六自由度采摘機械臂運動及任務規(guī)劃研究.pdf

1、近年來，我國的水果種植面積和總產量逐年增加，在水果生產作業(yè)過程中，50％-70%的生產成本源于采摘。采摘作業(yè)重復性強且勞動力需求大，但目前用于果實采摘的機械裝備較少且智能化水平低，不能有效地將人從繁雜的農業(yè)生產中解放出來，不能有效的節(jié)約勞動力資源、提高生產率。因此，研究智能、高效的果實采摘機器人有助于將人從農業(yè)生產中解放出來，并降低生產成本、提高勞動生產率。
　　機械臂是采摘機器人重要的執(zhí)行部件，它的運動規(guī)劃和任務規(guī)劃直接影響著采

2、摘機器人的采摘成功率和效率，因此有必要對采摘機械臂的運動規(guī)劃和任務規(guī)劃進行研究。本文主要的研究工作如下：
　　（1）對采摘機械臂進行正逆運動學求解分析，利用解析法求出了機械臂的八組逆解，采用“最小能量”準則對逆解進行了選取，借助Robotics toolbox編寫了基于MATLAB GUI的機械臂正逆運動學仿真界面，仿真結果表明：正逆運動學求解正確。
　?。?）提出一種基于第五關節(jié)分離的采摘姿態(tài)規(guī)劃方法，通過理論分析及MAT

3、LAB仿真表明該方法能夠先判斷果實是否在采摘空間內，然后確定機械臂的采摘姿態(tài)；針對關節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，對比了幾種軌跡規(guī)劃方法的運動特性，最終選擇擺線軌跡規(guī)劃；結合姿態(tài)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃，進行了單果采摘仿真實驗，實驗結果表明：機械臂能夠自適應規(guī)劃姿態(tài)和軌跡，滿足機械臂實際采摘的運動要求。
　?。?）針對采摘機械臂連續(xù)采摘多個果實的作業(yè)任務，提出了一種基于“關節(jié)角加權最小”的任務規(guī)劃方法，采用蟻群算法進行求解，編寫了機械臂連續(xù)采摘多個果實

4、的仿真界面，通過多組實例仿真結果表明：該方法不僅能夠滿足機械臂連續(xù)采摘多個果實的要求，而且當果實個數大于三個時，該方法比“路徑最短”方法更節(jié)約能量。
　　（4）在實驗室內搭建了采摘實驗平臺，進行了單果采摘及多果采摘實驗，單果采摘實驗表明：運動規(guī)劃能使機械臂完成單果采摘的運動要求，平均采摘時間為25.5s/個；多個果實采摘實驗表明：基于“關節(jié)角加權最小”的任務規(guī)劃能夠使機械臂自動完成多個果實的連續(xù)采摘任務，且該方法的采摘時間比“路徑