【摘要】：隨著計算機與控制技術(shù)的快速發(fā)展,果蔬采摘機器人應用已經(jīng)取得了較好的成果,標志著果蔬采摘向著機械化和智能化發(fā)展。但是,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境很復雜,受到氣流運動、環(huán)境溫度及作物生長狀況等影響,具有非線性、強耦合、易時變、多擾動等特征,果蔬采摘機器人的研究仍然存在以下難題,一是擾動使得視覺定位產(chǎn)生了大的隨機定位誤差,末端構(gòu)型不能容錯;二是夾切機構(gòu)對果蔬損傷較大且通用性差;三是環(huán)境與視覺定位的不確定性影響機器人作業(yè)時的行為控制。本文以荔枝為對象,提出一種融合視覺定位誤差的有限通用夾切機構(gòu)容錯設(shè)計,并對擾動環(huán)境下采摘機器人的動態(tài)避障行為容錯進行研究,實現(xiàn)高效無損采摘,為采摘機器人的產(chǎn)業(yè)化奠定基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與工作如下:(1)分析了視覺定位誤差與末端機構(gòu)尺寸的空間關(guān)系及容錯性能。提出動態(tài)目標的定位誤差測量與分析方法,依據(jù)誤差變化規(guī)律將動態(tài)定位誤差劃分為系統(tǒng)誤差與隨機誤差;使用統(tǒng)計學方法進行定量分析,確定視覺系統(tǒng)的定位能力,通過室內(nèi)與室外環(huán)境下的定位試驗得到視覺深度方向、水平方向最大動態(tài)定位誤差分別為60.1和17.3 mm。根據(jù)視覺定位誤差變化規(guī)律,提出了新的機構(gòu)容錯設(shè)計方法;將定位誤差的影響看作是相對其實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)計模型。從考慮誤差關(guān)聯(lián)性和分布特點的角度出發(fā),利用機構(gòu)和控制方法聯(lián)合補償定位誤差并對誤差進行容錯,使夾切機構(gòu)能在該誤差范圍內(nèi)作業(yè)。(2)研究了容錯夾持機構(gòu)設(shè)計及受力分析,并提出無損采摘和有限通用的收獲方法。提出使用兩個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,建立了擾動條件下的母枝夾持模型,導出了一種夾持力計算方法;用壓力機對結(jié)果母枝進行了夾持試驗,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,對母枝損傷小;所建立的回歸方程有效,夾指在外力擾動情況下可以實現(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%。(3)研究了與夾指協(xié)同容錯的切割機構(gòu),使用顯示動力學有限元方法優(yōu)化刀具參數(shù)。針對傳統(tǒng)果、枝分離切割機構(gòu)復雜、體積龐大的問題,設(shè)計了微切刃偏心刀具機構(gòu);分析了刀刃旋變切割的非線性運動規(guī)律、微切原理和變切數(shù)學模型,并將切割作用簡化為刀刃對一端固定、一端由彈簧支撐壓桿施加干擾的彈性力學模型,提出了計算切割力的理論公式;使用完全的Lagrangian格式、中心差分的顯式時間積分算法模擬切割過程,通過正交試驗確定切割厚度為1.5 mm、滑切角為30°、回轉(zhuǎn)速度為600rpm時刀刃的峰值切割力較小,耐用度好。(4)采摘機器人的動態(tài)避障行為容錯。針對自然環(huán)境中障礙物的復雜性和隨機性,在給定目標和障礙物特點、位置等信息的條件下,進行機器人全局避障和局部動態(tài)避障算法研究。在考慮障礙物定位誤差和機器人實際幾何尺寸的基礎(chǔ)上,使用容錯方法進行環(huán)境建模,利用改進的偽距離法計算采摘機器人的C-空間障礙;改進了A*搜索算法,提高了避障路徑規(guī)劃效率;提出了針對隨機動態(tài)障礙物避障的容錯策略,通過仿真試驗驗證了該避障機制的有效性和實用性。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：華南農(nóng)業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：2382111