于机械手臂结构尺寸和特点,还与控制精度有关。文章结合棉花采摘的作业要求,对一种5自由度机械手臂进行了结构设计,并运用Matlab软件的Optimization Tool对机械手的变量进行了参数优化。     

棉花采摘机械手机构设计及参数优化

针对国内棉花采收存在的问题,提出了运用棉花采摘机械手代替人工和采棉机采收的方法。在对棉花农业特性及收获特性分析的基础上,结合新疆棉花种植模式以及棉花采摘要求,遵循机械手设计原则,设计了一种5自由度多行采收的关节型棉花采摘机械手。为使机械手能够高效灵活地收获目标空间棉铃,尽可能减小机械臂的操作空间和结构尺寸,结合采摘对象棉铃的生长分布空间和作业要求,分析了在给定空间下的设计变量、优化目标和约束条件,建立了优化设计的数学模型,并利用MatLab优化工具箱进行编程,实现了棉花采摘机械手的机构参数优化。     

柔性机械手机械结构与自适应控制全局优化设计

针对柔性机械手研究中未将控制器和机械结构之间的耦合同时加以考虑的问题,在整体优化目标下,通过使用适用于各种几何约束的自适应迭代算法来获取机械臂状态和控制器参数,以结构优化为外循环,以LQR控制律优化为内循环,设计了全局优化设计方法,将柔性机械手机械结构的设计与控制算法的设计有机结合在一起.并以单关节柔性臂的设计为例进行了仿真,仿真结果表明,将控制律与结构优化综合考虑的方法有效、可行.     

基于卷积神经网络的采摘机械臂无碰撞运动规划研究

介绍了卷积神经网络的基本结构及其工作原理，基于DH参数法建立了采摘机械臂运动模型，并设计了一套采摘机械臂无碰撞运动规划算法，旨在实现对采摘机械臂的精确控制。MatLab仿真试验表明：采摘机械臂在系统的驱动控制下，能够准确从起点移动到目标点，轨迹比较圆滑，且能以最优的圆弧路径避开障碍物，优化效果明显，能够满足采摘机器人作业需求，证实了该算法的稳定性和可靠性。     

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。     

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。     

新型具有力感知的柔性果蔬采摘机械手研究

研发了基于设施农业的果蔬采摘机械手,包括具有3个旋转关节自由度的采摘机械臂及具有力反馈功能的三指果蔬采摘末端执行器,并对其控制系统进行了开发。通过采摘模拟试验,验证了其作业性能、采摘效果。试验结果表明:采摘机械手各关节与控制系统配合良好,运行稳定;采摘末端执行器手指控制灵活,传感器响应灵敏,能够实现稳定抓取并不损伤果实,具有推广价值。     

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%。     

名优茶采摘机器人机械手结构参数优化与仿真

为提高名优茶采摘机器人采摘效率,减小机械手的操作空间和结构尺寸,基于名优茶特性、采摘要求以及结构化茶园种植模式,设计一种4自由度关节型名优茶采摘机械手。根据名优茶生长分布空间以及采摘机器人移动平台结构,确立机械手几何工作空间,然后以机械手工作空间主截面包络面最优为目标函数,以轨迹区域约束、杆件尺寸和关节角度限制为约束条件,建立机械手结构参数优化模型,采用MATLAB优化工具箱来求解。最后通过蒙特卡洛法以及MATLAB机器人工具箱对机械手工作空间进行仿真验证。结果表明:优化后的机械手能包容名优茶采摘所要求的全部目标空间。该研究为名优茶采摘机械手进一步分析奠定基础。     

葡萄采摘4-DOF机械臂设计与虚拟样机仿真

为实现篱架式栽培的食用葡萄自动化采摘,设计了一种关节型四自由度(4-DOF)机械臂,并利用DH参数法建立机械臂的连杆坐标系。通过MatLab里的Robotics Toolbox建立机械臂的数学模型,对机械臂的正、逆运动学进行仿真,对末端执行器走直线轨迹进行了轨迹规划。利用ADAMS建立机械臂的虚拟样机,将轨迹规划仿真数据作为驱动,进行动力学仿真,获得夹持2kg葡萄时腰关节、肩关节、肘关节及腕关节所需驱动力矩分别为95、52、48、12N·m,从而为采摘机械臂的物理样机制造与采摘试验提供了技术依据。     

