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A~*与势场法机械臂三维避障路径规划

针对人工势场法在三维避障路径规划的过程中机械臂末端容易陷入局部极小值的缺陷,把A~*算法与人工势场法混合,使机械臂末端跳出局部极小值点进行全局避障路径规划,得到一条从起始点到目标点的最优规划路径。同时,提出用立方体栅格对环境建模,并采用三次B样条曲线对该路径进行平滑优化。仿真实验表明,该方法对于复杂且任意变化的三维障碍物空间环境均有效,验证了所提混合算法在机械臂三维避障路径规划中的可行性与有效性。     

枣树修剪机械臂的设计与运动学分析

目前,枣树修剪主要以人工为主,劳动强度大,成本高,技术性强,工作条件复杂,严重制约新疆红枣产业的发展.为此,设计了一种枣树修剪机械臂,由修剪模块、驱动模块和主控模块组成,结构紧凑,可实现复杂环境下的修剪作业,通用性好.采用D-H参数法建立机械臂的运动学模型,理论推导机械臂的运动学方程,得到机械臂末端执行器位姿与各关节变...     

基于改进人工势场法的多目标点路径规划

为实现智能小车移动时需到达多个目标点的目的,提出一种基于改进人工势场法的多目标点路径规划。首先,通过模拟退火算法解决了传统人工势场法中机器人移动时陷入局部势能最小点振荡的问题;随后,通过碰撞预测算法以及无效障碍物概念解决了人工势场中目标点不可达的问题;最后建立多目标点智能小车移动模型,将改进的人工势场法运用其中进行MATLAB仿真。结果表明,改进的人工势场法很好地规避了路径中的障碍物,到达各目标点。     

基于HER-TD3算法的青皮核桃采摘机械臂路径规划

针对青皮核桃和树枝等障碍物无序生长导致机械臂采摘环境复杂、训练任务量大、稳定性差等普遍存在的问题,本文设计了一种同步带模组与机械臂协作的采摘装置,并采用基于事后经验回放的双延迟深度确定性策略梯度算法（Twin delayed deep deterministic policy gradient with hindsight experience replay,HER-TD3）对采摘机械臂进行路径规划,通过HER算法提高智能体的探索能力,缓解稀疏奖励的问题;通过TD3算法提高智能体的稳定性,减少了训练中出现的震荡现象。为了证明HER-TD3算法的可行性和泛化能力,引入TD3、HER-DDPG算法进行对比,采用降维训练方法对3种深度强化学习智能体进行训练,结果表明HER-TD3算法模型在完成路径规划任务中成功率达到98%,与HER-DDPG算法相比提高4个百分点,与TD3算法相比提高19个百分点;在CoppeliaSim软件中搭建三维模型仿真环境,设计初始姿态和碰撞检测,使用YOLO v4识别青皮核桃,通过该算法模型能够引导虚拟采摘机械臂避开树枝障碍物达到目标位置,完成无碰撞路径规划,无障碍物和有障碍物时路径规划成功率分别为91%和86%;利用物理样机进行青皮核桃采摘试验时,仍能较好地完成路径规划任务,无障碍物时采摘路径规划成功率为86.7%,平均运动时间为12.8s,有障碍物时采摘路径规划成功率为80.0%,平均运动时间为13.6s,验证了HER-TD3算法对复杂环境具有较好的适应性和稳定性。     

番茄采摘机器人机械臂避障路径规划

以关节型机械臂避开垂直茎秆或撑杆采摘番茄为研究对象,提出了一种基于构形空间的关节型机械臂避障路径规划方法.利用空间映射原理,将关节型机械臂工作空间的三维避障问题转换为平面R-R机械臂避开障碍圆的问题,用临界碰撞关节角建立C-障碍空间的映射计算模型,将工作空间的位置避障转换为构形空间连杆关节角的计算.以能量最优函数优选避障规划的关节终点角度,利用A*算法计算平面R-R机械臂的避障关节角路径,获得一系列表示空间连杆位置的相交竖直面,并在竖直面内进行其余关节角的规划.避障采摘番茄的试验表明,机械臂带动夹持器能成功绕过直线状障碍物,引导夹持器到达果实目标位置,证明对平面R-R机械臂的空间映射建模是正确的,验证了提出的避障路径规划方法是可行的,可以应用于番茄的自动收获.     

