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黄瓜采摘机器人运动规划与控制系统研究

作　者: 王燕
导　师: 张立彬；杨庆华
学　校: 浙江工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 黄瓜采摘机器人运动学动力学轨迹规划与跟踪误差补偿控制系统
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

果蔬收获属于一类劳动密集型工作,由于人口老龄化和农业劳动力资源的缺乏,致使人工收获成本在整个果蔬生产成本中所占的比例高达33~50%,大大降低了产品的市场竞争力。研究开发智能型采摘机器人不仅有利于解放劳动力、提高生产率、降低生产成本、保证新鲜果蔬品质,而且还可以促进机械结构、机器人技术、图像处理、智能控制技术、传感器技术等相关领域的深入研究和应用,具有重要的现实意义和战略意义。本课题在全面分析研究国内外采摘机器人优缺点的基础上,以黄瓜为研究对象,从黄瓜采摘机器人本体结构设计、运动学与动力学分析、轨迹规划与轨迹跟踪、定位精度补偿及控制系统设计等方面入手,对黄瓜采摘机器人的运动规划与控制系统进行了全面而系统的研究。主要研究工作与成果如下:1.针对黄瓜采摘作业的特点,研制开发了一套四自由度关节型采摘机械手,该机械手结构简单紧凑,重量轻,成本低,动作灵活平稳。为使采摘机械手能收获目标空间的所有果实,提出了一种适用于采摘空间为任意立方体的关节型机械手结构参数优化方法:根据黄瓜目标采摘空间的要求,利用MATLAB优化工具箱对采摘机械手进行了结构参数优化。2.对采摘机械手进行运动学和动力学分析与仿真。采用D-H法建立采摘机械手正运动学,利用解析法进行逆运动学求解;并根据拉格朗日法建立采摘机械手的简化动力学模型。最后进行了运动学、工作空间及动力学仿真实验与分析,验证了模型的正确性及结构参数优化的合理性。3.研究了机器人关节空间轨迹规划与轨迹跟踪控制算法。通过对各种轨迹规划算法的分析比较,结合采摘机器人系统自身结构特点与果实采摘作业要求,提出了采用两段摆线运动组合的水平抓取规划方法,实现机器人快速平稳运动。同时,为实现对期望轨迹的精确跟踪,构造了一种快速非奇异终端滑模控制器,解决了普通滑模控制器在线性滑模条件下渐进收敛、传统终端滑模控制的奇异性与抖振问题。仿真实验证明它能够准确跟踪期望轨迹,并能使位置跟踪误差在有限时间内收敛到平衡点,响应时间短,鲁棒性好。4.对采摘机器人定位误差补偿算法进行了研究。提出了基于LMBP神经网络的直接误差补偿法和预置偏移量补偿法,用于减少由结构参数偏差引入的机器人末端位置误差,并通过仿真实验验证了方法的有效性。5.基于CAN总线的黄瓜采摘机器人控制系统软硬件设计。提出了基于DSP的上位机运动控制器+CAN总线+ DSP关节控制器的分布式控制方案。搭建了控制系统的硬件平台;并采用模块化设计思想,设计了采摘机器人控制系统初始化、逆运动学运算、轨迹规划、末端执行器控制、CAN模块、关节电机位置采集与控制等程序。6.对研制的黄瓜采摘机器人进行了性能测试实验。实验结果表明:机器人系统运行稳定可靠,机械手重复性定位精度为2.4mm;误差补偿后,x轴最大误差由补偿前4.3mm减少到3.5mm;y方向最大误差由6.9 mm减少到3.7mm;z轴误差基本不变。采摘成功率约为86%,采摘一根黄瓜平均耗时18s左右。本课题为果蔬采摘机器人智能化和实用化的进一步研究提供了良好的基础,在今后的工作中,可以进一步从优化机器人机械结构和提高控制精度两方面进行深入地研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
目录  9-13
第一章绪论  13-25
  1.1 课题来源  13
  1.2 研究背景  13-14
  1.3 果蔬采摘机器人研究现状与分析  14-21
    1.3.1 国外果蔬采摘机器人研究现状  14-18
      1.3.1.1 日本西红柿采摘机器人  14-15
      1.3.1.2 日本葡萄采摘机器人  15
      1.3.1.3 日本草莓采摘机器人  15-16
      1.3.1.4 荷兰黄瓜采摘机器人  16-17
      1.3.1.5 意大利甘蓝采摘机器人  17
      1.3.1.6 英国蘑菇采摘机器人  17-18
    1.3.2 国内果蔬采摘机器人研究现状  18-21
      1.3.2.1 林木球果采集机器人  18-19
      1.3.2.2 茄子采摘机器人  19
      1.3.2.3 草莓采摘机器人  19-20
      1.3.2.4 西红柿采摘机器人  20-21
      1.3.2.5 黄瓜采摘机器人  21
  1.4 果蔬采摘机器人发展存在的问题及解决思路  21-22
    1.4.1 存在的问题  21-22
    1.4.2 解决的思路  22
  1.5 本课题主要研究内容及意义  22-25
    1.5.1 研究内容  22-23
    1.5.2 研究意义  23-25
第二章黄瓜采摘机器人机械本体设计与优化  25-40
  2.1 黄瓜采摘机器人系统组成  25-26
  2.2 黄瓜采摘机器人作业环境与作业流程  26-28
  2.3 黄瓜采摘机械手本体结构选型  28-30
    2.3.1 采摘机械手基本构型选择  28
    2.3.2 自由度选择  28-30
  2.4 采摘机械手机械结构设计  30-35
