在農(nóng)業(yè)機(jī)械采摘范疇,機(jī)械臂采摘識別與最短路徑規(guī)劃決定采摘精度。單純?nèi)搜圩R別存在著重復(fù)機(jī)械勞動(dòng)的因素,長時(shí)間容易造成效率降低。但是單純利用軟件或者傳統(tǒng)圖像處理技術(shù)又無法精確識別定位采摘目標(biāo),或者識別定位時(shí)間過長,無法提升單位時(shí)間內(nèi)識別采摘效率。在農(nóng)業(yè)果林復(fù)雜環(huán)境下需要同時(shí)具備采摘精度高、資源能耗低的自動(dòng)化識別采摘作業(yè)的方案。因此,開展采摘機(jī)械臂的輕量級高精度目標(biāo)識別研究是具有極大的市場應(yīng)用前景。本文主要是從三個(gè)方面開展研究:第—,基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)物體檢測。根據(jù)硬件環(huán)境下功耗低、速度快、質(zhì)量輕、識別精度高和可拓展定制性強(qiáng)的需求,選取輕量級深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為內(nèi)核,選取多平臺可搭建的keras深度學(xué)習(xí)框架,配合windows平臺或者樹莓派linux平臺,利用YOLO算法標(biāo)準(zhǔn)權(quán)重在復(fù)雜果林環(huán)境下針對目標(biāo)進(jìn)行理論上快速目標(biāo)分類識別,識別精度提高到90%,用時(shí)僅需4.94秒。第二,機(jī)械臂建模與軌跡仿真。本文以愛普生C4-A601機(jī)械臂作為建模研究對象,使用D-H參數(shù)法建立機(jī)械臂的連桿坐標(biāo)模型。通過求解機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程,表述機(jī)械臂在坐標(biāo)系中的姿態(tài)映射。利用齊次坐標(biāo)變換公式和連桿坐標(biāo)系建立,展現(xiàn)機(jī)械臂多連桿運(yùn)動(dòng)軌跡方程結(jié)構(gòu)。通過使用MATLAB工具箱中Robotics Toolbox對運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行仿真,規(guī)劃出采摘軌跡路徑。通過求解運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆問題,經(jīng)過四次多項(xiàng)式的三次樣條插值,可以保證仿真過程中的軌跡殘差值在(9.39×10-15,1.82×10-14)的區(qū)間范圍之內(nèi),驗(yàn)證機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)正確性和建�？尚行浴５谌�,視覺圖像處理。將工業(yè)相機(jī)采集抓拍圖像進(jìn)行形態(tài)學(xué)處理,進(jìn)行分水嶺算法語義分割,Canny算子邊緣檢測與霍夫邊緣檢測再處理,得到目標(biāo)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行反饋,幫助機(jī)械臂更精準(zhǔn)定位抓取。最后利用已有實(shí)驗(yàn)條件環(huán)境,進(jìn)行算法調(diào)試,啟動(dòng)工業(yè)相機(jī)進(jìn)行識別定位,運(yùn)行機(jī)械臂抓取實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示,機(jī)械臂識別過程僅使用1.5秒,整個(gè)抓取過程僅使用13秒。說明本文提出的方法能夠有效、精準(zhǔn)識別并且抓取目標(biāo)物體,大大節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本,提高了生產(chǎn)效率。
【學(xué)位單位】：中南林業(yè)科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TP241;TP18
【部分圖文】：

圖１．２葡萄采摘機(jī)械臂逡逑Ｆｉｇ邋１．２邋Ｇｒａｐｅ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑如圖１．２所示。該收獲機(jī)械臂設(shè)計(jì)有基于極坐標(biāo)的５自由度采摘機(jī)械臂，它逡逑由四個(gè)旋轉(zhuǎn)接頭和一個(gè)直線接頭組成。此種結(jié)構(gòu)可以有效保證末端執(zhí)行器水平或逡逑者垂直地靠近葡萄架。末端執(zhí)行器由仿真手指和切斷莖脈的剪刀姐成，而且在不逡逑同的階段設(shè)計(jì)有多套末端執(zhí)行器，用于葡萄的套袋、噴霧和剪枝作業(yè)，有效提高逡逑了設(shè)備綜合利用率。主要存在缺點(diǎn)：有作業(yè)對象的限制，多自由度的機(jī)械臂導(dǎo)致逡逑控制的繁瑣。逡逑１９９６年，荷蘭研究所研制了一款草莓識別采摘機(jī)械臂。如圖１．３所示。該機(jī)逡逑械臂具有７個(gè)自由度，包括三菱ＲＶ邋Ｅ２機(jī)械手的六自由度和安裝在底座上的線逡逑３逡逑

圖１．３草莓米摘機(jī)械ｆｆ逡逑Ｆｉｇｌ邋．３邋Ｃｕｃｕｍｂｅｒ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑英國ｓｉｌｓｏｅ研宄院所成功研制出了用于蘑菇采摘的農(nóng)業(yè)機(jī)械臂［２４］，如圖１．４逡逑所示。采摘機(jī)械手采用三自由度機(jī)構(gòu)，由兩個(gè)氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)和一個(gè)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的逡逑旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成。為防止果實(shí)損傷，其末端執(zhí)行器上設(shè)置有軟襯墊和吸引設(shè)備。用逡逑于水果識別和定位的視頻傳感器是電視攝像機(jī)。收獲機(jī)械手的收獲成功率約為逡逑７５％，平均收獲時(shí)間為６到７秒，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但也存在一些問題。逡逑對于生長傾斜的蘑菇的采摘存在很大的困難。如何改進(jìn)圖像處理算法更好地調(diào)整逡逑末端執(zhí)行器位姿動(dòng)作來提高采摘成功率以及采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是逡逑亟待解決的問題。逡逑４逡逑

Ｆｉｇ邋１．４邋Ｍｕｓｈｒｏｏｍ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑比利時(shí)、日本和法國等國家對蘋果采摘機(jī)械臂都進(jìn)行過研宄。比利時(shí)的Ｊｏｈａｎ逡逑Ｂｅａｔｅｎ和Ｋｅｖｉｎ邋Ｂｅｄｒａｉｌ等人研制的蘋果采摘機(jī)械臂ｐ：］如圖１．５所示，采摘機(jī)械手逡逑是安裝在垂直和水平移動(dòng)機(jī)架上的６自由度工業(yè)機(jī)械手。以此來增大采摘范圍。逡逑整個(gè)采摘機(jī)械部件的運(yùn)動(dòng)由一臺拖拉機(jī)牽引，因而整體占地面積顯得很大，也反逡逑映出機(jī)械本體較差的靈活度和昂貴的成本。逡逑圖〗．５蘋果采摘機(jī)械臂逡逑Ｆｉｇ邋１．５邋Ａｐｐｌｅ邋ｈａｒｖｅｓｔｉｎｇ邋ｒｏｂｏｔ逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2834445