（机械设计及理论专业论文）基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究.pdf

学位论文版权使用授权书 删jjfifiij j | i | i | i i f | | m | i i i i | f j j j y 1910 4 7 7 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密g 。 学位论文作者签名：三玉匕 一 _ ， 2 夕f f 年7 月孓日 指导教师签名： 圳年7 儿日 陈们么， 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 r 电s e a r c ho np a t hp l a n n i n g0 ff r u i t - p i c l d n g m a n i p u l a t o rb a s e d o nl o c a t i o ni n f o r m a t i o n 姓 2 01 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 果蔬收获机器人可以有效缓解农业劳动力不足，具有十分广阔的应用前景。但是， 在自然条件下果蔬收获机器人的工作环境复杂，视觉系统如何提取工作环境信息并引 导机械手进行果实采摘变得非常关键。 为了解决机械手快速采摘和避障采摘果实的问题，本文以m o t o m a ns v 3 x 机械手 采摘番茄为研究对象，对果蔬采摘机器人一些关键技术进行研究。 首先，采用d h 方法建立m o t o m a ns v 3 x 机械手逆运动学模型，在确定目标位置 的情况下，求出末端执行器在不同姿态情况下机械手角度，并对求出的所有角度进行 正确性验证和与障碍物的干涉性判断。 其次，研究m o t o m a ns v 3 x 机械手在无障碍时机械手的快速运动路径规划和空间 存在竖直直线类障碍物时机械手的避障路径规划方法。为达到快速采摘果实的目的， 以果实采摘机械手末端执行器运动路径最短和能量最优为指标，提出了无障碍情况下 机械手快速运动路径规划算法。对存在空间竖直直线类障碍物时机械手的路径规划， 采用映射的方法将机械手和障碍物映射到水平面和竖直面，将三维空间降低到二维平 面中讨论，以降低计算量和搜索量。整个路径规划过程将在m a t l a b 环境下仿真，当 有多条路径存在时，通过建立能量最少兼顾路径的目标函数来评价路径优劣，最后得 到避障路径。 再次，在完成路径规划的仿真验证后，在实验室内进行手眼协调操作的采摘试验。 在m a t l a b 环境下采集双目视觉系统的图像并处理、提取目标和确定目标图像坐标， 计算出目标的世界坐标系下的位置，根据目标坐标逆解出机械手所有关节角度，并规 划出机械手的运动路径，最后将路径导入到机械手控制器中进行操作实验。单果和多 果抓取的试验结果表明，手眼协调操作真实再现了仿真试验的快速运动和避障过程， 验证了规划算法的j 下确性，可以为机器人采摘果实提供了有效的路径规划方法，实现 对机械手的运动控制。 针对多果顺序采摘问题，研究了多果顺序采摘的快速运动策略和多果避障顺序采 摘的运动策略，在仿真基础上进行了采摘试验，试验结果表明提出的多果顺序采摘策 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 略是可行的。 最后，开展了采摘机器人视觉控制软件开发的工作。根据已经提出的果实目标识 别算法，提出了基于形状与纹理特征分析的番茄识别和软件实现方法，利用o p e n c v 函数库在v i s u a lc ”下对番茄识别算法进行再现，不同分辨率的番茄图像处理试验表 明，利用o p e n c v 函数库编制的程序比m a t l a b 下的代码执行效率显著提高，而且能实 时采集并同步处理双目图像。在m a t l a b 环境下，通过集成果实识别定位程序和避障 路径规划程序，实现双目图像采集、果实识别定位、机械手多关节角度计算，避障路 径规划及寻优和动态仿真，并将仿真过程中机械手的运动轨迹按照m o t o 腿n 程序开发 语言的要求输出。 关键词：采摘机器人：路径规划；避障；o p e n c v 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t f m i t p i c l 【i n gr o b o tm a ye 骶c t i v e l yr e d u c el a b o rs h o n a g ea n dh a sw i d ea p p l i c a t i o n p r o s p e c t h o w e v e r i t sw o r ke n v i r 0 啪e n ti ss oc o m p l e xt h a ti tb e c o m e sp i v o t a lf o rv i s i o n s y s t e mt oh o w t oe x t r a c to b j e c ti n f o 珊a t i o nt og u i d em a n i p u l a t o rt op i c kf | u i t s i no r d e rt 0s o l v et h ep r o b l e m so ff a s t p i c k i n ga n do b s t a c l e a v o i d i n gd u r i n gp i c k i n g f m i t ，t h ep 印e rc h o