苹果采摘机器人路径规划(附件)【字数:11260】

在我国目前的农业生产中,苹果采摘作业多数以人工作业为主,人工采摘作业的质量和效率低下,严重影响了苹果的储存、加工和销售,苹果采摘机器人取代人工作业迫在眉睫。本文设计的苹果采摘机器人是一种高效的苹果采摘装置,是集环境感知、动态决策与规划运动控制与执行一体的综合系统,由行走机构、机械手臂和执行末端组成的特殊机器人系统,这种采摘机器人适用范围广阔,可以在多种地形下使用,是国内为苹果采摘机器人研究的最新技术,对我国加快实现农业机械化具有重大促进和推动作用。本文设计研究了以下一种苹果采摘机器人,具体内容如下首先,研究设计了采摘机器人的总体结构及工作原理,给出了系统框图和电路图,重点包含了机器人的机械结构、数学模型和控制电路。其次,详细分析了苹果采摘机器人的机械结构,通过研究苹果采摘机器人机械结构,建立苹果采摘机器人数学模型,对苹果采摘机器人进行了运动学分析。然后,在此基础上根据控制算法,分析其运动学规律,找出能产生最佳避障效果的苹果采摘机器人的运动轨迹,对苹果采摘机器人进行路径规划。最后,根据苹果机器人运动学特点和现有仿真软件,进行仿真实验研究。关键词 苹果采摘机器人 机械结构,系统分析 路径规划 仿真1
目 录
摘要1
ABSTRACT...2
第一章 绪论..3
1.1课题的背景及意义4
1.2采摘机器人的特点5
1.3采摘机器人的国内外发展现状6
1.3.1国外研究现状...7
1.3.2 国内研究现状..8
1.4本文主要研究内容9
第二章 苹果采摘机器人的机械结构.11
2.1苹果采摘机器人的行走结构分析...12
2.2苹果采摘机器人的机械手臂分析...13
2.3苹果采摘机器人的末端执行器分析...14
2.4 本章小结..15
第三章 苹果采摘机器人控制系统设计.16
3.1 苹果采摘机器人控制系统硬件设计...17
3.1.1视觉系统.18
3.1.2 感知系统19
3.1.3 交流伺服系统....20
3.1.4 运动控制器21
3.1. style="display:inline-block;width:630px;height:85px" data-ad-client="ca-pub-6529562764548102" data-ad-slot="6284556726"> (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({ });

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5 输入输出模块22
3.1.6 数据采集卡23
3.2 苹果采摘机器人控制系统软件设计...24
3.2.1 软件结构组成25
3.2.2控制流程图.26
3.3本章小结26
第四章 苹果采摘机器人路径规划..27
4.1目标搜索路径规划....27
4.2目标采摘路径规划....27
4.2.1 人工势场法..28
4.2.2 C空间法28
4.3 基于C空间的障碍建模路径规划..30
4.3.1 点障碍C空间计算方法.31
4.3.2 直线障碍C空间计算方法.32
4.4 本章小结...32
第五章 实验和仿真...33
5.1 机械手臂的MATLAB运动仿真.33
5.1.1建立运动学方程....33
5.1.2机械手臂建模34
5.1.2 仿真结果...35
5.2 传感器实验....36
5.3 本章小结36
第六章 总结与展望...37
6.1 研究总结37
6.2 工作展望38
参考文献.39
致谢.....41
第一章 绪论
1.1课题的背景及意义
随着计算机网络、机械电子、信息以及人工智能等技术的不断进步,人类对于机器人的研究迈入了一个全新的阶段[1]。与人类生活密切相关的农业生产为机器人的应用提供了广阔的空间。在果蔬生产作业中,收货采摘是整个作业的开端也是最重要的一环,采摘作业的质量和效率直接影响到果蔬的储存、加工和销售。
由于采摘作业的复杂性,采摘自动化程度仍然很低。目前在我国的大部分地区,依然以人工采摘作业为主。人工采摘需要大量的劳动力,采摘周期长、效率低、而且会受到天气以及采摘人员自身身体情况等多种因素影响,大大降低了采摘效率,严重影响了经济效益,高强度的人工采摘作业也会影响了采摘人员的身体健康。为了节省人力、降低采摘劳动强度、提高采摘效率和经济效益,设计一种更为先进的采摘机器人势在必行[2]。采摘机器人的广泛应用不仅可以节省大量的劳动力,提高了生产效率,降低了生产成本。更对加快我国的农业机械化进程具有重大意义[35]。
1.2采摘机器人的特点
工业机器人通常处于可控制的人工环境内,并以结构确定,材质均匀的物体为操作对象,而农业采摘机器人的采摘环境非常复杂,采摘的都是娇嫩易受损的水果为主。果蔬采摘机器人通常有下面这些不同:
1 作业环境的非结构性。农作物的生长受到季节,温度,地理位置,光照等多种因素的影响,而农作物的生长环境决定了采摘的机器人的工作环境,因此采摘机器人需要适应多种自然环境。
2采摘作业的复杂性。采摘作业多数是在行进间完成采摘作业的,在农业领域的生成作业中,行走并不是连接出发点和重点的最短路径,而是需要复杂的避障和判断,选择最佳路径。
3具有良好的适用性和可编程性。由于采摘机器人的对象复杂易伤,采摘机器人的工作环境也受到多种因素影响,因此采摘机器人需要有广泛的适用性和改变部分软硬件就可以进行多种作业的能力[6]。
4作业对象和价格的特殊性。目前我国尚处于发展阶段,农村的教育水平和经济发展尚不足以满足造价高昂、操作复杂的机器人的推广,因此采摘机器人必须操作
简单易学,价格在农民的可承受范围才可以被广泛使用[6]。
1.3采摘机器人的国内外发展现状
20世纪60年代,美国率先开始了果蔬采摘机器人的研究,当时的采摘方法是采用机械振动摇式和气动振摇式,这种方法容易使果实受损,而且效率比较低,因此很快就被淘汰。时间进入60年代后期欧美开始将苹果采摘机械的设计和苹果培育与修建结合起来研究,比如修剪苹果的树形之后使之适合采摘机械作业,进而提高采摘效率。20世纪80年代采摘机器人迈入了飞速发展的阶段,计算机网络、机械电子以及信息获取等技术的不断进步为采摘机器人的研究和发展提供了极大的便利。美国和日本是采摘机器人进展较大的两个国家,研究出了如草莓采摘机器人,橙子采摘机器人等多种采摘机器人。
1.3.1 国外研究进展
  近些年,美国的佛罗里达大学在甜橙采摘机器人的研究上取得了极大进展[8]。他们设计的甜橙采摘机器人与一般的采摘机器人不同,他们设计了两个独立的采摘机器人,一个负责视觉感知、位置感知和图像处理,并可以完善的处理数据进行路径规划,另一个机器人则根据第一个机器人提供的信息进行最后阶段的果实采摘。两个独立设计的机器人减少了单一机器人需要完成的工作量,降低了控制系统设计的难度,减少了数据采集的难度和数据处理量,可以极大的提高采摘的效率[7]。

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