基于FPA的气动柔性苹果采摘末端执行器研究

摘要

苹果是最受人们欢迎的水果之一，其种植面积和产量逐年增加，但目前采摘主要由人工完成，并且作业期长、劳动强度大，而随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，研究采摘机器人代替人工完成苹果采摘作业十分必要。但是由于苹果本身的特性及其形态的限制，到目前为止国内外的苹果采摘的自动化程度仍然很低，本课题针对以上的问题，提出研究适用于苹果采摘作业的末端执行器。
　　 末端执行器作为机器人与外界环境互相作用的最后执行部件一直受到研究人员的关注。除了传统的刚性驱动和执行机构以外，本课题组研究的新型气动柔性驱动器FPA（Flexible Pneumatic Actuator），既是驱动器也是执行器，可以直接构成各种关节，以此为基础设计了气动柔性弯曲关节，但由于橡胶管易变形，弯曲关节在载荷方向会产生扭曲变形。本文在弯曲关节原有结构的基础上，加强了关节的侧向刚度。由三个弯曲关节组成的末端执行器在保持一定柔性的同时也兼顾了刚度，工作时向弯曲关节气动柔性驱动器FPA内充入压缩气体，实现末端执行器的运动。主要研究内容：
　　 （1）对采摘对象苹果进行了基本的力学特性的研究，利用万能电子试验机，完成苹果压缩试验与苹果果柄剪切试验，分析讨论了它们的特性关系；
　　 （2）设计了基于气动柔性驱动器FPA的新型弯曲关节，用力学分析的方法对弯曲关节进行建模，分析建立关节弯曲量及输出力与其内腔气体压力之间的数学关系，搭建了实验平台，完成弯曲关节转角实验与弯曲关节输出力实验，实验结果表明，理论分析与实际结果相一致；
　　 （3）研制了一种基于气动柔性驱动器FPA的末端执行器，建立了末端执行器抓取苹果目标的数学模型，对末端执行器抓持方式进行了研究比较；
　　 （4）分析了磨削式、旋转剪切式和直线剪切式三种果枝分离机构，并分别对其进行了实验研究，其中旋转剪切式果枝分离机构结构简单、控制方便，作为本文设计的末端执行器果枝分离机构；
　　 （5）搭建了末端执行器的实验平台，进行实验研究，该末端执行器有较大的输出力，并具有很好的柔顺性，满足苹果的抓取任务需求。最后设计了集成控制系统，并
　　 分析了苹果采摘机器人的整个控制流程。
　　 本文基于气动柔性驱动器FPA的研制了新型的弯曲关节并应用于采摘末端执行器的抓持机构，结合旋转剪切式果枝分离机构研制苹果采摘末端执行器的原型样机及其控制系统，实验表明该末端执行器能够完成对苹果的抓取和果枝分离任务。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 研究现状

1.3.1 气动柔性驱动器的国内外发展现状

1.3.2 基于气动柔性驱动器的末端执行器的国内外发展现状

1.3.3 果实采摘机器人技术现状分析

1.4 本文研究的主要内容

第二章 苹果力学特性分析

2.1 试验原理

2.2 试验装置及材料

2.2.1 实验装置

2.2.2 试验材料

2.3 试验方法

2.3.1 苹果压缩试验

2.3.2 苹果果柄剪切试验

2.4.试验结果及分析

2.4.1 苹果压缩试验

2.4.2 果柄剪切试验

2.5 本章小结

第三章 弯曲关节结构原理与数学模型

3.1 弯曲关节结构

3.2 弯曲关节静态模型

3.3 弯曲关节动态模型

3.3.1 基本动力学方程

3.3.2 弯曲关节充放气过程动态方程

3.3.3 弯曲关节动态仿真分析

3.4 弯曲关节实验研究

3.4.1 电气比例阀ITV0050-3BS

3.4.2 非接触式角度传感器AS5045

3.4.3 力传感器NS-TH1

3.4.4 实验研究

3.5 本章小结

第四章 基于FPA的苹果采摘末端执行器结构与控制

4.1 末端执行器基本结构

4.2 抓持模式分析及选择

4.2.1 夹持模式

4.2.2 抓握模式

4.3 果枝分离技术

4.3.1 磨削式

4.3.2 旋转剪切式

4.3.3 直线剪叨式

4.4 末端执行器控制

4.4.1 实验平台

4.4.2 末端执行器集成控制系统

4.5 采摘机器人

4.5.1 采摘机器人总体结构

4.5.2 机器人工作流程

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果