基于運(yùn)動(dòng)行為的荔枝采摘機(jī)器人夾切容錯(cuò)設(shè)計(jì).pdf

1、隨著計(jì)算機(jī)與控制技術(shù)的快速發(fā)展，果蔬采摘機(jī)器人應(yīng)用已經(jīng)取得了較好的成果，標(biāo)志著果蔬采摘向著機(jī)械化和智能化發(fā)展。但是，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境很復(fù)雜，受到氣流運(yùn)動(dòng)、環(huán)境溫度及作物生長(zhǎng)狀況等影響，具有非線性、強(qiáng)耦合、易時(shí)變、多擾動(dòng)等特征，果蔬采摘機(jī)器人的研究仍然存在以下難題，一是擾動(dòng)使得視覺(jué)定位產(chǎn)生了大的隨機(jī)定位誤差，末端構(gòu)型不能容錯(cuò)；二是夾切機(jī)構(gòu)對(duì)果蔬損傷較大且通用性差；三是環(huán)境與視覺(jué)定位的不確定性影響機(jī)器人作業(yè)時(shí)的行為控制。
　　本文以荔枝為

2、對(duì)象，提出一種融合視覺(jué)定位誤差的有限通用夾切機(jī)構(gòu)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，并對(duì)擾動(dòng)環(huán)境下采摘機(jī)器人的動(dòng)態(tài)避障行為容錯(cuò)進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)高效無(wú)損采摘，為采摘機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容與工作如下：
　?。?）分析了視覺(jué)定位誤差與末端機(jī)構(gòu)尺寸的空間關(guān)系及容錯(cuò)性能。提出動(dòng)態(tài)目標(biāo)的定位誤差測(cè)量與分析方法，依據(jù)誤差變化規(guī)律將動(dòng)態(tài)定位誤差劃分為系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差；使用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)行定量分析，確定視覺(jué)系統(tǒng)的定位能力，通過(guò)室內(nèi)與室外環(huán)境下的定位試驗(yàn)得到視覺(jué)深

3、度方向、水平方向最大動(dòng)態(tài)定位誤差分別為60.1和17.3 mm。根據(jù)視覺(jué)定位誤差變化規(guī)律，提出了新的機(jī)構(gòu)容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法；將定位誤差的影響看作是相對(duì)其實(shí)際位置延伸的空間橢球體，大小由不確定度決定；確定了末端執(zhí)行器的采摘裕度，給出了夾指與刀具的設(shè)計(jì)模型。從考慮誤差關(guān)聯(lián)性和分布特點(diǎn)的角度出發(fā)，利用機(jī)構(gòu)和控制方法聯(lián)合補(bǔ)償定位誤差并對(duì)誤差進(jìn)行容錯(cuò)，使夾切機(jī)構(gòu)能在該誤差范圍內(nèi)作業(yè)。
　　（2）研究了容錯(cuò)夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力分析，并提出無(wú)損采摘和有

4、限通用的收獲方法。提出使用兩個(gè)并行擬人夾指夾持荔枝結(jié)果母枝的方法；分析了夾持的力封閉性，建立了擾動(dòng)條件下的母枝夾持模型，導(dǎo)出了一種夾持力計(jì)算方法；用壓力機(jī)對(duì)結(jié)果母枝進(jìn)行了夾持試驗(yàn)，建立了夾持力、母枝直徑等與抓舉重力間的關(guān)系，給出了定量描述；進(jìn)行了夾持損傷研究。該夾指結(jié)構(gòu)能適合不同直徑母枝的穩(wěn)定夾持，對(duì)母枝損傷??；所建立的回歸方程有效，夾指在外力擾動(dòng)情況下可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定夾持；野外環(huán)境下使用15 N夾持力采摘荔枝果串，夾持成功率為100％。<

5、br>　?。?）研究了與夾指協(xié)同容錯(cuò)的切割機(jī)構(gòu)，使用顯示動(dòng)力學(xué)有限元方法優(yōu)化刀具參數(shù)。針對(duì)傳統(tǒng)果、枝分離切割機(jī)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了微切刃偏心刀具機(jī)構(gòu)；分析了刀刃旋變切割的非線性運(yùn)動(dòng)規(guī)律、微切原理和變切數(shù)學(xué)模型，并將切割作用簡(jiǎn)化為刀刃對(duì)一端固定、一端由彈簧支撐壓桿施加干擾的彈性力學(xué)模型，提出了計(jì)算切割力的理論公式；使用完全的Lagrangian格式、中心差分的顯式時(shí)間積分算法模擬切割過(guò)程，通過(guò)正交試驗(yàn)確定切割厚度為1.5 mm、

6、滑切角為30°、回轉(zhuǎn)速度為600 rpm時(shí)刀刃的峰值切割力較小，耐用度好。
　?。?）采摘機(jī)器人的動(dòng)態(tài)避障行為容錯(cuò)。針對(duì)自然環(huán)境中障礙物的復(fù)雜性和隨機(jī)性，在給定目標(biāo)和障礙物特點(diǎn)、位置等信息的條件下，進(jìn)行機(jī)器人全局避障和局部動(dòng)態(tài)避障算法研究。在考慮障礙物定位誤差和機(jī)器人實(shí)際幾何尺寸的基礎(chǔ)上，使用容錯(cuò)方法進(jìn)行環(huán)境建模，利用改進(jìn)的偽距離法計(jì)算采摘機(jī)器人的C-空間障礙；改進(jìn)了A*搜索算法，提高了避障路徑規(guī)劃效率；提出了針對(duì)隨機(jī)動(dòng)態(tài)障礙物避