蘋果采摘機(jī)器人機(jī)械手避障關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，水果業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中第三大產(chǎn)業(yè)。水果的采摘屬于勞動(dòng)密集型工作，且隨著人口老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少，水果的自動(dòng)化采摘就成為目前急需解決的問題。開展蘋果采摘機(jī)器人的研究，不僅有利于降低勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)成本，提高作業(yè)效率，而且對于推進(jìn)我國農(nóng)業(yè)科技發(fā)展進(jìn)步、加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程有著重要的意義。
　　 本文在國家“863”基金項(xiàng)目“果樹采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究(2006AA102254)和國家教育部博士點(diǎn)基金項(xiàng)目“果樹采摘機(jī)械

2、手運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)化與靈巧避障控制策略研究(20093227120013)”支持下，對蘋果采摘機(jī)器人避障感知系統(tǒng)、采摘環(huán)境空間建模、避障路徑等進(jìn)行了研究。主要完成的工作有:
　　 1.根據(jù)開放型設(shè)計(jì)原則，設(shè)計(jì)了蘋果采摘機(jī)器人的避障感知系統(tǒng)。以單目攝像機(jī)作為視覺傳感器來確定障礙物和果實(shí)的平面信息，超聲測距傳感器作為深度傳感器來確定障礙物和果實(shí)的深度信息，兩者結(jié)合得到障礙物和果實(shí)的空間位置信息。
　　 2.機(jī)械手模型建立和運(yùn)動(dòng)學(xué)分

3、析。根據(jù)蘋果采摘機(jī)器人手部機(jī)械結(jié)構(gòu)特性，采用D-H齊次變換法，建立了蘋果采摘機(jī)械臂的數(shù)學(xué)模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解的準(zhǔn)確性。
　　 3.利用Maklink圖法建立工作空間環(huán)境模型，并對機(jī)械手與障礙物碰撞問題進(jìn)行分析。通過視覺傳感器和超聲測距傳感器對空間中的果樹枝干等障礙物進(jìn)行感知，將相互重疊的枝干描述為一個(gè)不規(guī)則多邊形:采用Maklink圖在自由空間中建立作業(yè)環(huán)境模型，構(gòu)造自由鏈接線，為機(jī)械手避障提供無碰

4、路徑;分析蘋果采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，討論其與障礙物碰撞的幾種情況，給后續(xù)的避障工作中路徑節(jié)點(diǎn)的選擇提供一定的理論分析。
　　 4.提出基于改進(jìn)蟻群算法的采摘機(jī)械手避障路徑規(guī)劃算法。在詳細(xì)分析基本蟻群算法的原理、數(shù)學(xué)模型和實(shí)現(xiàn)過程等基本理論的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行修改，主要包括:在可行走的路徑上，利用等分鏈接線的方法擴(kuò)大路徑點(diǎn)的選擇范圍，有利于算法搜索到更優(yōu)路徑;將人工勢場法思想引入蟻群算法中，同時(shí)引入角度權(quán)值，加強(qiáng)啟發(fā)信息對螞蟻選擇下一