果樹采摘機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析-免費(fèi)閱讀
【正文】 周老師不斷對(duì)我得到的結(jié)論進(jìn)行總結(jié)，并提出新的問(wèn)題，使得我的畢業(yè)設(shè)計(jì)課題能夠深入地進(jìn)行下去，也使我接觸到了許多理論和實(shí)際上的新問(wèn)題，使我做了許多有益的思考。由攝像機(jī)成像基本原理得到目標(biāo)在攝像機(jī)坐標(biāo)系內(nèi)的3D坐標(biāo)與其在攝像機(jī)成像平面上的2D坐標(biāo)之間的關(guān)系：， (51) 式中 f — 攝像機(jī)焦距。 本課題所研究的移動(dòng)車體由剛性車體和剛性履帶組成，移動(dòng)車體的左右兩邊的履帶模型可以簡(jiǎn)化為兩輪模型，且車體模型在忽略了一些如延遲、變形等作用的情況下，作了如下假設(shè)： 1)剛性車體在二維平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)；2)車體的運(yùn)動(dòng)速度較低，低于5km/h； 3)忽略車體的縱向滑動(dòng)； 4)車胎受到的橫向力垂直于其縱向負(fù)載。 圖 41小孔成像系統(tǒng)模型 圖 42 成像系統(tǒng)計(jì)算模型 圖42中的點(diǎn)為攝像機(jī)光心，軸為攝像機(jī)的光軸，它與成像平面垂直。本課題研究的機(jī)器人為蘋果采摘機(jī)器人，其作業(yè)對(duì)象單一為蘋果，針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中采用掐斷果梗的方法收獲果實(shí)和蘋果的物理生物特性，設(shè)計(jì)了一種勺狀末端操作器，實(shí)際裝置如圖33所示。采摘機(jī)器人的作業(yè)對(duì)象在果樹上是隨機(jī)分布的，并且其分布空間較大，其周圍可能存在很多的障礙物。方法如下：(1) 開發(fā)智能化的圖像處理算法； (2) 視覺(jué)傳感器與非視覺(jué)傳感器融合； (3) 采用主動(dòng)光源的視覺(jué)系統(tǒng)；(4) 改變作物的培育模式； (5) 采用開放式控制系統(tǒng)。在國(guó)內(nèi)，果蔬采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。圖11 番茄采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖S1—前后延伸棱柱關(guān)節(jié)；S2—上下延伸棱柱關(guān)節(jié)；7—旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)② 日本的茄子采摘機(jī)器人 日本國(guó)立蔬菜茶葉研究所與岐阜大學(xué)聯(lián)合研制了茄子采摘機(jī)器人。由于不是全自由度的機(jī)械手，操作空間受到了限制，而且堅(jiān)硬的機(jī)械爪容易造成果實(shí)的損傷。 農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的研究意義 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)朝著規(guī)?；?、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的成本必然迅速上升，勞動(dòng)力不足的現(xiàn)象也會(huì)日趨明顯，因而作為高科技的機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域變得越來(lái)越現(xiàn)實(shí)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)、外都在進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的需求極其迫切。 關(guān)鍵詞：果樹采摘機(jī)器人，機(jī)械結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)分析等等。 果樹采摘機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，它是由機(jī)械手固定在履帶式移動(dòng)平臺(tái)上構(gòu)成的一類特殊的移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。因此，機(jī)器人技術(shù)已成為當(dāng)今應(yīng)用廣泛、發(fā)展迅速和最引人注目的高新技術(shù)之一。農(nóng)業(yè)機(jī)器人正在或已經(jīng)替代人的繁重體力勞動(dòng)，可以連續(xù)不間斷地工作，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，是農(nóng)業(yè)智能化不可缺少的重要環(huán)節(jié)。 果樹采摘機(jī)器人操作者是農(nóng)民，不是具有機(jī)電知識(shí)的工程師，因此要求果樹采摘機(jī)器人必須具有高可靠性和操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)；另外，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以個(gè)體經(jīng)營(yíng)為主，如果價(jià)格太高，就很難普及。行走機(jī)構(gòu)有4個(gè)車輪，能在田間自動(dòng)行走，利用機(jī)器人上的光傳感器和設(shè)置在地頭土埂的反射板，可檢測(cè)是否到達(dá)土埂，到達(dá)后自動(dòng)停止，轉(zhuǎn)向后再繼續(xù)前進(jìn)。影響成功率的主要原因是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)采摘位置的判斷不正確；同時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)占用了72%的工作時(shí)間()，也是影響采摘效率的主要因素。而且，采摘時(shí)對(duì)母樹的破壞較小，采凈率高。圖31 果實(shí)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖 機(jī)械臂第一個(gè)自由度為升降自由度，中間三個(gè)自由度為旋轉(zhuǎn)自由度，第五個(gè)自由度為棱柱關(guān)節(jié)。目前越來(lái)越多的新型末端操作器應(yīng)用于農(nóng)業(yè)采摘作業(yè)中，末端操作器的機(jī)械裝置部分是由目標(biāo)物體的生物特性和運(yùn)作情況共同決定的，由此決定了末端操作器的一大特點(diǎn)：一種末端操作器只能進(jìn)行單一的作業(yè)，而不能實(shí)現(xiàn)多功能的作業(yè)。一般情況下，可以將透視投影中的成像設(shè)備—攝像機(jī)線性化，等效為小孔成像模型。在坐標(biāo)系中，該坐標(biāo)系以圖像內(nèi)某一點(diǎn)為原點(diǎn)，定義為攝像機(jī)光軸與圖像平面的交點(diǎn)，軸分別與軸平行。 由上，可得： (47) (48) (49) 由如圖所示的幾何關(guān)系可得： (410) (411) (412) 第五章 果樹采摘機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)分析 果樹采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題包括正運(yùn)動(dòng)學(xué)以及逆運(yùn)動(dòng)學(xué)兩個(gè)問(wèn)題，它們之間的關(guān)系如圖 51所示：圖51 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系示意圖 在多數(shù)文獻(xiàn)中，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行建模時(shí)使用DH法，在對(duì)機(jī)器人進(jìn)行控制時(shí)，需要求解雅克比矩陣，其中包括圖像雅克比矩陣和機(jī)械人雅克比矩陣，本文根據(jù)果樹采摘機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)，采用了一種新的機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法。根據(jù)式（53）可得： (56) 由（54）得： (57)將式（56）、（57）帶入式（214）并平方得： (58)整理（58）得： (59)所以： (510)由（53）得： (511)
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