基于强化学习的采摘机器人采摘臂避碰设计

首先介绍了采摘机器人采摘臂避障问题和强化学习理论,并将强化学习方法应用到采摘臂避障问题中,构建了一平面3自由度的采摘机器人采摘臂的多Agent避碰系统。笔者研究目标是通过Agent感知采摘臂连杆与障碍物之间最小距离d和采摘臂姿态偏差角θ两方面信息,然后进行避障规划,在复杂未知环境中使其找到合适路径采摘目标。在NET平台上进行了基于强化学习的采摘臂避障系统平台的开发与仿真,对采摘臂避障系统的避障能力进行了测试分析。仿真实验表明:采摘臂避障避碰系统避障能力比较强,能够在复杂环境中采取避障措施,并准确达到指定位置。     

5-DOF机械臂运动学分析及运动轨迹规划

基于D-H参数法构建机械臂运动学方程和模型,通过理论推导和仿真实验进行相关验证。根据蒙特卡洛法画出机械臂的空间点云图,给出机械臂的工作空间范围。采用五阶样条曲线在机械臂的关节空间坐标系进行路径规划,并通过Robotics Toolbox工具包给出各个关节的角度、角速度和角加速度的拟合曲线。在笛卡尔空间坐标系,构建运动轨迹基于时间律的运动基元,给出空间直线轨迹和空间圆弧轨迹的一般方程,并基于MoveIt!对机械臂的轨迹规划进行仿真实验。结果表明,得到的运动学模型和运动规划路径能够满足实际需求,为机器人的控制提供相应的支持。     

基于随机运动障碍避碰规则的农业机器人路径优化

农业机器人作业时,为了提高机器人躲避障碍物及自主导航的效率和水平,将随机运动障碍物避碰规则引入到了农业机器人导航控制系统的设计中。采用人工势场算法对避障规则进行了设计,并利用蚁群算法对机器人路径规划方法进行了优化,从而使机器人在随机运动障碍物的环境下可以实现自主导航,且获得最短的导航路径。模拟多除草机器人的作业过程,对多运动障碍物环境下机器人的路径规划进行了仿真,结果表明:采用随机运动障碍物避障规则可以成功实现运动障碍物环境下的路径规划,且采用蚁群算法得到的路径最短、规划效率最高。     

果实采摘机械手多关节求解方法与避障规划

以Motoman SV3X采摘果实为研究对象,在果实空间位置坐标和竖直类障碍物空间位姿已知的情况下,提出了一种机械手多关节角度计算和路径规划方法。首先根据果实位置和竖直类障碍物的分布计算出若干组机械手终点关节角度,然后选择其中一组作为终点角度,利用A*算法规划出一条机械手从初始角度到达终点角度的避障路径,解决了避障规划中的多关节角求解问题,规划方法对于竖直类障碍物的避碰路径规划具有一般性。Matlab仿真试验表明,求解的机械手关节角度能够避开竖直类障碍物,而且使末端执行器的位置在预设的误差范围内,验证了规划方法的正确性。     

基于遗传改进人工势场法的全区域平粮机器人路径规划

首先介绍基于激光全局定位的平粮机器人定位方法,然后提出一种基于遗传改进人工势场法的全区域移动平粮机器人路径规划方法,该方法能克服平粮机器人在障碍物附近易于震动和障碍物在目标点附近导致目标点不可达等现象。与人工势场法相比,基于遗传改进的人工势场法对平粮机器人的路径规划能使机器人能准确避开障碍物到达目标点,而且在同等条件下,机器人到达目标点步数和路径都相对减少,运动轨迹更为平滑和稳定。最后进行仿真实验,仿真实验结果验证所提出路径规划方法的有效性和正确性;同时提出机器人以横向、纵向行走的平粮策略对工作环境进行全区域平粮。     

基于机器学习的农用飞行器路径规划系统设计

基于作业空间模型及更新和飞行器机动性能约束,搭建了农用飞行器路径规划环境模型,并采用改进人工势能的机器学习算法,结合农用飞行器路径规划环境模型和障碍物检测模块,实现了农用飞行器路径规划的最优化。MatLab仿真结果表明:农用飞行器路径规划系统能够识别障碍物的位置和边界信息,并能快速制定出最优的飞行路径,指引农用飞行器顺利到达目标点。     

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。     

基于最优控制策略的复杂环境移动机器人轨迹规划

复杂环境下移动机器人轨迹规划由于障碍物放置杂乱且无规律,常常面临避障失败的问题。本文将机器人的轨迹规划归结为优化问题,提出了一种基于优化策略的轨迹规划方法。该方法包括3部分：首先,对优化问题的约束建模,包括机器人的运动学模型、变量极值约束、障碍物避碰模型;然后,建立优化求解策略,通过决策变量区间均分、内置插值点和基于拉格朗日多项式的变量描述方式进行离散化,针对离散化导致的约束失效对变量进行等距时间离散并建立惩罚函数,从而实现有效避障;最后,基于随机分形搜索算法对上述优化模型进行求解。仿真结果表明,本文所述方法可以有效解决移动机器人在复杂环境下的障碍物避碰问题。     

