【摘要】：在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,果蔬收獲作業(yè)是最費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的環(huán)節(jié),基本上是靠人工手動完成的。由于采摘環(huán)境較為復(fù)雜,并且勞動強(qiáng)度大,對勞動力的要求較高,收獲費(fèi)用占到整個(gè)果蔬成本的三成以上。而我國城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速,大量從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人員進(jìn)城務(wù)工,農(nóng)業(yè)勞動力明顯減少。如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正向著規(guī)�；�、多樣化、精確化發(fā)展,研究開發(fā)具有智能化的農(nóng)業(yè)機(jī)器人和農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備能夠有效緩解農(nóng)業(yè)勞動力不足的問題,還能提高工作效率,降低生產(chǎn)成本,改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境,防止長時(shí)間勞作、各種氣候條件、農(nóng)藥、化肥等對人體的傷害,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文以黃瓜果實(shí)為采摘對象,在對黃瓜果實(shí)特性進(jìn)行分析以后,制作出具有三自由度的黃瓜采摘機(jī)械手樣機(jī),并對其控制系統(tǒng)進(jìn)行了開發(fā)。主要的研究工作如下:(1)查閱了大量資料,了解現(xiàn)有農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人研究概況,對發(fā)展趨勢、存在的問題進(jìn)行總結(jié)。通過分析黃瓜果實(shí)的物理特性及其生長環(huán)境,設(shè)計(jì)了具有三個(gè)柔性手指的采摘末端執(zhí)行器。末端執(zhí)行器的柔性手指中使用柔性橡膠材料作為指面,防止在采摘過程中損傷果實(shí)表皮,并在手指中安裝貼片式薄膜壓力傳感器(FSR),使末端執(zhí)行器具有力覺反饋功能,完成該采摘末端執(zhí)行器樣機(jī)制作,與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有三自由度機(jī)械臂進(jìn)行裝配,完成黃瓜采摘機(jī)械手本體結(jié)構(gòu)。(2)采用D-H法建立了三自由度黃瓜采摘機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)模型,使用解析法對其進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)分析,包括正運(yùn)動學(xué)的求解及逆運(yùn)動學(xué)的求解。為了提高采摘機(jī)械手的工作效率及運(yùn)動穩(wěn)定性,在關(guān)節(jié)空間中對其進(jìn)行了初步的軌跡規(guī)劃。根據(jù)起始約束條件的不同,分析多項(xiàng)式插值的方法,并用實(shí)例驗(yàn)證了此方法在本文所述三自由度黃瓜采摘機(jī)械手的應(yīng)用。(3)針對采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)及關(guān)節(jié)的傳動方式,選擇合適的驅(qū)動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動器,并設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的總體方案。對控制系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),使用PC機(jī)+運(yùn)動控制卡的控制模式來控制機(jī)械臂各關(guān)節(jié)驅(qū)動器(交流伺服電機(jī)),使用上位機(jī)(PC機(jī))+下位機(jī)(單片機(jī))的模式來控制末端執(zhí)行器柔性手指的抓取與釋放動作。完成控制系統(tǒng)各模塊電路的設(shè)計(jì)和焊接,構(gòu)建控制系統(tǒng)硬件。在此基礎(chǔ)上,使用Visual C++可視化程序編寫軟件設(shè)計(jì)了上位機(jī)控制界面,使用KeilC51單片機(jī)C語言開發(fā)系統(tǒng)對下位機(jī)程序進(jìn)行編寫,完成控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。(4)對黃瓜采摘機(jī)械手進(jìn)行了性能測試實(shí)驗(yàn)以及整機(jī)模擬采摘實(shí)驗(yàn),使用果實(shí)模型分4組共進(jìn)行了 60次模擬采摘實(shí)驗(yàn),成功定位54次,成功采摘46次,總定位成功率為90%,總采摘成功率為76%;60次采摘實(shí)驗(yàn)中,由初始位置到成功定位果實(shí)位置平均時(shí)間為6.70秒;末端執(zhí)行器完成采摘?jiǎng)幼髌骄鶗r(shí)間5.51秒;由初始位置到成功將果實(shí)放入收納箱平均時(shí)間為16.33秒。驗(yàn)證了采摘機(jī)械手各機(jī)構(gòu)配合程度及進(jìn)行采摘作業(yè)的可行性,找出了存在的問題以及需要改進(jìn)的部分。為以后開展進(jìn)一步深入研究奠定了堅(jiān)實(shí)的硬件基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：S225.92
【圖文】：

