农业机器人移动平台行进方式综述

农业机器人移动平台主要应用于环境复杂的农田场景中,因此对机器人平台的作业稳定性和环境适应性提出了更高的要求。而农业机器人移动平台的行进方式是影响其稳定性和适应能力的关键因素,主要论述了农业机器人的常见行进方式,并对各种行进方式的优缺点和控制方法的稳定性进行了分析。农业机器人移动平台行进方式主要包括轮式、履带式、腿式以及混合式等。轮式农业机器人行走灵活,技术成熟,控制和驱动简单,是最常见和研究最多的行进方式,但是其对复杂农田环境的适应能力较弱;履带式农业机器人主要用于相对复杂的地形,擅长应对田垄等不平整地面场景,对地形的适应能力更强,但对履带的材质和构型要求较高;腿式农业机器人尽管可以适应大部分地形,但是其关节处自由度过高,控制复杂;混合式农业机器人可以结合多种行进方式的优点,但是须要考虑面对复杂地形时各行进方式的合理配合等因素,需要有稳定的机械结构和精确的控制算法作为支撑。通过对机器人各种行进方式的分析,以坐标的形式(农田环境复杂度为纵轴,机器人工作效率和控制复杂度为横轴)对其进行综合比较,结果显示,目前对农业机器人的研究主要集中在轮式和履带式结构上,对腿式或带有腿式结构的混合式机器人研究较少;并指出为了适应更复杂的农田环境,未来应该更加注重腿式结构机器人的研究。     

基于模糊神经网络的履带式机器人自适应滑模控制

针对履带机器人这一结构不稳定性、参数不确定性的非线性系统,本文结合神经网络理论与滑模控制,提出了基于模糊神经网络的自适应滑模控制,对不确定非线性系统的控制问题设计了控制器。本文首先建立了履带式机器人的运动学模型,以自适应滑模控制理论为基础,构建了等效控制器,依据模糊神经网络理论基础构建切换控制器,在保证控制器全局稳定性和收敛性的同时,同时获得抑制系统抖振。仿真验证了利用神经网络对履带式机器人这一非线性系s统具有较强的自适应性和鲁棒性。并且具有快速响应和较强的跟踪性能的特点。     

基于极点配置农用轮式机器人横向控制

农业机器人工作对象是复杂的非结构性地面,机器人在工作中经常由于环境的不确定性而偏离轨道。如何设计控制器使机器人偏离轨道后能够快速回归是一个很重要的问题。针对农用轮式移动机器人的运动学线性化模型,研究当农用轮式移动机器人横向偏离运动轨道时,提出使用极点配置方法设计控制器。仿真试验的结果也表明机器人在不同的纵向速度下都可以满足要求。     

基于uC/OS-Ⅲ系统全向型农业测控平台的设计与试验

针对目前农业移动平台的移动灵活性及工作稳定性差等问题,利用机器人运动学对Mecanum轮全向运动能力进行理论分析,研制了一种基于uC/OS-Ⅲ系统的全向型农业测控平台,用于搭载农业机器人在复杂的作业环境中实现全向移动和田间信息采集,减轻劳动强度,提高劳动效率。该平台分为五部分:机械主体部分、环境检测系统、控制系统、操作系统及动力系统;通过机器人运动学的分析与计算、Mecanum轮轮组系统与平台运动坐标系的映射关系分析,获得实现全方位运动的必要条件与最佳的轮组结构布局,进而实现了稳定迅速的全向移动能力;通过uC/OS-Ⅲ操作系统对任务进行管理和调度,实现运动平台对作业环境的温湿度、光照强度、定位信息的检测与反馈。最后进行了平台的整体实验与验证,结果表明该平台实现了全向运动并具有较高的工作稳定性。     

基于Pro/E及ADAMS液态施肥机扎穴机构的设计与仿真

为了达到液态施肥机高速作业的目标,试验设计了一种运动平稳的椭圆齿轮行星系作为液态施肥机的扎穴机构。为满足喷肥针垂直入土、出土时扎穴深度120~150 mm的工作要求,设计参数为:椭圆齿轮长半轴29.364 mm、齿数23、短半轴与长半轴比0.958,正圆齿轮半径25 mm。应用三维造型设计软件Pro/E,绘制机构各零部件模型并装配,通过改变保存文件的类型实现Pro/E与ADAMS数据交换。在ADAMS中建立机构虚拟样机和运动学仿真,得到扎穴机构针尖的运动轨迹并进行分析。结果表明,应用虚拟样机技术可以实现扎穴机构的快速设计、准确分析,提高了设计速度,减少了设计成本。     

