高速公路绿篱修剪机器人运动特性研究

摘要

高速公路不仅是交通运输业的一部分，也是“一带一路”发展战略的核心。如今，我国的高速公路总里程已达13.1万公里，位居全球第一，用于绿化环境、防止眩光、保障安全的绿篱隔离带在高速公路中处处可见。为了达到良好的绿化指标，需要对其进行定期的养护修剪。传统的高速公路绿篱修剪设备存在智能化程度低、修剪稳定性弱、功能多样性差等问题，针对上述问题设计一款新型的高速公路绿篱修剪机器人，对修剪机械臂进行正/逆运动学分析、操作空间求解、刚柔耦合动力学建模以及避障路径规划等研究。本课题源于国家自然科学基金资助项目（项目编号:51375519）。本文主要研究内容如下:
　　(1)根据绿篱隔离带的绿化指标和修剪机器人的技术要求，规划与建立高速公路绿篱修剪机器人的总体布局，从修剪对象、养护功能以及实际情况等考虑，设计高速公路绿篱修剪机器人的本体结构，分析驱动系统的工作方式和控制系统的设计要求，完成驱动系统与控制系统的设计，构建并研制实验样机。
　　(2)以设计的修剪机械臂为研究对象，通过D-H法创建其连杆简化模型，进行运动学正解，求得修剪机械臂的末端刀具位姿方程，采用反变换法进行修剪机械臂逆运动学解耦，推导各关节角运动表达式，基于Monte Carlo法求解修剪机械臂操作空间，通过MATLAB进行操作空间的数值仿真，验证运动学模型的正确性和修剪机械臂结构的合理性，为后续动力学和避障规划研究作铺垫。
　　(3)基于多体柔性动力学理论，通过浮动系法建立柔性修剪机械臂系统坐标系，根据假设模态法描述臂杆弹性变形量，采用Lagrange法及虚功原理推导修剪机械臂刚柔耦合动力学方程，在ADAMS仿真软件中进行修剪机械臂刚性和柔性的动力学对比仿真，研究柔性因素对系统动力学特性的影响，进一步验证建立刚柔耦合动力学模型的必要性，为以后精确控制和结构优化研究提供理论依据。
　　(4)针对非结构环境下高速公路绿篱修剪机器人手臂实时准确避障问题，提出一种基于扰动人工势场法（PAPF）的避障路径规划解决方法。根据绿篱隔离带与障碍物分布情况，构建包络障碍物简化模型，分析机械臂与障碍物的碰撞条件，求解机械臂在修剪过程中的避碰空间。引入斥力场调节策略优化势场模型，建立斥力场扰动机制调整斥力影响方式，消除传统算法中局部极小点和目标不可达等现象。在避碰空间应用PAPF算法进行路径规划仿真，仿真结果表明，机械臂跳出局部极小点，灵活顺利避障，成功抵达目标点，验证了该方法的有效性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 项目来源

1．2 课题研究背景和意义

1．3 国内外研究现状和发展趋势

1．3．1 国外农林作业机器人研究现状

1．3．2 国内农林作业机器人研究现状

1．3．3 高速公路绿篱修剪机器人发展动态

1．4 本课题研究内容

1．5 本章小结

第二章 高速公路绿篱修剪机器人方案设计

2．1 高速公路绿篱修剪机器人设计要求

2．1．1 高速公路绿化指标

2．1．2 绿篱修剪机器人技术要求

2．2 总体构建

2．3 本体结构设计

2．3．1 执行机构设计

2．3．2 修剪机构设计

2．3．3 行走机构设计

2．3．4 本体结构参数设计

2．4 驱动系统设计

2．5 控制系统设计

2．6 样机研制

2．7 本章小结

第三章 绿篱修剪机器人手臂运动学及操作空间分析

3．1 连杆运动

3．1．1 位姿描述

3．1．2 坐标变换

3．2 运动学分析

3．2．2 基于D-H法的正运动学分析

3．2．3 基于反变换法的逆运动学分析

3．3 操作空间分析

3．3．1 操作空间求解方式

3．3．2 基于Monte Carlo法的操作空间求解

3．3．3 修剪机械臂操作空间数值仿真

3．4 本章小结

第四章 绿篱修剪机器人手臂刚柔耦合多体动力学建模

4．1 柔性修剪机械臂动力学建模

4．1．1 坐标系构建

4．1．2 柔性变形描述

4．1．3 刚柔耦合动力学方程推导

4．2 仿真研究

4．3 本章小结

第五章 绿篱修剪机器人手臂避障路径规划研究

5．1 非结构环境下避碰空间的求解

5．1．1 障碍物包络建模

5．1．2 机械臂避碰空间

5．2 基于PAPF算法的路径规划

5．2．1 APF算法基本原理

5．2．2 斥力场调节策略

5．2．3 斥力场扰动机制

5．2．4 PAPF算法的步骤描述

5．3 仿真研究

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 全文总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的学术成果