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文采摘機(jī)器人國內(nèi)外研究概況逡逑采摘機(jī)器人國外研宄概況逡逑器人代替手工進(jìn)行果蔬采摘作業(yè)的設(shè)想早在１９６８年就由美Ｓｃｈｅｒｔｚ提出，并進(jìn)行了初步的理論分析［２１］，借助于２０快速進(jìn)步，在１９８３年美國研究人員將采摘機(jī)器人的設(shè)想轉(zhuǎn)西紅柿采摘機(jī)器人［２２］，雖然這臺機(jī)器人自動化程度很低，或，距離應(yīng)用實(shí)際還很遙遠(yuǎn)，但卻徹底拉開了采摘機(jī)器人研美及日本等設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)的國家也相繼開展多種果蔬采摘蘋果、西瓜、葡萄等果蔬智能采摘機(jī)械。逡逑

W逡逑圖１．２草莓采摘機(jī)器人逡逑２００８年Ｋｏｎｄｏ邋Ｎａｏｓｈｉ等人研制出最新的草莓采摘機(jī)器人［２６＿２７］，如圖１．２所逡逑示。該機(jī)器人由機(jī)械主體、行走裝置、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成，針對草莓生長逡逑的復(fù)雜性，具有較為發(fā)達(dá)的視覺系統(tǒng)，其中包括三個(gè)彩色攝像頭和四個(gè)極化濾光逡逑照明裝置，并安裝在機(jī)械臂和末端執(zhí)行器的不同位置，分別用于采集成熟草莓位逡逑置及草莓果柄位置信息，確定草莓位置后，信息反饋給計(jì)算機(jī)，通過控制系統(tǒng)控逡逑制末端執(zhí)行器上的氣動吸嘴吸住草莓，再利用末端執(zhí)行器上的剪刀分離草莓與果逡逑柄，達(dá)到采摘目的，實(shí)驗(yàn)證明吸嘴的利用有效的解決了攝像頭檢測果實(shí)位置的誤逡逑差問題，并很好的保護(hù)了草莓表皮不受損傷，該機(jī)器人的采摘效率為每采摘一逡逑個(gè)草莓用時(shí)在９．３？１７．９ｓ范圍內(nèi)

吉林大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑；ｍ逡逑圖１．３荷蘭開發(fā)的黃瓜采摘機(jī)器人逡逑１．３．２農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人國內(nèi)研究概況逡逑國內(nèi)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人方面的研究始于２０世紀(jì)９０年代中期，相對于發(fā)達(dá)國家起逡逑步較晚，但發(fā)展迅速，國家也投入了大量的財(cái)力、物力、人力加強(qiáng)相關(guān)領(lǐng)域的建逡逑設(shè)與發(fā)展，如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、浙江大學(xué)、吉林大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)院、東北逡逑農(nóng)業(yè)大學(xué)、南京農(nóng)業(yè)大學(xué)等不少院校、研究所都在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人和智能農(nóng)業(yè)機(jī)逡逑械相關(guān)的研究，并取得了很多成果，國內(nèi)農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人基本還處在實(shí)驗(yàn)室階段，逡逑應(yīng)用到實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中還需要解決很多關(guān)鍵的技術(shù)問題，但我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展逡逑前景巨大，采摘機(jī)器人的研究有著重要意義［３１＿３２］。逡逑，邋－？逡逑■逡逑

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2797938