七自由度果實(shí)收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制系統(tǒng)研究.pdf

1、果實(shí)收獲機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要裝備之一，對(duì)果實(shí)收獲機(jī)器人控制關(guān)鍵技術(shù)的研究，有助于推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施智能化和提高我國農(nóng)業(yè)智能設(shè)備研發(fā)水平。本文以一種七自由度果實(shí)收獲機(jī)械手為研究對(duì)象，分別對(duì)收獲機(jī)械手的控制系統(tǒng)、無障礙軌跡規(guī)劃、避障路徑規(guī)劃以及位置滑模變結(jié)構(gòu)控制進(jìn)行了分析與研究。
　　根據(jù)果實(shí)收獲機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，在Robotics Toolbox中建立機(jī)械手模型，分別采用三次多項(xiàng)式、五次多項(xiàng)式和拋物線過渡三種方法進(jìn)行了關(guān)節(jié)

2、空間內(nèi)的無障礙軌跡規(guī)劃研究，并對(duì)仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明拋物線過渡法相對(duì)具有實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單、位置勻速運(yùn)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。
　　為實(shí)現(xiàn)收獲機(jī)械手的高效率避障運(yùn)動(dòng)，在基于偽距離的梯度投影避障方法基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種變分法優(yōu)化關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)路徑指標(biāo)，結(jié)合梯度投影避障方法，提出一種新型動(dòng)態(tài)避障規(guī)劃方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，新型梯度投影動(dòng)態(tài)避障方法最高可實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)量減少83.3％，機(jī)械手總體位移量減少31.7%，能夠消除關(guān)節(jié)的冗余運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械手的避障

3、運(yùn)動(dòng)效率。
　　在MATLAB中采用S-函數(shù)建立了收獲機(jī)械手單關(guān)節(jié)控制模型，進(jìn)行了基于指數(shù)趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)位置控制研究，并分析了指數(shù)趨近律和切換函數(shù)參數(shù)對(duì)滑模控制器輸出抖振和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，在保證系統(tǒng)響應(yīng)速度的前提下，可以通過適當(dāng)選取滑模參數(shù)以減小控制器輸出抖振。
　　為解決滑?？刂贫墩駟栴}，采用遺傳算法動(dòng)態(tài)調(diào)整指數(shù)趨近律滑?？刂茀?shù)，以控制輸出和關(guān)節(jié)位置誤差最小為評(píng)價(jià)目標(biāo)，不斷實(shí)時(shí)搜索出最優(yōu)的滑模參數(shù)。

4、仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與普通滑?？刂葡啾?，該方法有效的抑制了關(guān)節(jié)滑模控制器的輸出抖振現(xiàn)象，并且當(dāng)關(guān)節(jié)受到外界干擾時(shí)，該方法具有更強(qiáng)的魯棒性。
　　通過分析當(dāng)前主流機(jī)器人控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，結(jié)合果實(shí)收獲機(jī)器人本身特性，提出采用基于CAN總線的主控制器+多關(guān)節(jié)控制器分布式控制系統(tǒng)方案。同時(shí)，針對(duì)本文機(jī)械手第六關(guān)節(jié)，設(shè)計(jì)并制作了基于STM32微控制器和AS5045的關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)硬件，并設(shè)計(jì)了關(guān)節(jié)位置反饋程序、位置滑模控制算法程序及CAN模塊收