番茄采摘双臂机器人设计与控制系统研究

摘要

温室高价值果蔬采收目前大多数仍依靠人力实现，随着中国人口老龄化，劳动力成本上升，亟需产生新型自动化解决方案。机器人技术已经在工业自动化领域得到广泛应用，其在农业领域亦将发挥出巨大作用。　　本课题主要聚焦于温室鲜食番茄的自动采收，设计开发了番茄采摘双臂机器人。本文的研究成果主要包括：　　1)针对设施环境作业机构运动链、尺寸链和构型载荷谱多约束协同设计问题，使用SolidWorks完成了双臂机器人机械结构的设计工作和虚拟装配，并对关键部位进行有限元校核。采用改进的D-H参数描述机器人连杆坐标系关系，并对5自由度机械臂的正运动学、逆运动学解法进行了分析，逆运动学算法用到了空间圆参数方程和函数极值点。　　2)针对串联机械臂多关节运动实时协同驱动问题，机械臂采用了基于EtherCAT总线的多轴联动伺服控制方案，末端执行器则采用串口连接单片机控制。之后设计了提高机械臂重复定位精度和绝对定位精度的方案，其中在校准绝对精度时使用了机器视觉辅助，以纠正标准模型偏差。　　3)针对多功能农业机器人软件架构复杂、多任务并行开发困难的问题，基于机器人操作系统ROS构建了机器人整体上位机软件，包括三维仿真模型显示、视觉图像处理、机械臂运动规划等，并提出了一种结合双目摄像头及双臂上的相机确定果实准确位姿的方案。之后分别在多轴控制器和末端执行器单片机上实现了下位机控制程序。其中多轴控制器程序采用状态机编程思想，末端执行器单片机通过定时器中断进行分时控制。

目录

声明

第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2果实采摘机器人研究现状

1.3论文的主要内容与章节安排

第二章 双臂机器人本体结构设计

2.1任务分析

2.2主要器件及设计工具

2.3机械本体设计

2.4运动学分析

2.5本章小结

第三章 机器人硬件系统设计

3.1多轴机械臂硬件系统

3.2末端执行器硬件电路

3.3机械臂校准

3.4本章小结

第四章 机器人软件系统设计

4.1软件系统整体架构

4.2运行环境

4.3上位机软件系统

4.4下位机软件系统

4.5实验测试

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1主要工作与创新点

5.2后续研究工作

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间的学术成果