s e nt o m a t o - p i c k i n g0 fm 0 1 o m a ns v 3 xm a n i p u l a t o ra sr e s e a r c h o b j e c t ，a n dd e v e l o ps o m ek e yt e c h n o l o 西e sr e s e a r c ho nf m i t p i c l 【i n gr o b o t f i r s t l y ， d - hm e t h o dw a s a d o p t e d t 0b u i l d u p i n v e r s el 【i n e m a t i c sm o d e lo f m o t o m ：a ns v 3 xm a n i p u l a t o r i n v e r s es o l u t i o n so fj o i n ta n 哲e sw e r es e a r c h e dt 0r e a c h o b j e c tp o i n ta c c o r d i n gt ot h ef e a t u r eo ft m a t r i x t h em e t h o dc a no b t a i nj o i n ta n 舀e so f e n d e 骶c t o fu n d e rv a r i o u sp o s t u r e si i lc a s et h a to b j e c tp o s i t i o nw a sd e t e 皿i i l e d s o l v e d a n 酉e sw e r ev a l i d a t e dc 0 盯e c t n e s s 锄dc a nb eu s e dt oj u d g ew h e t h e rm a n i p u l a t o ri n t e e m s w i t ho b s t a c l e s s e c o n d l y t w om e t h o d sw e r ed e v e l o p e dr e s p e c t i v e l y am e t h o dw a sp a t hp i a 皿i n go f f a s t - p i c k i n gi n c o n d i t i o n so fn 0o b s t a c l e 粕d 绷o t h e rm e t h o dw 勰p a t hp l a 肌i n g0 f a v o i d i n ge r e c to b s t a c l eo ff m i t - p i c l 【i n gm a n i p u l a t o r i no f d e rt 0r e a l 娩ef a s tf m i t - p i c h n g ， o p t i m a lt a 唱e t sw e r ec h o s e n a ss h o r t e s tm o v e m e n tp a t ha n d a p p r o p r i a t ee n e 唱y o f e n d e f i i e c t o r 锄dak i i l do ff a s tm o t i o na r i t l l i l l e t i co ff m i t p i c “n gm a n i p u l a t o rw 躯 p r e s e n t e d 触f a ra st h em e t h o df o rp a t h p l a n n i n g0 fa v o i d i n ge r e i 贯o b s t a c l eo f f m i t - p i c k i i l gm a n i p u l a t o r w a sc o n c e m e d ， m a p p i n gp r i n c i p l e w a sa d o p t e dt 0 m a p m a n i p u l a t o ra n de r e c to b s t a c l et 0h o r 娩o n t a lp l 锄ea n dv e r t i c a lp l a n e ，a n dt r a n s f e rt l l r e e d e m i s s i o np a t hp l a n n i n gi n t 0 俩od i n l e n s i o np r o b l e m t 1 1 em e t h o dc a n 伊e a t l yd e c r e a s e d i f f i c u l t y o fp a t hp l a n n i n ga n dc o m p u t a t i o n锄o u n t ，s o l v ec 0 m p u t a t i o np r o b i e mo f m u l t i - j o i n ta n 酉e sd u r i n gt h ec o u r s eo fp a t hp l a n n i n g ，a n dh a su n i v e 飓a l i t yf o r t h ep r o b l e m 0 fa v o i d i n ge r e c to b s t a c l ef o rf m i t - p i c k i n gm a n i p u l a t o r s i m u l a t i o n sw e r ed o n eu n