关键词：双机械臂;;采摘顺序;;三维坐标;;奇异回避;;自避障
摘 要：中国是猕猴桃主要产出国之一,但主要依靠人工采摘完成,猕猴桃采摘机器人代替人工采摘可以降低劳动成本并解决劳动力短缺的问题。采摘机器人对果实的损伤率和采摘效率是评价采摘机器人性能的重要指标。本文提出一种多目标果实连续采摘猕猴桃的顺序规划,用于减少机械臂对猕猴桃的机械碰撞;确定一种双机械臂猕猴桃协调采摘方案来提高猕猴桃的采摘效率。主要研究内容如下:(1)双机械臂协调采摘机器人方案确定通过对猕猴桃农艺、物理特性以及猕猴桃识别定位方法调研,获得猕猴桃农艺、物理特性相关参数,为猕猴桃采摘顺序方案的提出做准备。针对单机械臂猕猴桃采摘机器人采摘效率低的问题,提出了多关节猕猴桃双机械臂协调采摘总体方案;对比分析了笛卡尔单机械臂与多关节双机械臂的优缺点,确定了猕猴桃多关节双机械臂协调采摘方案。对UR5机械臂正、逆运动学方程进行求解,获得机械臂奇异位型的条件,为机械臂的避奇异提供理论依据。多关节猕猴桃双机械臂协调采摘机器人主要由机器视觉系统、双机械臂、末端执行器,间歇式移动平台,控制系统等部分组成,其工作原理是机器视觉系统经过图像处理获得猕猴桃在Kinect传感器坐标系下的空间坐标(x_1 y_1 z_1),经过坐标转换,获得猕猴桃以机械臂基座为原点坐标系下的三维坐标8i。机械臂将末端执行器送至猕猴桃的下方将猕猴桃掰落,完成猕猴桃的采摘。(2)连续采摘多目标猕猴桃顺序研究为避免采摘作业对目标果实以外猕猴桃造成机械碰撞,需确定猕猴桃的采摘顺序。首先用Kinect传感器获得猕猴桃的RGB图像和深度图像,用改进的K-means++和Otsu阈值分割相结合的方法识别出猕猴桃果萼的像素坐标。其次利用形态学膨胀原理获得猕猴桃果萼质心的像素坐标,最后通过与猕猴桃深度图像进行匹配获得猕猴桃果萼质心的三维坐标,并将多目标猕猴桃果萼质心的三维坐标传递给相应的机械臂,机械臂按照制定的采摘规则采摘猕猴桃。采用蒙特卡洛法,分析了双机械臂协调采摘猕猴桃的工作空间以及采摘空间,并与Kinect传感器的识别范围进行对比。采摘顺序确定的原理如下,将Kinect识别的区域分为两个区域,再将每个区域内相邻的猕猴桃划分为不同的子区域,规定子区域的采摘顺序。子区域内猕猴桃采摘顺序原理是计算出子区域内多目标猕猴桃的中心点c_(ei)(7)x_(ei)y_(ei)(8)(7)e=1、2;i(28)1、2、3 n(8),并计算在xoy平面内,子区域内猕猴桃果萼点到中心点c_(ei)(7)x_(ei)y_(ei)(8)(7)e=1、2;i(28)1、2、3 n(8)的距离d_k,采用由远到近的方法采摘猕猴桃。机械臂末端关节的路径规划选择笛卡尔空间直线规划的方法,使末端关节在采摘过程中保持垂直地面姿态,并且对机械臂的奇异位型进行回避。在Matlab/Simulink仿真平台上,以UR5机械臂为理论研究工具,对提出的控制方法进行验证。结果显示,在连续采摘猕猴桃的过程中,各关节的关节速度未发生突变,说明避开了机械臂的奇异位型;末端关节的姿态保持垂直地面,满足了对机械臂末端关节姿态的控制,并且猕猴桃的采摘顺序与预期的相同,验证了算法的有效性。(3)双机械臂协调采摘控制方法研究针对双机械臂的自避障问题,提出了基于位置层和速度层的约束方法,使双机械臂对应关节之间的距离大于安全距离C_i,当关节间的距离小于阈值C_i时,控制机械臂在该方向上的运动速度为0,保证关节之间的距离不超过阈值,起到障碍回避的作用。针对机械臂的路径规划问题,本文采用抛物线拟合直线样条函数方法对末端关节的位置和姿态进行插补,使机械臂末端关节的轨迹趋于平滑。针对机械臂奇异位型问题,采用普通求逆法和阻尼最小方差法进行奇异位型的回避,比较两种避奇异方法效果。运用Matlab/Simulink模块对双机械臂猕猴桃协调采摘方法进行验证。结果显示,阻尼最小方差法避奇异效果更好,机械臂末端关节的姿态保持垂直于地面,各关节速度未发生突变,并避开了机械臂奇异位型;末端关节空间轨迹为直线运动,且未发生碰撞现象。(4)双机械臂协调采摘猕猴桃评价试验搭建了双机械臂猕猴桃采摘试验平台,进行了双机械臂采摘猕猴桃的位置误差试验和采摘性能试验。双机械臂采摘猕猴桃的位置误差试验旨在验证猕猴桃协调采摘系统的稳定性。试验表明位置误差控制在5mm以内,验证了猕猴桃双机械臂协调采摘系统的稳定性。双机械臂采摘猕猴桃的采摘性能试验结果显示:双机械臂猕猴桃协调采摘机器人单个机械臂平均采摘时间为8.25s,采摘成功率为90%,相对于笛卡尔机械臂,采摘效率提高了29.3%。
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