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。     

六自由度水果采摘机械臂结构设计与试验

首先从数学模型建立、正运动学和逆运动学几个方面对水果采摘机械臂总体设计状况进行分析,随后重点分析六自由度水果采摘机械臂的主要结构及参数设计计算,对六自由度水果采摘机械臂的运动和任务进行设计规划,最后分析机具的实际效果及创新点,通过搭建采摘试验平台,对规划设计结果进行综合分析。研究中选取3kg六自由度机械臂作为研究对象,构建机械臂采摘运动模型,随后使用第五关节分离法解决机械臂自适应调整问题,并计算验证机械臂运动中的轨迹,最后使用试验分析方法对采摘效果和时间进行验证分析,采摘机械臂可以直接利用双目识别以及定位系统所提供的坐标,实现运动规划并完成果实采摘。采摘试验分析发现,单果采摘时间为25.5s/个,多果实采摘中使用关节角加权最小设定连续采摘任务,能够促进果实采摘时间的逐渐降低,提升采摘效率,降低生产成本与能耗。     

基于农业生产的采摘机械臂节点控制系统研究分析

大规模种植多采用垄作栽培方式,且因多种农作物不定期成熟的生长特点,使得人工进行采摘劳动强度和作业量都非常大,研发出一种代替人工的机械则非常必要。采摘机械人的主要机构是机械臂,采用关节型机械臂可以很好地避开植株的茎干,确保机械臂定位精确,保证采摘成功,因而关节节点的控制至关重要。本研究采用5自由度的关节型机械臂,以气动柔性驱动控制关节,为减少机械臂的操作空间,对机械臂结构参数进行优化。通过试验验证节点控制系统的准确性,结果表明:5自由度控制的关节型机械臂可以灵活避开障碍并可以精确、缓冲地采摘果实。     

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。     

便携式棉花采摘机械手结构参数优化研究

我国作为棉花种植的大国,各地区棉花的采摘存在较大的差异,导致棉花采摘的成本增高,效率低下。在对新疆棉花采摘过程所面临的问题进行研究,结合当地采摘要求,对便携式棉花采摘机械手进行优化设计。在给定的约束空间下,综合考虑自由度、作业区域、作业效率、机械手长度及转角等多方面因素后,构建采摘机械手范围的函数模型,利用MATLAB工具箱对模型进行优化计算,求解采摘机械手的结构参数。优化后的结果为:大臂长L_4=380 mm,小臂长L_5=420 mm,大小臂的范围角分别为:θ_(4max)=134°和θ_(5max)=116°,优化后的采摘机械手操作简便,具有高自由度,能够灵活作业,可同时采摘四行棉花且避免重复作业,效率大幅提高,并且能达到97.5%的落地棉率。同时,便携式采棉机械手价格较低,可被大部分种植农户接受,具于广阔的应用空间。     

农业采摘机器人发展分析及前景展望

随着中国经济结构的改革，农村人口老龄化日趋严重，农村年轻劳动力也向城市转移，在此背景下，迫切需要用机器代替人工进行农作物采摘。结合近阶段国内外的研究成果，对苹果采摘机器人、彩椒采摘机器人、葡萄采摘机器人和番茄采摘机器人的研究现状进行了梳理和总结，并对其中的关键技术：目标果实定位技术和机械手技术进行了分类介绍，对机械手技术中的机械臂技术和末端执行器进行对比梳理，并对未来农业采摘机器人的发展趋势进行了展望。     

关节型果蔬采摘机械臂优化设计与试验

针对现有采摘机械臂存在的问题,研制了四自由度的关节型果蔬采摘机械臂.为使机械臂能够灵活高效地收获目标空间果实,同时尽量减少机械臂的操作空间和结构尺寸,提出了一种应用于采摘空间为任意立方体,通用的关节型机械臂结构参数优化方法:以工作空间为约束条件,建立优化设计的数学模型,并利用Matlab优化工具箱来实现.为验证优化方法...     

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,...     

基于RBF网络的果蔬采摘机器人运动轨迹控制研究

为了提高果蔬采摘机器人机械手运动的精确性,提高机器人移动的效率,提出了一种基于遗传算法和RBF网络的机器人运动轨迹控制方法,并对果蔬机器人机械手的活动和整体的移动轨迹进行优化,有效地提高了果蔬采摘机器人的工作精度和作业效率。为了验证设计的采摘机器人的可靠性,在大棚内对机器人的采摘性能进行了测试,包括机器人移动路径规划和机械手路径规划。通过测试发现:使用RBF神经网络算法可以有效地控制机械手在三维空间内的运动;在遗传算法控制下,机器人可以通过较少的计算次数利用神经网络算法搜索得到最优路径,计算精度达到了99%以上。其计算精度及效率高,为高效果蔬采摘机器人的设计提供了较有价值的参考。