柑橘采摘机器人咬合式末端执行器关键技术研究
发布时间：2023-03-22 20:04
在果蔬生产中,对新鲜果蔬的收获是最耗时、最费力、占用劳动力最多的一个环节,研究开发柑橘采摘机器人,实现柑橘果实收获的自动化和智能化,对于解放生产力、提高劳动生产效率、降低生产成本等具有重要意义。采摘机器人的末端执行器直接负责对果蔬的采摘操作,对果蔬的成功收获起着关键的作用,是采摘机器人能否成功完成采摘任务的一个关键部件,被认为是农业采摘机器人的核心技术之一。因此,开展适用于果园自然环境的末端执行器及柑橘采摘机器人系统的相关研究,对提高采摘机器人精确采摘的能力、实现柑橘采摘自动化和智能化具有非常重要的理论意义和实用价值。本文根据机器人在果园自然环境收获柑橘的实际,建立了果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型,揭示了模型的各参数对剪切效果的影响规律,提出了基于仿生学原理的咬合式采摘的方法,应用仿生学原理模仿蛇的咬合动作设计了咬合式末端执行器,提出了应用咬合式末端执行器进行采摘的最佳采摘姿态的判断函数,并结合末端执行器的具体参数解出了最佳采摘姿态的值,根据实验结果对末端执行器进行了优化,开发了集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统及控制方法,在果园自然环境中进行了实验验证,基本实现了采摘机器人在...
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究的目的与意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 机器分离作物果柄与果实方法研究现状
1.2.2 农作物茎秆切割特性国内外研究现状
1.2.3 采摘机器人末端执行器国内外研究现状
1.2.4 球类果实采摘机器人国内外研究现状
1.3 面临的主要问题
1.4 本文研究内容
1.5 本章小结
2 果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型及影响参数研究
2.1 引言
2.2 果园自然环境柑橘果柄剪切模型研究
2.2.1 果园自然环境下机器人收获柑橘的基本方案
2.2.2 柑橘果柄剪切效果的影响因素
2.2.3 采摘坐标系建立与柑橘果柄空间方位描述
2.2.4 建立果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型
2.3 剪切模型参数对剪切效果的影响规律研究
2.3.1 试验与数据处理方法
2.3.2 试验平台与样本
2.3.3 各参数对剪切效果影响规律
2.3.4 试验结果分析与归纳
2.4 本章小结
3 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计与采摘姿态研究
3.1 引言
3.2 仿蛇嘴咬合式末端执行器咬合机构设计
3.2.1 咬合式末端执行器设计的目标和要求
3.2.2 咬合式末端执行器的提出与蛇头骨结构分析
3.2.3 蛇头骨骼机构的简化和仿蛇嘴咬合机构的设计
3.3 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计
3.3.1 仿蛇嘴咬合式末端执行器的初步设计
3.3.2 咬合式末端执行器机构尺寸的确定
3.3.3 咬合式末端执行器运动学分析
3.3.4 咬合式末端执行器动力学分析及气缸选型
3.3.5 咬合式末端执行器运动学仿真及样件
3.4 柑橘采摘机器人采摘姿态研究
3.4.1 末端执行器位姿描述
3.4.2 建立采摘姿态评估函数
3.4.3 求解评估函数
3.5 咬合式末端执行器和最佳采摘姿态实验室环境下的验证
3.5.1 搭建实验室环境下的实验平台
3.5.2 咬合式末端执行器实验室环境下的验证
3.5.3 最佳采摘姿态实验室环境下的包含验证
3.5.4 实验结果分析
3.6 本章小结
4 咬合式末端执行器的优化与验证
4.1 引言
4.2 咬合式末端执行器结构优化
4.2.1 优化的目标及约束条件
4.2.2 优化过程
4.2.3 优化结果分析
4.3 优化后的咬合式末端执行器的运动学和动力学分析
4.3.1 运动学分析
4.3.2 动力学分析
4.4 优化后的咬合式末端执行器实验室环境下验证
4.4.1 优化后的咬合式末端执行器样机
4.4.2 末端执行器对不同果柄偏角的剪断实验
4.4.3 末端执行器对不同果柄倾角的剪断实验
4.4.4 机械臂采摘路径规划成功率实验
4.4.5 实验结果分析与归纳
4.5 本章小结
5 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统及控制方法
5.1 引言
5.2 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统
5.2.1 柑橘采摘机器人系统组成
5.2.2 柑橘采摘机器人的控制系统
5.3 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人采摘控制方法
5.3.1 集成咬合式末端执行器的机械臂正逆运动学分析
5.3.2 采摘机器人机械臂关节空间轨迹规划
