穴盤苗移栽機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、育苗移栽技術(shù)具有諸多優(yōu)越性，國(guó)內(nèi)移栽基本以手工移栽和半自動(dòng)移栽機(jī)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低。移栽機(jī)器人的應(yīng)用對(duì)改善作業(yè)者的勞動(dòng)條件、提高作業(yè)效率、解決因勞動(dòng)力不足帶來(lái)的問(wèn)題，提高我國(guó)移栽自動(dòng)化水平具有非常重要的意義。本研究針對(duì)目前我國(guó)移栽機(jī)械中存在的問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)，綜合運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、圖像處理、自動(dòng)控制等技術(shù)對(duì)移栽機(jī)器人中的穴盤苗識(shí)別與定位、自動(dòng)取苗和穴盤自動(dòng)輸送定位裝置等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入研究。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:
　　(1)采用

2、Pro/Engineer進(jìn)行移栽機(jī)械臂三維設(shè)計(jì)，采用D-H方法建立移栽機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，對(duì)移栽機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆問(wèn)題進(jìn)行求解;采用蒙特卡洛法計(jì)算移栽機(jī)械臂的工作空間，并在MATLAB中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，驗(yàn)證了移栽機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理性;針對(duì)移栽作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了任務(wù)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃研究。
　　(2)在ADAMS中建立移栽機(jī)械臂虛擬樣機(jī)，對(duì)移栽作業(yè)過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，可以直觀地觀察仿真過(guò)程中機(jī)械臂各個(gè)桿件的運(yùn)動(dòng)情況，得到了機(jī)械臂在移栽作業(yè)過(guò)

3、程中的關(guān)節(jié)角度、關(guān)節(jié)角速度、關(guān)節(jié)角加速度及轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化關(guān)系，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性，為移栽機(jī)械臂的研制和控制提供理論基礎(chǔ)。
　　(3)搭建了移栽機(jī)器人機(jī)器視覺(jué)平臺(tái)，完成了基于機(jī)器視覺(jué)的番茄穴盤幼苗識(shí)別與定位研究。發(fā)現(xiàn)對(duì)于番茄穴盤幼苗圖像采用1.8G-1.5R-1.8B灰度化因子處理，經(jīng)Otsu法分割效果最好。分割后的番茄穴盤幼苗圖像中存在散落在幼苗葉片之外的孤立噪聲，比較了數(shù)學(xué)形態(tài)法與單連通區(qū)域統(tǒng)計(jì)法的去噪效果，結(jié)果

4、顯示，后者具有更好的去噪效果。去噪后的圖像采用單連通區(qū)域法統(tǒng)計(jì)幼苗葉片面積具有較高的精度。研究了移栽抓取點(diǎn)的定位方法，提出針對(duì)不同苗期的穴盤苗可分別采用形心法與中心法計(jì)算移栽抓取點(diǎn)的位置。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，該機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)于番茄穴盤幼苗平均識(shí)別率為98.16％，平均識(shí)別時(shí)間為0.6688s。
　　(4)構(gòu)建了基于交流同步伺服電機(jī)，以同步帶機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)穴盤運(yùn)動(dòng)的穴盤自動(dòng)輸送定位裝置。通過(guò)位置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析，在對(duì)永磁同步伺服電機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

5、分別建模的基礎(chǔ)上，完成了整個(gè)位置控制系統(tǒng)的建模。穴盤輸送裝置位置控制系統(tǒng)采用三環(huán)PID控制策略，進(jìn)行了三環(huán)PID控制參數(shù)的設(shè)計(jì)整定，提出了基于模糊PID控制的穴盤苗移栽機(jī)器人穴盤輸送位置控制策略，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的有效性。
　　(5)構(gòu)建了基于PC+運(yùn)動(dòng)控制器的開放式移栽機(jī)器人控制系統(tǒng)，該方式具有較高的靈活性，并且性能穩(wěn)定，能夠滿足移栽機(jī)器人快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和控制實(shí)時(shí)性的要求。
　　(6)提出穴盤輸送裝置位置控制

6、混合閉環(huán)控制方案，利用固高GTS-800-PV運(yùn)動(dòng)控制器、安川伺服電機(jī)、光電編碼器等部件搭建了穴盤輸送裝置位置控制系統(tǒng)。在研制的穴盤輸送裝置上進(jìn)行性能試驗(yàn)，在穴盤輸送過(guò)程中定位誤差絕對(duì)值小于0.12mm，相對(duì)誤差在0.2％范圍以內(nèi)，具有良好的位置控制性能。
　　(7)針對(duì)傳統(tǒng)移栽機(jī)末端執(zhí)行器大多采用氣缸或機(jī)械裝置作為動(dòng)力源，存在沖擊大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)源的變形滑針式末端執(zhí)行器。通過(guò)調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、