    2.4.1 关节驱动方式选择  30-31
    2.4.2 传动机构选择  31
    2.4.3 本体材料选择  31-32
    2.4.4 关节机械结构设计  32-34
    2.4.5 末端执行器设计  34-35
    2.4.6 采摘机械手试验样机  35
  2.5 黄瓜采摘机械手结构参数优化  35-39
    2.5.1 目标采摘区域优化问题的简化处理  35-36
    2.5.2 优化设计变量的确定  36-37
    2.5.3 主连杆确定的工作空间  37-38
    2.5.4 目标函数的确定  38
    2.5.5 约束条件  38-39
    2.5.6 应用MATLAB工具箱实现机械手结构参数的优化  39
  2.6 小结  39-40
第三章黄瓜采摘机器人运动学和动力学建模  40-56
  3.1 机器人运动学分析的数学基础  40-41
    3.1.1 刚体位姿描述  40
    3.1.2 手爪位姿描述  40-41
  3.2 黄瓜采摘机器人运动学分析与建模  41-45
    3.2.1 正运动学模型  41-43
    3.2.2 逆运动学求解  43-45
  3.3 黄瓜采摘机器人动力学模型  45-50
    3.3.1 机器人拉氏动力学方程  46-47
    3.3.2 黄瓜采摘机器人动力学建模  47-50
  3.4 仿真实验与分析  50-55
    3.4.1 黄瓜采摘机器人正运动学仿真  50-52
    3.4.2 黄瓜采摘机器人工作空间仿真与分析  52-54
    3.4.3 黄瓜采摘机器人动力学仿真  54-55
  3.5 小结  55-56
第四章黄瓜采摘机器人轨迹规划与轨迹跟踪控制算法研究  56-74
  4.1 轨迹规划算法  56-62
    4.1.1 三次多项式和五次多项式插值法  56-57
    4.1.2 抛物线过渡法  57-58
    4.1.3 B样条曲线法  58-59
    4.1.4 摆线运动规划法  59-60
    4.1.5 轨迹规划算法的特性指标分析与比较  60-62
  4.2 黄瓜采摘机器人轨迹规划实现  62-65
    4.2.1 黄瓜采摘机器人任务规划  62-64
    4.2.2 黄瓜采摘机器人关节空间轨迹规划实现  64-65
  4.3 黄瓜采摘机器人轨迹跟踪控制算法研究  65-73
    4.3.1 滑模变结构控制  66-67
    4.3.2 机器人快速非奇异滑模控制器的设计  67-70
    4.3.3 仿真实验与分析  70-73
  4.4 小结  73-74
第五章黄瓜采摘机器人定位误差补偿算法  74-83
  5.1 误差源分析  74-75
  5.2 基于LMBP神经网络的直接误差补偿法  75-81
    5.2.1 LMBP神经网络补偿原理  75-76
    5.2.2 LMBP神经网络  76-78
    5.2.3 LMBP神经网络补偿算法仿真实验  78-81
  5.3 预置偏移量补偿法  81-82
    5.3.1 预置偏移量法补偿原理  81
    5.3.2 预置偏移量补偿法仿真实验  81-82
  5.4 小结  82-83
第六章基于CAN总线的黄瓜采摘机械手控制系统设计  83-96
  6.1 黄瓜采摘机械手总体控制方案  83-84
  6.2 基于CAN总线的黄瓜采摘机械手运动控制系统硬件设计  84-86
  6.3 关节控制器硬件设计  86-87
  6.4 黄瓜采摘机械手上位机运动控制系统软件设计  87-92
    6.4.1 用户层CAN通信协议的制定  87-89
    6.4.2 上位机运动控制系统总体软件设计  89-90
    6.4.3 上位机运动控制系统重要子程序设计  90-92
  6.5 关节控制器软件设计  92-95
    6.5.1 关节控制器总体软件设计  92-93
    6.5.2 关节控制器重要子程序设计  93-95
  6.6 小结  95-96
第七章黄瓜采摘机器人性能测试实验与分析  96-108
  7.1 黄瓜采摘机械手CAN总线通信测试实验  96-100
    7.1.1 机械手运动控制系统软件的开发环境  96
    7.1.2 CAN总线通信测试平台的搭建  96-97
    7.1.3 CAN总线通信测试试验  97-100
  7.2 采摘机械手性能测试实验  100-106
    7.2.1 采摘机械手结构参数标定及零点设定  100-101
    7.2.2 采摘机械手定位精度测试实验与分析  101-103
    7.2.3 采摘机械手运动学逆解测试实验  103-104
    7.2.4 采摘机械手重复定位精度实验  104-105
    7.2.5 采摘机械手定位误差补偿实验  105-106
  7.3 温室环境下黄瓜采摘机器人整体性能测试实验  106-107
  7.4 小结  107-108
第八章总结与展望  108-111
  8.1 总结  108-109
  8.2 论文创新点  109
  8.3 后续研究工作的方向与思路  109-111
参考文献  111-116
致谢  116-117
攻读博士学位期间参加科研项目与发表的学术论文目录  117-118

黄瓜采摘机器人运动规划与控制系统研究

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