d e rt h e e n v i r o 姗e n to fm a t l a b t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts o l v e dp a t hc a nb o t hm a k em 0 1 o m a n s v 3 xa v o i de r e c to b s t a c l ea n de n d - e x e c u t o rr e a c hp r e c o n c e r t e dp o s i t i o nw i t hg i v e n p o s i t i o ne r r o r ，a n dv a l i d a t e df b a s i b l es o l u t i o n so fp i c k i n gs t a t i cf u i t s w h e nt h e r ee x i s t i 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 s e v e r a lf e a s i b l ep a t h s ，f i n a lc o l l i s i o n - f r e ep a t hw i l lb ed e t e n i l i n e d b ya no b j e c tf u n c t i o no f m l m m u m p o w e r t l l i r d l y f m i t - p i c k i n gt e s t s o fh a n d e y ec o o r d i n a t i o no p e r a t i o nw e r ec a r r i e do u tt o v a l i d a t et h ec o n i e c t n e s so fp a t hp l a 邶【i n gm e t h o di nt h el a b t r a n s f b n nr e l a t i o n s h i pm o d e l s b e t w e e nc a i i l e r ac 0 0 r d i n a t es y s t e ma n dm a j l i p u l a t o rc o o r d i n a t es y s t e mw e r ec a l i b r a t e d m a t l a bp r o 伊a mo fp a t hp l a n n i n gw a su s e dt oc a l c u l a t ea l lj o i n ta n 哲e so fm o t i o np a t h a n d t h e n ，t h e s ej o i n ta n 酉e sw e r ei m p o n e dt oc o n t m l l e ro fm o t o m a ns v 3 xm a n i p u l a t o rt o c a r r yo u to p e r a t i n gt e s t p i c l 【i n gt e s t so fs i n 哲e 肌i t 觚dm u l t i f m i ts h o w e dt h a th a n d - e y c c o o r d i n a t i o no p e r a t i o nc a i le x a c tr e p r o d u c ef a s tm o t i o n 柚dc o l l i s i o n - f r e ep r o c e d u r e0 f s i m u l a t i o nt e s ta n dv a l i d a t et h ec o r r e c t n e s so fp r e s e n t e dp a t hp l a m l i n gm e t h o d t h e r e s e a r c hm a yp r o v i d ee f i e c t i v ep a t hp l a m l i n gm e t h o df o rf | u i t p i c k i n gi i o b o tt or e a l i z e m o t i o nc o n t r o lo fp i c l ( i n gm a n i p u l a t o r f i n a l l y ，s o f 呐a r ed e v e l o p m e n to fv i s i o nc o n t r o lf o rf | u i t p i c k i n gr o b o tw a sd o n e a c c o r d i n gt op r e s e n t e da r i t i u n e t i co fo b j e c tr e c o g i l i t i o n ，觚a u t o m a t i ct o m a t or e c o 印i t i o n b a s e do ns h a p e 卸dt e x t l l r ef e a t u r e sa n a l y s i s 龃di t ss o f t 、v a r er e a l 娩a t i o nm e t h o d 、r e p r e s e n t e d o p e n c vf u n c t i o nl i b r a r yw a su s e dt or e p r o d