5.3.3 采摘机器人机械臂与视觉模块的坐标转换
5.3.4 机械臂逆运动学解选择与多果采摘序列规划方法
5.4 柑橘采摘机器人采摘实验验证
5.4.1 实验室环境下的多个果实采摘序列规划实验
5.4.2 果园自然环境下的单个果实采摘实验
5.4.3 果园自然环境下的多个果实采摘实验
5.4.4 实验结果分析
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 论文创新点
6.3 工作展望
参考文献
附录
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
B.作者在攻读学位期间获得专利情况
C.作者在攻读学位期间主持和参与的科研项目
D.学位论文数据集
致谢
本文编号：3767498
【文章页数】：169 页
【学位级别】：博士
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中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 研究的目的与意义
1.2 国内外研究现状分析
1.2.1 机器分离作物果柄与果实方法研究现状
1.2.2 农作物茎秆切割特性国内外研究现状
1.2.3 采摘机器人末端执行器国内外研究现状
1.2.4 球类果实采摘机器人国内外研究现状
1.3 面临的主要问题
1.4 本文研究内容
1.5 本章小结
2 果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型及影响参数研究
2.1 引言
2.2 果园自然环境柑橘果柄剪切模型研究
2.2.1 果园自然环境下机器人收获柑橘的基本方案
2.2.2 柑橘果柄剪切效果的影响因素
2.2.3 采摘坐标系建立与柑橘果柄空间方位描述
2.2.4 建立果园自然环境柑橘果柄采摘剪切模型
2.3 剪切模型参数对剪切效果的影响规律研究
2.3.1 试验与数据处理方法
2.3.2 试验平台与样本
2.3.3 各参数对剪切效果影响规律
2.3.4 试验结果分析与归纳
2.4 本章小结
3 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计与采摘姿态研究
3.1 引言
3.2 仿蛇嘴咬合式末端执行器咬合机构设计
3.2.1 咬合式末端执行器设计的目标和要求
3.2.2 咬合式末端执行器的提出与蛇头骨结构分析
3.2.3 蛇头骨骼机构的简化和仿蛇嘴咬合机构的设计
3.3 仿蛇嘴咬合式末端执行器的设计
3.3.1 仿蛇嘴咬合式末端执行器的初步设计
3.3.2 咬合式末端执行器机构尺寸的确定
3.3.3 咬合式末端执行器运动学分析
3.3.4 咬合式末端执行器动力学分析及气缸选型
3.3.5 咬合式末端执行器运动学仿真及样件
3.4 柑橘采摘机器人采摘姿态研究
3.4.1 末端执行器位姿描述
3.4.2 建立采摘姿态评估函数
3.4.3 求解评估函数
3.5 咬合式末端执行器和最佳采摘姿态实验室环境下的验证
3.5.1 搭建实验室环境下的实验平台
3.5.2 咬合式末端执行器实验室环境下的验证
3.5.3 最佳采摘姿态实验室环境下的包含验证
3.5.4 实验结果分析
3.6 本章小结
4 咬合式末端执行器的优化与验证
4.1 引言
4.2 咬合式末端执行器结构优化
4.2.1 优化的目标及约束条件
4.2.2 优化过程
4.2.3 优化结果分析
4.3 优化后的咬合式末端执行器的运动学和动力学分析
4.3.1 运动学分析
4.3.2 动力学分析
4.4 优化后的咬合式末端执行器实验室环境下验证
4.4.1 优化后的咬合式末端执行器样机
4.4.2 末端执行器对不同果柄偏角的剪断实验
4.4.3 末端执行器对不同果柄倾角的剪断实验
4.4.4 机械臂采摘路径规划成功率实验
4.4.5 实验结果分析与归纳
4.5 本章小结
5 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统及控制方法
5.1 引言
5.2 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人系统
5.2.1 柑橘采摘机器人系统组成
5.2.2 柑橘采摘机器人的控制系统
5.3 集成咬合式末端执行器的柑橘采摘机器人采摘控制方法
5.3.1 集成咬合式末端执行器的机械臂正逆运动学分析
5.3.2 采摘机器人机械臂关节空间轨迹规划
5.3.3 采摘机器人机械臂与视觉模块的坐标转换
5.3.4 机械臂逆运动学解选择与多果采摘序列规划方法
5.4 柑橘采摘机器人采摘实验验证
5.4.1 实验室环境下的多个果实采摘序列规划实验
5.4.2 果园自然环境下的单个果实采摘实验
5.4.3 果园自然环境下的多个果实采摘实验
5.4.4 实验结果分析
5.5 本章小结
6 结论与展望
6.1 结论
6.2 论文创新点
6.3 工作展望
参考文献
附录
A.作者在攻读学位期间发表的论文目录
B.作者在攻读学位期间获得专利情况
C.作者在攻读学位期间主持和参与的科研项目
D.学位论文数据集
致谢
本文编号：3767498
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