油气管道机器人技术研发进展

管道机器人综合了智能移动载体技术和管道缺陷无损检测技术,主要用于输油气管道的检测、喷涂、接口焊接、异物清理等检修维护作业.运动方式是管道机器人的技术核心,包括主动运动方式和被动运动方式两大类.系统阐述了仿生式、履带式、螺旋驱动式、车型式和支撑轮式等5种主动运动方式管道机器人及被动运动方式管道机器人PIG的技术特点和难点,例举了国内外现有产品和技术.对比分析了各种技术的综合性能,提出了管道机器人研发需要重点解决的技术问题.     

番茄采摘机器人机械臂结构设计与参数优化

农业采摘机器人属于非结构环境下作业的特种机器人,果实的采摘易受环境变化的影响,机械臂的结构特点直接决定机器人作业范围。根据番茄的特点及其植株的生长分布,设计了具有平行结构关节的四自由度机械臂,建立了机械臂运动学模型,完成了机械臂的结构参数优化设计,并使用MATLAB平台进行了仿真验证。在满足番茄采摘要求的前提下,实现了实际采摘无效空间最小化,证明了该机械臂结构设计合理。     

新型三自由度并联机器人平台的设计与仿真

提出并设计了一种新颖的三自由度并联机器人平台,整体结构分为3层:底座、中间层和动平台。中间层由3个伸缩杆连接而成,各层之间通过桁架连接;通过调节中间层的3个伸缩杆长度,使动平台具有空间3个自由度(1个平动自由度和2个转动自由度);利用CREO2.0建模软件建立了整体结构的三维模型,并通过ADAMS虚拟样机仿真软件对整个结构进行静力学与运动学仿真分析。该并联机器人平台满足运动和承载的性能要求。     

基于工作小臂的履带式林木采育机越障能力分析与研究

为了提高履带式林木采育机的林地越障能力,在履带式林木采育机的基础上加装越障工作小臂。基于D-H法建立采育机杆系的运动学模型,通过计算获得加装工作小臂条件下林木采育机的理论越障高度。在ADAMS环境下进行动态仿真,对各仿真相关的运动学参数进行分析,并将理论、仿真数据与实测采育机越障高度数据进行比较,验证林木采育机杆系运动学模型的正确性及其越障能力的提升程度。结果表明:在斗杆全收回状态,采育机整机抬升角度为13°,越障高度为693 mm;在斗杆全伸开状态,采育机整机提升角度为6.3°,越障高度为330 mm。加装越障工作小臂的履带式林木采育机能够满足林区越障要求,为实现和满足其上山入林作业,更有效地翻越障碍物提供了理论依据。      

多杆式栽植机构参数化设计与仿真分析

针对目前多杆机构设计较为困难的问题,采用参数化方法设计一种旱地移栽机的多杆式平行杆组栽植机构。设计了多杆式平行杆组栽植机构的结构并建立其运动学模型,基于ADAMS软件建立其参数化模型,并开发用于参数化设计的人机交互界面。利用人机交互界面设定栽植机构的结构参数,对栽植机构鸭嘴的静态与动态轨迹进行仿真,同时获得栽植鸭嘴尖端的位移、速度、加速度规律。通过对设定参数的调整与仿真结果的分析,得到一组合适的参数:机架定位角度为42°,L1=120 mm,L2=242 mm,L3=180 mm,L4=300 mm,L5=80 mm,L6=120 mm。通过参数化设计方法,能够方便地得到符合设计目标的多杆式平行杆组栽植机构的结构参数。     

圆盘式精密播种制钵机运动学优化设计

针对圆盘式精密播种制钵机的钵盘定位精确、冲压机构和钵盘机构之间运动配合紧凑、易发生运动干涉等问题,在分析圆盘式精密播种制钵机工作原理的基础上,结合新的精密播种制钵工序,对制钵机中的冲压机构和钵盘机构分别进行运动学分析;研究两者的运动配合规律,推导出相应的位移方程,并在VB6.0平台上进行运动学仿真模拟,得到了避免机构运动发生干涉的条件和满足机构运动要求的设计参数,实现了圆盘式精密播种制钵机的精密播种和营养钵体制造功能.机构运动仿真表明:冲压制钵的时间在一个运动周期内所占的比例应小于58.4%,制钵机可以避免运动干涉,实现精密播种和制造营养钵.     