u c et h er e c 0 9 n i t i o np r o c e s su n d e r v c + + d e v e l o p m e n te n v i r o 姗e n tt oi m p r o v er e a l - t i i i l eo ft o m a t or e c o 印i t i o n f a s t d e v e l o p m e n to fs o f c w a r ew a sr e a l 娩e db yu s i n go p e n c v f u n c t i o nl i b r a r y t h et e s t ss h o w n t h a tt h eh p l e m e n t a t i o ne f i c i e n c yo ft h ec o d e sp r o 伊舭皿e dw i t ho p e n c vw a s i m p r o v e d c o n s i d e r a b l yi nc o m p a r i s o nw i t ht h ec o d e sp r 0 孕锄m e dw i t hm a t i a b m o r e o v e r t h e s o f t w a r e 啪c a p t u r er e a l - t i m ei i i l a g e 锄dp r o c e s ss y n c h r o n o u s l yb i n o c u l a ri l l l a g e u n d e r s o f t w a f ee n v i r o m n e n to fm a t l a b ，f m i tr e c o 印i t i o n 锄dl o c a t i o np r o 伊锄a n dp a t hp l a 加i n g p r o 铲锄w e r ei n t e g 了a t e dt of i n i s hv i s i o nc o n t m ls o r w a r eo ff m i t p i c l 【i n gr o b o t t h e s o 腑a r ec a nr e a l 娩et h ep r o c e s s e s ，i l l c l u d i n gi i i l a g ea c q u i s i t i o n ，r e c o 雩面t i o na n dl o c a t i o n ， j o i n t 一锄酉ec o m p u t a t i o n ，p a t hp l a n n i n 舀p a t ho p t i m 娩a t i o n 觚dd y n 锄i cs i i i l u l a t i o n a tt h e s 锄et i l t l e ，t h es o f t w a r em a y 伽t p u tm o t i o np a t hr e s u l t so fm a n i p u l a t o rd u r i n gt h ec o u r s e i v o fs 岫u l a t i o na c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fp r o 伊锄l 锄g l l a g eo fm a i p u l a t o r i 【e y w o r d s ：f m i t - p i c l 【i n gr o b o t ；p a t hp l a 皿i i l g ；o b s t a c l ea v o i d a n c e ；o p e n c v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 研究的目的和意义l 1 2 国内外的研究现状2 1 2 1 国外的研究现状2 1 2 2 国内的研究现状4 1 3 存在的问题与不足。5 1 4 论文研究内容的安排6 第二章m o t o m a n 机械手运动学求解及其快速运动策略。8 2 1 机械手运动学求解8 2 1 1 机械手运动学模型建立8 2 2 2 机械手的关节解析逆解。1 1 2 2 3 角度干涉性分析。1 3 2 3 机械手快速运动的路径规划1 4 2 3 1 末端执行器经过预设轨迹点的路径规划算法。1 4 2 3 2 不同轨迹点数下的算法性能分析一1 7 2 4 多果顺序采摘的快速运动策略1 9 2 4 1 多果顺序采摘策略设计。1 9 2 4 2 多果顺序采摘的快速运动仿真2 0 2 5 果蔬采摘机器人试验系统2 1 2 5 1 果蔬采摘实验系统的组成2 1 2 5 2 采摘试验的执行步骤2 2 2 6 快速运动采摘试验2 3 2 6 1 快速运动的单果采摘试验2 3 2 6 2 多果顺序采摘的快速运动试验2 5 2 7 小结2 7 第三章机械手避障路径规划。2 8 3 1 路径规划研究概述2 8 3 1 1 路径规划研究的一般方法2 8 3 1 2 采摘机器人避障路径规划的研究现状3 0 3 2 番茄采摘机械手的避障分析3 1 3 3 避障规划策略的选取。3 2 3 4 避障路径的五关节角度规划3 3 v 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 3 4 1 避障问题的提出3 3 3 4 2 避障规划的实现步骤3 4 3 4 3 避障算法的性能分析4 4 3 5 多果避障的顺序采摘策略4 7 3 5 1 多果避障的顺序采摘策略设计。