黄瓜采摘机械手机构设计及控制系统研究

发布时间：2020-08-20 11:50

【摘要】：在农业生产中,果蔬收获作业是最费时、费力的环节,基本上是靠人工手动完成的。由于采摘环境较为复杂,并且劳动强度大,对劳动力的要求较高,收获费用占到整个果蔬成本的三成以上。而我国城镇化发展迅速,大量从事农业生产的人员进城务工,农业劳动力明显减少。如今农业生产正向着规模化、多样化、精确化发展,研究开发具有智能化的农业机器人和农业机械装备能够有效缓解农业劳动力不足的问题,还能提高工作效率,降低生产成本,改善农业生产环境,防止长时间劳作、各种气候条件、农药、化肥等对人体的伤害,具有重要的现实意义。本文以黄瓜果实为采摘对象,在对黄瓜果实特性进行分析以后,制作出具有三自由度的黄瓜采摘机械手样机,并对其控制系统进行了开发。主要的研究工作如下:(1)查阅了大量资料,了解现有农业采摘机器人研究概况,对发展趋势、存在的问题进行总结。通过分析黄瓜果实的物理特性及其生长环境,设计了具有三个柔性手指的采摘末端执行器。末端执行器的柔性手指中使用柔性橡胶材料作为指面,防止在采摘过程中损伤果实表皮,并在手指中安装贴片式薄膜压力传感器(FSR),使末端执行器具有力觉反馈功能,完成该采摘末端执行器样机制作,与实验室现有三自由度机械臂进行装配,完成黄瓜采摘机械手本体结构。(2)采用D-H法建立了三自由度黄瓜采摘机械手的运动学模型,使用解析法对其进行了运动学分析,包括正运动学的求解及逆运动学的求解。为了提高采摘机械手的工作效率及运动稳定性,在关节空间中对其进行了初步的轨迹规划。根据起始约束条件的不同,分析多项式插值的方法,并用实例验证了此方法在本文所述三自由度黄瓜采摘机械手的应用。(3)针对采摘机械手的机械结构及关节的传动方式,选择合适的驱动机构和驱动器,并设计控制系统的总体方案。对控制系统采用模块化设计,使用PC机+运动控制卡的控制模式来控制机械臂各关节驱动器(交流伺服电机),使用上位机(PC机)+下位机(单片机)的模式来控制末端执行器柔性手指的抓取与释放动作。完成控制系统各模块电路的设计和焊接,构建控制系统硬件。在此基础上,使用Visual C++可视化程序编写软件设计了上位机控制界面,使用KeilC51单片机C语言开发系统对下位机程序进行编写,完成控制系统软件的设计和开发。(4)对黄瓜采摘机械手进行了性能测试实验以及整机模拟采摘实验,使用果实模型分4组共进行了 60次模拟采摘实验,成功定位54次,成功采摘46次,总定位成功率为90%,总采摘成功率为76%;60次采摘实验中,由初始位置到成功定位果实位置平均时间为6.70秒;末端执行器完成采摘动作平均时间5.51秒;由初始位置到成功将果实放入收纳箱平均时间为16.33秒。验证了采摘机械手各机构配合程度及进行采摘作业的可行性,找出了存在的问题以及需要改进的部分。为以后开展进一步深入研究奠定了坚实的硬件基础。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S225.92
【图文】：

摘机,大学,日本,机器人

吉林大学硕士学位论文采摘机器人国内外研究概况逡逑采摘机器人国外研宄概况逡逑器人代替手工进行果蔬采摘作业的设想早在１９６８年就由美Ｓｃｈｅｒｔｚ提出，并进行了初步的理论分析［２１］，借助于２０快速进步，在１９８３年美国研究人员将采摘机器人的设想转西红柿采摘机器人［２２］，虽然这台机器人自动化程度很低，或，距离应用实际还很遥远，但却彻底拉开了采摘机器人研美及日本等设施农业发达的国家也相继开展多种果蔬采摘苹果、西瓜、葡萄等果蔬智能采摘机械。逡逑

草莓,机器人,末端执行器

W逡逑图１．２草莓采摘机器人逡逑２００８年Ｋｏｎｄｏ邋Ｎａｏｓｈｉ等人研制出最新的草莓采摘机器人［２６＿２７］，如图１．２所逡逑示。该机器人由机械主体、行走装置、视觉系统、控制系统组成，针对草莓生长逡逑的复杂性，具有较为发达的视觉系统，其中包括三个彩色摄像头和四个极化滤光逡逑照明装置，并安装在机械臂和末端执行器的不同位置，分别用于采集成熟草莓位逡逑置及草莓果柄位置信息，确定草莓位置后，信息反馈给计算机，通过控制系统控逡逑制末端执行器上的气动吸嘴吸住草莓，再利用末端执行器上的剪刀分离草莓与果逡逑柄，达到采摘目的，实验证明吸嘴的利用有效的解决了摄像头检测果实位置的误逡逑差问题，并很好的保护了草莓表皮不受损伤，该机器人的采摘效率为每采摘一逡逑个草莓用时在９．３？１７．９ｓ范围内

球果采摘机,东北林业大学,林木

吉林大学硕士学位论文逡逑；ｍ逡逑图１．３荷兰开发的黄瓜采摘机器人逡逑１．３．２农业采摘机器人国内研究概况逡逑国内在农业机器人方面的研究始于２０世纪９０年代中期，相对于发达国家起逡逑步较晚，但发展迅速，国家也投入了大量的财力、物力、人力加强相关领域的建逡逑设与发展，如中国农业大学、浙江大学、吉林大学、中国农业机械科学院、东北逡逑农业大学、南京农业大学等不少院校、研究所都在进行农业机器人和智能农业机逡逑械相关的研究，并取得了很多成果，国内农业采摘机器人基本还处在实验室阶段，逡逑应用到实际的农业生产中还需要解决很多关键的技术问题，但我国现代农业发展逡逑前景巨大，采摘机器人的研究有着重要意义［３１＿３２］。逡逑，邋－？逡逑■逡逑

【参考文献】