串番茄采摘机器人结构设计与路径规划

• 作 者: 李世杰
• 出 处: 兰州理工大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 串番茄 运动学分析 末端执行器 路径规划

串番茄是一种新上市的番茄种类,成串收获,深受广大消费者的喜爱,其种植面积也在不断增加。运用农业机器人可以提高农业的工作效率和生产力,降低工人的劳动强度和作业成本,还能使工人劳动舒适性得到很大的改善。目前,还未发现针对串番茄采摘机器人的研究,本文以温室大棚里的串番茄采摘机器人为研究对象。对串番茄采摘机器人结构进行了设计和分析,开发出了一款用于采摘串番茄的末端执行器,最后对机械臂采摘时的避碍路径进行了规划。主要研究内容如下:(1)深入了解了农业采摘机器人国内外研究现状,同时还借鉴工业机器人结构类型,结合串番茄的采摘环境,设计了一款六自由度关节型的串番茄采摘机器人,并且使用SolidWorks软件完成了三维模型的建立。此外,使用ANSYS Workbench软件对串番茄采摘机器人关键部件进行了有限元分析,仿真结果表明,其强度、刚度和动态性能良好。(2)设计出了一款用于串番茄采摘的末端执行器,对夹持的力封闭性和夹指的可靠性进行了分析,同时对旋切式和剪切式两种切割方式进行了对比,结果表明剪切式的切割方式更适合于串番茄的采摘作业。同时也制作了物理样机,并对夹指进行了负重干扰性能的夹持实验,在动态负重干扰下最少可夹持的重量为1.015kg,试验表明该末端执行器的夹持能力完全满足采摘串番茄的需要。(3)建立了串番茄采摘机器人的运动学模型,求解了正、逆解和雅克比矩阵。利用MATLAB软件验证了求解的正确性,对采摘机器人的工作空间进行了仿真,验证了采摘机器人结构满足采摘要求。(4)把所建立的三维模型导入了ADAMS软件中,对其进行运动学反解和各关节角速度、速度等进行了分析,也对各转动轴力矩随时间的变化进行了分析,为后续采摘机器人轨迹规划提供了理论依据。(5)对机械臂与障碍物及本身的实体碰撞问题进行了空间几何体包络检测,将空间的问题转化为空间中的几何位置关系,并通过解析几何知识进行了求解。结合改进的逐加步长算法与碰撞模型结合对采摘机器人避障路径进行了规划,采用MATLAB仿真结果表明改进的方法有较好的效果。还利用改进的逐加步长法与三次样条插值相结合的方法对运动进行了平滑处理,通过MATLAB进行仿真得到了光滑的位移、速度和加速度曲线。