草方格铺设机器人虚拟样机建模及平顺性分析

该文在基于Pro/E的草方格铺设机器人设计基础上,把Pro/E模型通过接口传到ADAMS软件中建立了草方格铺设机器人虚拟样机,讨论了虚拟样机建模中的流体系统建模、控制系统建模和工作环境建模问题,进行了机器人平顺性评价的虚拟试验,通过与相同实验情况下实际机器人道路试验相比较,验证了草方格铺设机器人虚拟样机具有较高的精度和可信度.      

动态环境中基于遗传算法的机器人路径规划

为解决动态环境中足球机器人的路径规划问题,采用栅格法对机器人工作空间进行划分,用序号标识栅格,并以此序号作为机器人路径规划参数编码,建立了以路径最短、避障为优化目标的遗传算法个体评价函数．采用轮盘赌选择、重合点交叉、多种变异结合等方法完成了遗传操作．针对遗传算法易陷入局部最优的不足,在标准遗传算法基础上加入了复原操作和重构操作,使改进后的遗传算法收敛于全局最优．仿真结果表明：该算法能够成功地在动态环境里规划出一条近似最优的路径,算法是有效的．     

水果采摘机器人智能移动平台的设计与试验

【目的】基于三自由度水果采摘机械臂,设计一种轮式智能移动平台。【方法】根据农田工作环境,设计了转向机构和防撞梁机构;借助ANSYS对车架在3种工况下的变形情况进行仿真分析;使用Simulink模块对车载电机进行了基于最大转矩电流比矢量控制(MPTA)以及ID=0模式下的仿真;使用VC++语言编写了运动控制程序,开发人机交互界面;在南京市江浦农场进行样机行走试验。【结果】弯扭工况下车架变形量最大为14.1 mm,应力值小于材料屈服极限;基于MPTA控制下的电机约0.8 ms达到稳定;该平台最大爬坡角度约为10°,1.5 m·s~(-1)行进时跟踪路径的横向偏差约为0.22 m。【结论】该移动平台结构合理,强度和刚度较高,运动精度高,符合实际工作要求。     

4UFD-1400型马铃薯联合收获机薯秧分离装置设计

薯秧分离是马铃薯联合收获机需解决的主要问题之一.针对4UFD-1400型马铃薯联合收获机的薯秧分离装置建立运动学的数学模型,在此模型下分析了一级土薯分离装置倾角、驱动轮转速、驱动轮半径、摘薯辊转速等因素对薯秧分离效果的影响并优化了各个参数.结果表明:4UFD-1400型马铃薯联合收获机薯秧分离装置结构设计合理,分离效果良好,对薯块损伤小,达到马铃薯收获的农艺要求.     

小型履带底盘螺旋培土机研究

针对南方稻田区域稻烟轮作过程中,由于土壤含水率高导致的培土器抛土、输送土能力差,行驶装置驱动易打滑下陷,烟叶生产过程中机械化培土环节与农艺要求不匹配等问题,提出了采用履带底盘螺旋培土机的解决方案,设计了履带底盘螺旋培土机的行驶机构、变速器及螺旋刀盘培土器等基本结构。通过建立螺旋式培土器的运动学与动力学数学模型和对影响螺旋输土的关键指标进行正交试验研究,试验结果表明,当螺旋刀盘半径为130 mm,螺距为110 mm,刀盘入土深度为30 mm,螺旋刀盘转速为260 r/min时,螺旋式培土刀盘输土量符合设计要求。样机田间试验表明,通过合理选择螺旋培土器的基本参数,螺旋培土器能实现烟田清沟、垄侧松土除草和垄顶送土等功能,螺旋式培土器相对于13组对照测试机型更符合烟田培土农艺要求。     

