六自由度采摘機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)及任務(wù)規(guī)劃研究.pdf

1、近年來(lái)，我國(guó)的水果種植面積和總產(chǎn)量逐年增加，在水果生產(chǎn)作業(yè)過(guò)程中，50％-70%的生產(chǎn)成本源于采摘。采摘作業(yè)重復(fù)性強(qiáng)且勞動(dòng)力需求大，但目前用于果實(shí)采摘的機(jī)械裝備較少且智能化水平低，不能有效地將人從繁雜的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中解放出來(lái)，不能有效的節(jié)約勞動(dòng)力資源、提高生產(chǎn)率。因此，研究智能、高效的果實(shí)采摘機(jī)器人有助于將人從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中解放出來(lái)，并降低生產(chǎn)成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率。
　　機(jī)械臂是采摘機(jī)器人重要的執(zhí)行部件，它的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃直接影響著采

2、摘機(jī)器人的采摘成功率和效率，因此有必要對(duì)采摘機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行研究。本文主要的研究工作如下：
　?。?）對(duì)采摘機(jī)械臂進(jìn)行正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解分析，利用解析法求出了機(jī)械臂的八組逆解，采用“最小能量”準(zhǔn)則對(duì)逆解進(jìn)行了選取，借助Robotics toolbox編寫(xiě)了基于MATLAB GUI的機(jī)械臂正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真界面，仿真結(jié)果表明：正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解正確。
　?。?）提出一種基于第五關(guān)節(jié)分離的采摘姿態(tài)規(guī)劃方法，通過(guò)理論分析及MAT

3、LAB仿真表明該方法能夠先判斷果實(shí)是否在采摘空間內(nèi)，然后確定機(jī)械臂的采摘姿態(tài)；針對(duì)關(guān)節(jié)空間的軌跡規(guī)劃，對(duì)比了幾種軌跡規(guī)劃方法的運(yùn)動(dòng)特性，最終選擇擺線軌跡規(guī)劃；結(jié)合姿態(tài)規(guī)劃和軌跡規(guī)劃，進(jìn)行了單果采摘仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)械臂能夠自適應(yīng)規(guī)劃姿態(tài)和軌跡，滿足機(jī)械臂實(shí)際采摘的運(yùn)動(dòng)要求。
　?。?）針對(duì)采摘機(jī)械臂連續(xù)采摘多個(gè)果實(shí)的作業(yè)任務(wù)，提出了一種基于“關(guān)節(jié)角加權(quán)最小”的任務(wù)規(guī)劃方法，采用蟻群算法進(jìn)行求解，編寫(xiě)了機(jī)械臂連續(xù)采摘多個(gè)果實(shí)

4、的仿真界面，通過(guò)多組實(shí)例仿真結(jié)果表明：該方法不僅能夠滿足機(jī)械臂連續(xù)采摘多個(gè)果實(shí)的要求，而且當(dāng)果實(shí)個(gè)數(shù)大于三個(gè)時(shí)，該方法比“路徑最短”方法更節(jié)約能量。
　　（4）在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建了采摘實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了單果采摘及多果采摘實(shí)驗(yàn)，單果采摘實(shí)驗(yàn)表明：運(yùn)動(dòng)規(guī)劃能使機(jī)械臂完成單果采摘的運(yùn)動(dòng)要求，平均采摘時(shí)間為25.5s/個(gè)；多個(gè)果實(shí)采摘實(shí)驗(yàn)表明：基于“關(guān)節(jié)角加權(quán)最小”的任務(wù)規(guī)劃能夠使機(jī)械臂自動(dòng)完成多個(gè)果實(shí)的連續(xù)采摘任務(wù)，且該方法的采摘時(shí)間比“路徑