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番茄采摘机器人真空吸持系统分析与优化控制研究

作　者: 刘继展
导　师: 李萍萍
学　校: 江苏大学
专　业: 农业生物环境与能源工程
关键词: 番茄采摘机器人真空吸持系统分析优化
分类号: TP242
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

番茄的成穗生长等特性使其成为机器人采收难度最大的果蔬种类之一。机器人真空吸持系统是在采摘机器人对成穗生长的番茄果实作业时避免相邻果实干涉的重要辅助装置,本文以自行开发的以微型空压机+真空发生器为核心的新型真空吸持系统为对象,以大量的试验结果为基础,对该真空吸持系统的运行规律进行了系统的分析与模型描述,并进而完成了控制参数及模式的优化,从而为实现高成功率、高效、节能的真空吸持拉动,提高番茄采摘机器人的作业成功率提供了技术基础。本文的研究工作及取得的成果主要包括：(1)进行了番茄果实和果梗(柄)的形态结构特性、番茄果实的挤压与果皮摩擦特性、以及果梗(柄)的弯折、拉、扭特性的试验研究,为采摘机器人末端执行器的设计开发和真空吸持拉动的控制参数及模式优化提供了基础参数；对番茄采摘机器人末端执行器进行了总体方案优选,对夹持器、真空吸持系统和果柄激光切断装置进行了型设计与结构设计,开发完成了番茄采摘机器人末端执行器,并与六自由度机械手和双目视觉系统配置形成了番茄采摘机器人实验系统。(2)充分考虑真空吸持系统吸持拉动过程中齿条-吸盘-果实(果梗)-植株间的相互力学作用,在拉脱力-吸盘直径试验、拉脱力-真空度关系试验和吸盘压缩试验基础上,建立了真空吸持拉动作业过程的吸持拉力多因素模型,从而有效反映了吸持拉力与拉动距离、真空度、果实大小、果实重量、果梗(柄)长度、果梗(柄)弯曲弹性刚度、初始姿态等多个因素的复杂关系,为以高成功率为目标的吸持拉动优化控制提供了理论依据。(3)根据真空发生器供气压力-真空负压试验、真空压力传感器标定试验、空压机-储气罐充气性能试验、真空发生器吸气／吹气／放气三种状态的耗气性能试验结果,以储气压力变化为指标,通过基础模型→基本模型→递推模型→压力-时间模型的推理顺序,建立了实际作业过程的连续充气-间歇耗气模型,精确描述了真空吸持拉动作业中的储气压力变化规律,并有效反映出各个充／耗气参数对储气压力变化的影响,从而为硬件配置和控制参数与模式的优化提供了理论基础。(4)完成了单向阀的真空维持能力试验、供气／吸气的真空吸着响应时间试验、敝口／闭口的真空吸着响应时间试验、不同供气时间的真空吸着响应试验和真空解除响应时间试验,根据试验结果建立了真空吸着响应模型,依据该模型对管路长度、真空发生器抽吸能力与真空吸持系统作业性能的关系进行了分析,并进而对管路长度进行了优化。(5)利用概率论方法和正态分布函数,建立了综合吸持拉动成功率和夹持干涉率的实际夹持成功率理论评价模型,并以其和作业效率、能耗水平为判断指标,以真空吸持系统的力-运动、储气压力变化和真空动作响应规律为基础,通过理论推导和实验验证,对吸持拉动的运动参数和真空开／闭参数进行了优化,优化确定了“先接触,后供气”的吸盘吸持与齿条运动协调模式、“先夹持,后自动释放”的吸盘释放与手指夹持协调模式和“自动充停”的真空吸持系统节能控制模式。论文建立了农业装备及其控制的完整优化流程,针对农业对象的高度差异性特征,创新性地以概率方法为手段构建了作业成功率的综合评估指标,以果实物理与力学特性、硬件参数、力-运动规律、充耗气规律和真空响应规律为共同基础完成了控制参数与模式的优化,实现了高成功率、高效、节能的真空吸持及夹持作业,解决了番茄机器人采摘中的关键难题,具有重要的学术价值与实际意义。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-44
  1.1 本课题研究的背景和意义  12-14
  1.2 国内外研究现状  14-42
  1.3 研究内容  42-44
第二章番茄特性的试验研究  44-58
  2.1 番茄的形态结构特性  44-45
  2.2 番茄果实挤压特性  45-50
  2.3 果皮摩擦特性  50-51
  2.4 果梗(柄)力学特性  51-57
  2.5 小结  57-58
第三章番茄采摘机器人末端执行器的设计  58-78
  3.1 采摘机器人末端执行器设计的总体原则  58
  3.2 总体方案设计  58-62
  3.3 夹持器设计  62-64
  3.4 真空吸持系统设计  64-67
  3.5 果柄激光切断装置设计  67-70
  3.6 末端执行器总体方案  70-76
  3.7 小结  76-78
第四章真空吸持拉动的力-运动分析  78-94
  4.1 真空系统的概念区分  78-79
  4.2 试验  79-83
  4.3 吸盘力学模型  83-90
  4.4 吸持拉动过程的力-运动分析  90-91
  4.5 小结  91-94
第五章真空吸持系统的充耗气动态模型  94-126
  5.1 真空吸持系统充耗气性能试验  94-100
  5.2 空压机-储气罐充气基础模型  100-103
  5.3 真空发生器耗气基础模型  103-106
  5.4 空压机-储气罐-真空发生器连续充/耗气基本模型  106-109
  5.5 实际作业过程的连续充气-间歇耗气复合模型  109-120
  5.6 真空吸持系统作业过程的储气压力变化规律  120-124
  5.7 小结  124-126
第六章真空动作响应规律分析  126-140
  6.1 真空响应时间试验  126-131
  6.2 真空吸着响应曲线的理论建模  131-134
  6.3 吸着响应时间与真空吸持系统作业性能的关系  134-138
  6.4 小结  138-140
第七章真空吸持系统控制参数与模式优化  140-188
  7.1 吸持拉动距离优化  140-154
  7.2 真空度阂值与吸持拉动成功率  154-160
  7.3 吸持拉动的位移/位置参数优化  160-162
  7.4 动作协调的控制模式优化  162-169
  7.5 充耗气的节能控制模式及参数优化  169-181
  7.6 优化控制参数及模式验证试验  181-186
  7.7 小结  186-188
第八章总结与展望  188-192
  8.1 本文的主要研究工作  188
  8.2 本文的主要贡献及创新点  188-190
  8.3 将来的工作  190-192
符号对照表  192-194
参考文献  194-202
致谢  202-204
博士期间主要科研工作和学术成果  204-206
  主要课题  204
  发表学术论文  204-205
  授权专利  205
  申请专利  205-206

番茄采摘机器人真空吸持系统分析与优化控制研究

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