葡萄套袋机械手设计与避障研究

【摘要】果实生长到一定时期需要进行套袋,对果实进行套袋能够有效防止病虫害、改善外观品质和减少农药残留,提高果实的品质。但是,目前果实套袋主要以人工套袋为主,人工套袋劳动强度大,耗时耗力。因此,研究开发果实套袋机器人,对降低套袋劳动力和劳动强度、提高套袋作业效率有重要的现实意义；对促进农业机器人相关技术的深入研究与应用,具有重要的战略意义。本文以葡萄为套袋对象,设计了四自由度葡萄套袋机械手及其末端执行器,并对其机械手套袋避障进行了探索性的研究,主要研究内容如下：1.根据葡萄的生长环境与套袋作业特点,提出了机械手四自由度选型方案。通过CAD作图模拟机械手的作业范围,建立优化模型与约束条件,利用MATLAB编程优化机械手的结构参数。针对传统复杂的套袋方式,设计一种相对简易的适合自动化操作的套袋方式。2.建立D-H坐标系作为运动学分析模型,由齐次变换求解正逆运动学解,并进行解的仿真验证。基于正运动学解和蒙特卡洛原理,绘制机械手的可达工作空间。采用矢量积法求解机械手的雅可比矩阵,在此基础上求解机械手末端的速度与加速度。基于工具箱RoboticsToolbox,在关节空间进行了运动轨迹规划。3.建立动力学分析模型,采用拉格朗日法逐步推导出各个关节的动力学方程解。利用ADAMS分析软件,建立三维仿真模型,结合MATLAB进行运动学和动力学的仿真分析。4.根据葡萄生长环境特点,建立障碍物模型。结合C-空间障碍性质与三维C-空间障碍转换思想,提出套袋机械手的避障策略。通过求解机械手各关节和连杆与障碍物碰撞的边界函数实现了障碍物从W-空间到c-空间的映射。利用栅格法描述了C-空间信息,采用A*最优搜索算法进行避障路径搜索,对得到的三维路径曲线作进一步的平滑处理。基于MATLAB平台和ADAMS软件,对圆柱型障碍物情况进行避障仿真实验。仿真实验表明,所研究的避障算法能够达到安全、高效的避障效果。5.最后,进行了套袋机械臂的性能测试,包括机械臂的定位精度以及机械臂末端承载能力的测定。在实验室环境下进行了葡萄套袋实验,测定了套袋的速度与成功率。实验结果表明,所设计的葡萄套袋机械手能实现快速、准确地取袋与套袋功能。
【作者】李诗荣；
【导师】毛文华；胡小安；
【作者基本信息】中国农业机械化科学研究院，机械设计及理论，2014，硕士
【关键词】葡萄套袋机械手；末端执行器；运动学；动力学；避障；仿真；

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