一种林用主动步态底盘双缸轮腿越障及位置优化研究

目的底盘是林业装备的关键部件,底盘技术性能中的越障性能及地形适应性能尤为关键,直接决定了林业装备是否能够上山入林。我国典型人工林具有多矮小障碍、多沟壑等立地条件特点,传统林业装备底盘在复杂立地条件下作业的能力就凸显不足,因此本研究旨在提高林业装备底盘越障性能。方法针对一种林用新型步态六轮变幅轮腿底盘,运用D-H参数法对底盘轮腿机构建立运动学模型。通过空间几何位置坐标变换方法对变幅轮腿底盘单缸控制轮腿与双缸控制轮腿越障能力进行理论计算和分析比较。运用D-H运动学正解方法计算得出双缸的最佳布置位置参数。通过仿真测试、样机测试与理论分析进行对比研究。结果双缸控制轮腿机构的越障高度始终大于单缸控制轮腿机构。理论分析、仿真分析与样机测试在最大越障高度数值的切合度分别为99.7%和97.8%。底盘轮腿越障高度可达285.9mm, 具有较强的越障性能和地形适应性,其越障能力完全满足我国林业生产对林业装备底盘越障性能的要求,充分验证了理论研究方法的正确性。结论为解决我国林业装备底盘越障性能较差这一难题提供了新的思路,为双缸控制轮腿机构运动特性、变幅轮腿底盘越障性能及大规模林业机械智能化采伐底盘的研究和发展应用提供了理论依据。      

履带式遥控灭火机器人的设计及爬坡理论分析

在发生森林火灾时,通常有毒性气体的散发,给消防人员的人身安全带来了严重的威胁,同时复杂的林区地形也极大地阻碍了救援设备的进入.设计一种履带式多功能遥控灭火机器人,通过换载相应的灭火装备实现在不同火灾环境中灭火、救援、侦查等功能作业.该研究确定了履带式灭火机器人相关性能参数,对履带式灭火机器人的行驶机构进行了创新设计,并通过设计一种两自由度搭载装置,实现对灭火装备的控制;同时分析了几种灭火设备的搭载模式和环境适应性,保证了灭火机器人能够在多种环境下灵活作业;对履带式机器人底盘进行爬坡运动分析,验证了其运动的可行性,为以后的研究提供了理论依据.     

堆肥抛撒机的研制

为解决堆肥机械化施肥问题,研究设计地轮驱动输肥、片式双螺旋破碎抛撒施肥装置。利用ANSYS Workbench对螺旋刀轴进行有限元模态分析,确定固有频率对螺旋刀轴影响;运用Matlab仿真地轮驱动输肥模型,分析运动阻力转矩与垂直载荷转矩关系以及地轮驱动输肥原理。应用Catia软件仿真该装置结构参数等,获得作为样机设计依据结构参数及相应运转工艺参数,制作工程样机并验证,试验过程中输肥与抛撒配合良好,达到堆肥撒施要求。研究可为适合堆肥施用特点的抛撒施肥机具研发提供借鉴。     

除草机机构设计及除草效果研究

[目的]研究设计一种新型除草机,提高除草效率,维护农业生态环境。[方法]对除草机的关键部件除草轮进行了设计,并对除草效果的影响因素进行了试验研究。[结果]确定了除草轮主要技术参数:相邻两齿的夹角α为22.5°、齿根宽L为60 mm、齿根过渡圆角r1为10°、刀齿前刀面圆弧r为400 mm和后刀面圆弧R为480 mm、入土角β为83°～88°、滚切刀中心离地间隙H为450 mm、刀齿后刀面圆弧中心离地间隙h为198 mm和刀齿前刀面圆弧中心离地间隙K为56 mm、刀齿的垂直长度M为80 mm、滚切刀的厚度δ为4mm。试验结果得出土壤含水率与相邻2除草轮之间的间距相互制约的关系。[结论]该滚切式除草机在土壤含水率为16.6%,滚切式除草机相邻2个除草轮之间的间距为60～80 mm时,除草效果好。