番茄是一種常見的果蔬,備受人們青睞,但番茄收獲機(jī)械化水平較低,主要依靠人工收獲。近年來由于計算機(jī)和自動控制技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器人也逐漸引入到農(nóng)業(yè)上,農(nóng)業(yè)也邁入了高度自動化和智能化時代。而農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的推廣將有利于降低勞動強(qiáng)度,提高采摘效率,解決勞動力不足的問題。本文旨在研制一種適用性強(qiáng)的番茄智能采摘機(jī)構(gòu),包括雙目視覺系統(tǒng)、采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3部分。主要工作有:1.研究了國內(nèi)外多款典型的采摘機(jī)器人,總結(jié)了采摘機(jī)器人未被推廣的原因,主要是作業(yè)效率低,識別準(zhǔn)確率欠佳,控制復(fù)雜;并提出相應(yīng)的解決思路,如設(shè)計精準(zhǔn)的圖像處理和視覺傳感技術(shù),優(yōu)化采摘臂結(jié)構(gòu)提高精準(zhǔn)度;并對本采摘機(jī)構(gòu)的采摘對象番茄的生物特性進(jìn)行了研究。2.開發(fā)番茄智能采摘機(jī)構(gòu)雙目視覺系統(tǒng)。用以實現(xiàn)成熟番茄的識別和定位,先后通過2R-G-B算法、隨機(jī)圓環(huán)法、基于傅立葉變換的圖像匹配可較好地識別、提取成熟番茄輪廓,并進(jìn)行了臺架實驗驗證。實驗結(jié)果表明:該算法可有效識別成熟番茄,表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性。3.番茄智能采摘機(jī)構(gòu)參數(shù)確定。先后確定了采用關(guān)節(jié)型機(jī)械臂作為采摘臂的結(jié)構(gòu)型式,機(jī)構(gòu)的自由度為6個(第一自由度可實現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn),第二、三、四自由度可實現(xiàn)各臂關(guān)節(jié)升降旋轉(zhuǎn),第五自由度可實現(xiàn)腕部平面旋轉(zhuǎn),第六自由度可實現(xiàn)末端執(zhí)行器張閉)。機(jī)構(gòu)本體包括:腰部、大臂、中臂、小臂,利用優(yōu)化法確定了各臂關(guān)節(jié)尺寸。并對末端執(zhí)行器進(jìn)行了對比與選型,分別為運動部件配備了驅(qū)動電機(jī)。4.番茄智能機(jī)構(gòu)采摘臂運動學(xué)建模和仿真。先構(gòu)建采摘臂運動學(xué)模型,求出采摘機(jī)構(gòu)的運動學(xué)正反解;然后對采摘臂建立三維虛擬樣機(jī)并導(dǎo)入Adams進(jìn)行了運動學(xué)仿真,得出了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在運動過程中的位移參數(shù)、速度和加速度等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系;接著對采摘臂的關(guān)鍵桿件進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析;從理論上驗證了采摘臂的穩(wěn)定性和可靠性;5.采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計。搭建番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)軟硬件平臺,硬件方面選取傳感器、采集卡、驅(qū)動電機(jī)等關(guān)鍵部件,為實現(xiàn)信息獲取、番茄識別、障礙感知等提高硬件支持,增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的智能化水平、對外界環(huán)境信息的感知能力;軟件主要以VC++語言為開發(fā)平臺編寫了主程序,實現(xiàn)了串行通信、信息獲取、實時避障、限位保護(hù)等功能。在上述研究工作的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了番茄智能采摘機(jī)構(gòu)樣機(jī)并進(jìn)行了大棚環(huán)境下的采摘試驗。試驗結(jié)果表明:番茄正確識別率可達(dá)90%,平均無損傷采摘成功率76.3%,番茄的采摘過程平均耗時9.109s。采摘機(jī)構(gòu)在環(huán)境復(fù)雜的田間大棚里能完成采摘作業(yè),也表明本課題研制的番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)具有良好的可靠性和一定的適應(yīng)性;但離預(yù)期目標(biāo)還有一定差距,仍需通過優(yōu)化番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和圖像處理算法來提高采摘成功率;
【學(xué)位單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：S225.92
【部分圖文】：

圖 1-1 美國的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA究開始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Ko執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過于堅硬種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行從水平、垂直兩個方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實現(xiàn)摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動平臺，機(jī)器。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被

圖 1-1 美國的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Kondo 團(tuán)隊研制的番茄采摘機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另外 Kawamura 團(tuán)隊設(shè)計的 5 自由度番茄采摘機(jī)器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)器視覺技術(shù)識別果實因為該機(jī)的機(jī)械手沒有冗余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過于堅硬且未保護(hù)裝置易損傷番茄。之后岡山大學(xué)推出一種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行采摘作業(yè)，可實現(xiàn)機(jī)械手在葡萄束歪斜的情況下從水平、垂直兩個方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研制的葡萄采摘機(jī)器人利用激光測距的方法獲取目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實現(xiàn)葡萄園管理。Hayash等研究的 3 自由度草莓采摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動平臺，機(jī)器利用末端夾持器來實現(xiàn)草莓的夾持、切梗過程。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被遮擋過多；2.視覺識別系統(tǒng)不準(zhǔn)確。

圖 1-1 美國的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Kondo 團(tuán)隊研制的番茄采摘機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另外 Kawamura 團(tuán)隊設(shè)計的 5 自由度番茄采摘機(jī)器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)器視覺技術(shù)識別果實因為該機(jī)的機(jī)械手沒有冗余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過于堅硬且未保護(hù)裝置易損傷番茄。之后岡山大學(xué)推出一種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行采摘作業(yè)，可實現(xiàn)機(jī)械手在葡萄束歪斜的情況下從水平、垂直兩個方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研制的葡萄采摘機(jī)器人利用激光測距的方法獲取目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實現(xiàn)葡萄園管理。Hayash等研究的 3 自由度草莓采摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動平臺，機(jī)器利用末端夾持器來實現(xiàn)草莓的夾持、切梗過程。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被遮擋過多；2.視覺識別系統(tǒng)不準(zhǔn)確。
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2886062