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一种多用途采摘机器人末端执行器的设计与研究
作 者: 居洪玲
导 师: 姬长英
学 校: 南京农业大学
专 业: 农业机械化工程
关键词: 末端执行器 多用途 模糊控制 电磁离合器
分类号: S24
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
由于果蔬的质地较为脆弱,形状及生长状况又很复杂,因此末端执行器的设计通常被认为是采摘机器人的核心技术之一。各个国家对果蔬采摘末端执行器方面的研究已有二十余年,日本、美国、荷兰和我国等其他国家先后研制出了番茄、草莓、茄子、西瓜、柑橘、蘑菇、黄瓜、和苹果等采摘机器人末端执行器,并在初步应用中得到良好效果。但纵观所有研制出的末端执行器都是专一用于某一水果品种,实际中通常是几个品种混合种植.每一品种都采用专门的采摘器采摘,不仅费时费力,而且投入成本太大。研制过程中过多使用高精密仪器,导致制造成本偏高,不利于产品普及。动力源方面通常需要多个动力设备协调作业,不仅使得末端执行器机构臃肿、自身过重大大降低可采摘重量,而且导致控制程序复杂,产品可靠性不好保证。针对国内外的研究现状,再结合水果种植方面的实际情况,提出了本文所叙述的采摘机器人末端执行器。在整个研制过程中需要完成如下工作:1.进行末端执行器的整体功能设计,用SolidWorks三维仿真和优化结构,确定最终方案,加工出产品样机。2.用PC机、PCI—1240U运动控制卡、PCI—1710数据采集卡和力传感器组成硬件控制系统并以此为基础搭建硬件实验平台。实验结果表明,此样机抓取、拧断、复位功能实现情况良好,说明设计成功。3.控制软件选用功能强大且形象生动的图形化语言LabVIEW,采用模糊控制算法。利用LabVIEW软件自身的模糊逻辑工具包设计出的PID模糊控制器,使采集到的力值可无限接近设定力值,从而实现对摘取力的控制。实验证明,该系统很好地完成了数据采集、力值动态显示、故障报警及系统自动循环预设功能。本文的最大创新之处在于在机械设计中引入电磁离合器,不仅实现了既定动作要求,而且简化了单一动力源设计条件下复杂的机械结构,使整个末端执行器质量更轻,体积更小,节省空间,运动更加灵活。
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全文目录
摘要 7-8ABSTRACT 8-10第一章 绪论 10-20 1.1 概述 10 1.2 国内外研究状况 10-15 1.3 课题的意义、目的 15-16 1.4 课题的工作任务和研究内容 16-18 1.4.1 工作任务 16-17 1.4.2 研究的主要内容 17 1.4.3 创新点 17-18 参考文献 18-20第二章 功能分析和总体方案设计 20-28 2.1 末端执行器的设计要求 20 2.2 末端执行器功能分析和方案确定方法 20-21 2.2.1 功能分析 20 2.2.2 方案确定方法 20-21 2.3 末端执行器结构方案设计 21-22 2.4 末端执行器抓取方案设计 22-24 2.4.1 抓取方式 22-23 2.4.2 稳固抓取水果的条件 23-24 2.5 末端执行器驱动方案设计 24 2.6 末端执行器控制方案设计 24-25 2.7 末端执行器总体方案设计 25 2.8 苹果表面受力参数 25 2.9 本章小结 25-26 参考文献 26-28第三章 SolidWorks三维参数化建模 28-40 3.1 solidWorks简介 28-29 3.2 SolidWorks的参数化设计 29 3.3 参数化方程 29 3.4 基于SolidWorks的参数化建模 29-33 3.4.1 传动机构的参数化建模 32 3.4.2 抓取机构的参数化建模 32 3.4.3 拧断机构的参数化建模 32-33 3.4.4 整体三维模型优化 33 3.5 电磁离合器 33-39 3.5.1 概念和分类 33-35 3.5.2 摩擦片式电磁离合器基本结构和工作原理 35 3.5.3 电磁离合器的选择 35-38 3.5.4 使用过程中的注意事项 38-39 3.6 本章小结 39 参考文献 39-40第四章 控制单元的硬件设计 40-46 4.1 硬件控制系统组成 40 4.2 运动控制卡和外接端子板 40-41 4.2.1 简介 40-41 4.2.2 与伺服驱动器连接配线图 41 4.3 测力传感器及信号放大器 41 4.4 数据采集卡和外接端子板 41-42 4.4.1 简介 41-42 4.4.2 与测力传感器连接配线图 42 4.5 其它硬件间的连接配线图 42-44 4.6 本章小结 44 参考文献 44-46第五章 控制算法的建立 46-60 5.1 模糊控制理论产生的历史背景 46 5.2 模糊控制应用进展 46-47 5.3 模糊控制的数学基础 47-50 5.3.1 模糊集合 47-48 5.3.2 模糊集合的运算 48-49 5.3.3 模糊关系及模糊矩阵的运算 49-50 5.4 模糊控制器的组成 50-51 5.5 LabVIEW模糊逻辑工具包 51-53 5.6 PID模糊控制器设计 53-57 5.6.1 控制器的结构 53 5.6.2 隶属度函数确立 53-55 5.6.3 模糊控制规则 55-56 5.6.4 控制器的输出 56 5.6.5 LabVIEW实现 56-57 5.7 本章小结 57-58 参考文献 58-60第六章 基于LabVIEW的运动控制系统设计 60-68 6.1 主要运动控制函数简介 60-62 6.2 主要运动控制子VI 62-63 6.2.1 电机CW和CCW子VI 62-63 6.2.2 电机停止子VI 63 6.2.3 数据采集子VI 63 6.3 LabVIEW运动控制系统设计 63-64 6.4 意外报警和末端执行器复位行程限位保护 64-67 6.5 本章小结 67 参考文献 67-68第七章 实验及结果分析 68-76 7.1 电磁离合器结合和切离实验及结果分析 68-69 7.2 力采集对比实验和结果分析 69-70 7.3 采摘实验和结果分析 70-73 7.4 效率问题 73-74 7.4.1 采摘时间 73 7.4.2 成功率 73-74 7.5 本章小结 74-76第八章 结论和建议 76-78 8.1 结论 76 8.2 后续研究建议 76-78攻读硕士期间发表的论文 78-80致谢 80
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中图分类: > 农业科学 > 农业工程 > 农业电气化与自动化
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