發(fā)布時(shí)間：2020-11-16 10:34

　　 番茄是一種常見(jiàn)的果蔬,備受人們青睞,但番茄收獲機(jī)械化水平較低,主要依靠人工收獲。近年來(lái)由于計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)器人也逐漸引入到農(nóng)業(yè)上,農(nóng)業(yè)也邁入了高度自動(dòng)化和智能化時(shí)代。而農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的推廣將有利于降低勞動(dòng)強(qiáng)度,提高采摘效率,解決勞動(dòng)力不足的問(wèn)題。本文旨在研制一種適用性強(qiáng)的番茄智能采摘機(jī)構(gòu),包括雙目視覺(jué)系統(tǒng)、采摘執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)3部分。主要工作有:1.研究了國(guó)內(nèi)外多款典型的采摘機(jī)器人,總結(jié)了采摘機(jī)器人未被推廣的原因,主要是作業(yè)效率低,識(shí)別準(zhǔn)確率欠佳,控制復(fù)雜;并提出相應(yīng)的解決思路,如設(shè)計(jì)精準(zhǔn)的圖像處理和視覺(jué)傳感技術(shù),優(yōu)化采摘臂結(jié)構(gòu)提高精準(zhǔn)度;并對(duì)本采摘機(jī)構(gòu)的采摘對(duì)象番茄的生物特性進(jìn)行了研究。2.開(kāi)發(fā)番茄智能采摘機(jī)構(gòu)雙目視覺(jué)系統(tǒng)。用以實(shí)現(xiàn)成熟番茄的識(shí)別和定位,先后通過(guò)2R-G-B算法、隨機(jī)圓環(huán)法、基于傅立葉變換的圖像匹配可較好地識(shí)別、提取成熟番茄輪廓,并進(jìn)行了臺(tái)架實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該算法可有效識(shí)別成熟番茄,表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性、穩(wěn)定性。3.番茄智能采摘機(jī)構(gòu)參數(shù)確定。先后確定了采用關(guān)節(jié)型機(jī)械臂作為采摘臂的結(jié)構(gòu)型式,機(jī)構(gòu)的自由度為6個(gè)(第一自由度可實(shí)現(xiàn)底座旋轉(zhuǎn),第二、三、四自由度可實(shí)現(xiàn)各臂關(guān)節(jié)升降旋轉(zhuǎn),第五自由度可實(shí)現(xiàn)腕部平面旋轉(zhuǎn),第六自由度可實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器張閉)。機(jī)構(gòu)本體包括:腰部、大臂、中臂、小臂,利用優(yōu)化法確定了各臂關(guān)節(jié)尺寸。并對(duì)末端執(zhí)行器進(jìn)行了對(duì)比與選型,分別為運(yùn)動(dòng)部件配備了驅(qū)動(dòng)電機(jī)。4.番茄智能機(jī)構(gòu)采摘臂運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和仿真。先構(gòu)建采摘臂運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,求出采摘機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解;然后對(duì)采摘臂建立三維虛擬樣機(jī)并導(dǎo)入Adams進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,得出了機(jī)械臂各關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移參數(shù)、速度和加速度等相關(guān)參數(shù)的關(guān)系;接著對(duì)采摘臂的關(guān)鍵桿件進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析;從理論上驗(yàn)證了采摘臂的穩(wěn)定性和可靠性;5.采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。搭建番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)軟硬件平臺(tái),硬件方面選取傳感器、采集卡、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等關(guān)鍵部件,為實(shí)現(xiàn)信息獲取、番茄識(shí)別、障礙感知等提高硬件支持,增強(qiáng)了機(jī)構(gòu)的智能化水平、對(duì)外界環(huán)境信息的感知能力;軟件主要以VC++語(yǔ)言為開(kāi)發(fā)平臺(tái)編寫(xiě)了主程序,實(shí)現(xiàn)了串行通信、信息獲取、實(shí)時(shí)避障、限位保護(hù)等功能。在上述研究工作的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了番茄智能采摘機(jī)構(gòu)樣機(jī)并進(jìn)行了大棚環(huán)境下的采摘試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:番茄正確識(shí)別率可達(dá)90%,平均無(wú)損傷采摘成功率76.3%,番茄的采摘過(guò)程平均耗時(shí)9.109s。采摘機(jī)構(gòu)在環(huán)境復(fù)雜的田間大棚里能完成采摘作業(yè),也表明本課題研制的番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)具有良好的可靠性和一定的適應(yīng)性;但離預(yù)期目標(biāo)還有一定差距,仍需通過(guò)優(yōu)化番茄智能采摘機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和圖像處理算法來(lái)提高采摘成功率;
【學(xué)位單位】：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：S225.92
【部分圖文】：

圖 1-1 美國(guó)的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA究開(kāi)始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Ko執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過(guò)于堅(jiān)硬種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行從水平、垂直兩個(gè)方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實(shí)現(xiàn)摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)器。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被

圖 1-1 美國(guó)的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Kondo 團(tuán)隊(duì)研制的番茄采摘機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另外 Kawamura 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的 5 自由度番茄采摘機(jī)器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別果實(shí)因?yàn)樵摍C(jī)的機(jī)械手沒(méi)有冗余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過(guò)于堅(jiān)硬且未保護(hù)裝置易損傷番茄。之后岡山大學(xué)推出一種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行采摘作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在葡萄束歪斜的情況下從水平、垂直兩個(gè)方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研制的葡萄采摘機(jī)器人利用激光測(cè)距的方法獲取目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實(shí)現(xiàn)葡萄園管理。Hayash等研究的 3 自由度草莓采摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)器利用末端夾持器來(lái)實(shí)現(xiàn)草莓的夾持、切梗過(guò)程。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被遮擋過(guò)多；2.視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)不準(zhǔn)確。

圖 1-1 美國(guó)的番茄采摘機(jī)器人Fig.1-1 The tomato harvesting robot of USA日本農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究開(kāi)始較早，成果也較為顯著[10]。較典型的如 Kondo 團(tuán)隊(duì)研制的番茄采摘機(jī)器人，由行走機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、視覺(jué)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖 1-2。另外 Kawamura 團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的 5 自由度番茄采摘機(jī)器人，根據(jù)成熟番茄和背景在顏色上的不同，利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)識(shí)別果實(shí)因?yàn)樵摍C(jī)的機(jī)械手沒(méi)有冗余自由度，所以作業(yè)范圍有限，另外機(jī)械手過(guò)于堅(jiān)硬且未保護(hù)裝置易損傷番茄。之后岡山大學(xué)推出一種 5 自由度葡萄收獲機(jī)器人，可在葡萄架下進(jìn)行采摘作業(yè)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在葡萄束歪斜的情況下從水平、垂直兩個(gè)方向上靠近目標(biāo)。Monta 等人研制的葡萄采摘機(jī)器人利用激光測(cè)距的方法獲取目標(biāo)的坐標(biāo)，而且該機(jī)配備其他機(jī)械手后也能實(shí)現(xiàn)葡萄園管理。Hayash等研究的 3 自由度草莓采摘機(jī)器人，包括機(jī)械手、機(jī)器系統(tǒng)和移動(dòng)平臺(tái)，機(jī)器利用末端夾持器來(lái)實(shí)現(xiàn)草莓的夾持、切梗過(guò)程。但該機(jī)采摘成功率低，失誤原因：1.目標(biāo)草莓被遮擋過(guò)多；2.視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)不準(zhǔn)確。
【參考文獻(xiàn)】

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10 黃浩乾;采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)及其控制研究[D];南京農(nóng)業(yè)大學(xué);2010年

本文編號(hào)：2886062