马铃薯输送臂防碰控制的研究——基于虚拟样机技术

结合马铃薯联合收获机输送臂系统的防碰工作原理,利用虚拟样机技术,建立输送臂的虚拟样机模型,并对二自由度输送臂系统的运动防碰进行了位置分析和预测,在基于对运动防碰问题分析的基础上,提出机械臂位置控制的算法。在虚拟样机软件ADAMS中建立了控制系统,并分析了系统运行的动态特性,得出输送臂的实际运动轨迹与理想轨迹基本接近的结论,解决了输送臂运动防碰问题,说明机械臂位置控的算法应用在马铃薯输送臂上是可行的。     

基于改进RRT*-Connect算法的机械臂多场景运动规划

针对RRT*-Connect算法在机械臂运动规划过程中存在效率低、精度差等问题,本文提出一种基于自适应步长的启发式RRT*-Connect机械臂运动规划算法。引入目标偏向策略进行椭球子集约束采样,使采样点能够更快地收敛到最优值。在扩展节点时,设计一种自适应步长策略以减少算法的迭代次数,并有效缩短规划路径的长度。当搜索树中总节点数大于预设阈值时,通过搜索树优化剪枝方法对搜索树进行剪枝,删除无效的采样点,进一步降低运行时间。为了验证本文算法的优势,在多种规划场景下分别与RRT*、RRT*-Connect、IRRT*算法进行了Matlab仿真对比。仿真结果表明,本文算法在规划过程中收敛速度更快,精度和效率更高。为了验证本文算法的实用性,构造了不同障碍物实验场景,在Sawyer机械臂实验平台进行实验验证。实验结果表明,本文算法在不同障碍环境下具有较强的适应能力。     

割草机器人路径规划的研究——基于机器视觉和人工势场算法

首先建立了割草机器人环境模型和传感器系统,然后利用OTSU算法和Faster R-cnn对图像进行分割和障碍物识别,最后根据割草机器人和周边环境搭建了一个人工势场,实现了对割草机器人路径规划。试验结果表明:割草机器人能够自行躲避障碍物目标,对预设路径进行局部重新规划,证明了该系统的可靠性和可行性。     

自适应移动转向多功能园林修剪机械设计

为了提高园林修剪机械定位导航精度和自适应转向能力,提出了一种基于激光传感器的自适应移动转向导航系统,使园林修剪机械的导航系统具有了激光测距和障碍物特征扫描功能,大大提高了导航的精度和自动化程度。在自主导航路径规划和避障时,该套导航系统可以利用激光测距得到障碍物的实际距离,利用激光扫描得到的扫描亮度预测障碍物的尺寸,然后利用PC机的预设地图对修剪机当前位置进行预测和定位,并发出移动和转向控制指令,从而准确地实现导航功能。园林作业环境下试验发现,修剪机可以成功地对作业环境进行扫描,并通过自主避障和换行测试证明了激光传感器自适应移动和转向方法,对园林修剪机械的自主避障有着较好精确性和稳定性,达到了期望的要求。     

基于含避障角人工势场法的机器人路径规划

针对基于距离的人工势场法(Artificial potential field,APF)存在的局部极小值问题,提出了一种含避障角的人工势场法的避障路径规划方法。在平面环境中,采用斜率判定路径规划过程中的位置关系,通过机器人当前点到障碍物的距离与障碍物的影响半径二者之差得出人工势场法中的排斥力,并对排斥力的偏转角进行调整;另外,在空间环境中利用圆弧插补理论将机器人平面避障问题转换为空间避障问题;基于机器人构型配置对改进人工势场法进一步完善以满足实际避障要求。仿真和实验研究结果表明,含避障角的人工势场法,在单个或多个障碍物环境中进行避障路径规划时解决了局部极小值的问题,同时实现了6自由度机器人末端在避障时的轨迹曲线平滑无振荡,验证了所提出避障路径规划方法的可行性。     

基于SimMechanics的空间3R机械臂建模与仿真

对空间3R机械臂建立的虚拟样机模型进行模拟仿真。由于对机械臂的运动学与动力学分析较为困难,导致机械臂的控制难度较大,不利于其扩大应用范围。针对三自由的机械臂的动力学问题,使用D-H坐标法建立运动学模型,使用逆运动学规划运动轨迹后,利用MATLAB中的SimMechanics工具箱来建立模型,以便对机械臂的运动进行模拟仿真,然后得到运动的模拟图和各个关节的驱动力矩,并验证模型的合理性。