4 7 3 5 2 多果避障的顺序采摘运动仿真。4 8 3 6 避障采摘实验5 0 3 6 1 单果避障采摘试验。5 0 3 6 2 分离的双果避障采摘实验5 4 3 6 3 多果避障的顺序采摘试验。5 7 3 7 小结6 0 第四章采摘机器人视觉控制软件开发6 l 4 1 基于m a t l a b 的目标识别定位与路径规划软件开发。6 1 4 1 1m a t l a b 简介6 1 4 1 2 基于m a t l a b 的软件开发6 2 4 2 基于0 p e n c v 的目标识别定位软件开发6 4 4 2 1o p e n c v 简介6 4 4 2 2o p e n c v 设置6 5 4 2 3 双目视觉软件开发。6 6 4 2 4 试验分析6 8 4 3 路径规划算法的m a t l a b 程序实现6 9 4 3 1r o b o t 工具箱及其部分函数功能简介6 9 4 3 2r o b o t 工具箱的应用7 3 4 4 _ 、结7 4 第五章总结与展望7 5 5 1 研究总结7 5 5 2 展望7 6 参考文献 致谢 攻读硕士期间发表的论文 7 8 8 ： 江苏大学硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 我国是一个农业大国，在过去的几十年间，农业生产方式发生了巨大的变化，农 业生产的科技含量有了很大的提高，新技术在农业生产中得到了广泛应用h 棚，农业 生产逐步向规模化、机械化、自动化迈进。随着全球经济一体化的加速和国内劳动力 成本的升高，我国农业也面临着巨大的挑战，和西方发达国家相比，我国农业生产方 式规模化、机械化、自动化程度还相对较低，农业科技水平还比较落后，因此加快农 业生产方式的转变任重而道远。农业机器人作为现代科技的产物，可以有效的提高农 业生产的自动化、智能化程度，有着广阔的应用i j 景，可以预见在今后的几十年，农 业机器人的广泛使用将成为农业生产效率提高的主要动力。 在日本、欧美等发达国家，由于农业人口少、劳动力成本高，因此对农业生产的 自动化、智能化要求更加迫切。很多作业项目如果蔬的收获、分选，蔬菜的嫁接等， 都是劳动密集型的工作，劳动力成本要占生产成本5 0 左右，如果能够使用农业机器 人代替，无疑会极大的降低成本。与传统的人工作业相比，农业机器人有着很多优势， 除了可以解决劳动力短缺的问题，还能够改善农业生产环境，防止化肥、农药等对人 体产生伤害，由于其不受劳动时间，劳动强度的制约，其工作效率也高于人类。由于 农业机器人有着人类无可比拟的精确性，使得精确农业也随着农业机器人的普及而成 为可能。在欧美日本等国，对农业机器人的研究已经从2 0 世纪7 0 年代开始，其中日 本居于各国之首，由于实用性、经济性还不强，所以尚未普及。 近十几年来，我国的经济快速发展，城市化水平不断上升，大量的农业人口转变 成非农业人口，因此农业生产对机械化、自动化程度也不断上升。且受经济全球化的 影响，我国农业也将迎来国外的竞争，高度的机械化、自动化可以加强我国农业产业 的竞争力。农业机器人作为现代化高科技的产物，无疑适应了这一潮流，且要发展精 确农业，也离不开高性能的农业机器人，因此研究农业机器人不仅具有极大的经济价 值，还具有深远的社会意义。而采摘机器人作为农业机器人重要组成部分，也迎来了 巨大的发展机遇。 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 1 2 国内外的研究现状 1 2 1 国外的研究现状 果蔬精准采摘的任务是如何快速而又准确地通过视觉从环境中提取目标并定位 果实空间位置，然后利用视觉反馈关于环境信息并协调机器手的运动，柔顺控制采摘 机构，实现果实的柔性无损采摘。 自1 9 6 8 年美国学者s c h e r t z 和b r o w n s 首次提出运用机器人技术实现果蔬收获以 来，日本、欧美等国都开展了果蔬收获机器人方面的研究。经过几十年的发展，已经 取得很大的进展，研究出多种采摘不同果蔬的采摘机器人。 图1 1 为同本冈山大学研制的7 自由度番茄收获机器人【7 1 1 1 ，它由机械手、末端 执行器、视觉传感器、移动机构和控制系统组成。视觉传感器是彩色c c d 摄像机， 为了采摘时能够避开藤茎等障碍物，该机器人采用s c o r b o t - e r 工业机械手。为了 采摘时不对果实造成损害，末端执行器是带有软衬垫的吸引器，中间有压力传感器。 行走机构有4 个车轮，能在田间自由行走，机器人上的光电传感器和地头土埂上的反 射可以检测是否到达土埂。该机器人从识别到采摘完成大约需要1 5 s 价，成功率7 0 左右。 图1 1 番茄采摘机器人 1 9 9 6 年，荷兰农业环境工程研究所研制出了一种黄瓜收获机器人【1 2 1 ，该机器人 在2 h i n 2 的温室内进行实验，黄瓜为拉高线缠绕吊挂方式生长。机器人利用近红外视 觉系统辨识并探测果实，只收获成熟黄瓜。末端执行器有手抓和切割器组成。机械手 采用三菱r v e 2 六自由度工业机械手。实验结果表明，该机器人对于黄瓜的检测率 大于9 5 ，采摘成功率约为8 0 ，速度为5 4 s 价。 2 江苏大学硕士学位论文 图1 2 黄瓜收获机器人 2 0 0 4 年，美国加利福尼亚州图莱里开幕的世界农业博览会上，美国加利福尼亚西 红柿机械公司展出两台全自动西红柿采摘机【1 3 l 。在单位西红柿产量有保证的情况下， 该西红柿采摘机每分钟可以采摘1 t 西红柿，l 小时可以采摘近7 0 t 。该采摘机首先将 西红柿连枝带叶一起割到卷入分选仓，仓内能识别红色光谱的分选设备则挑选出成熟 的西红柿，将未成熟的西红柿连同枝叶一起粉碎，分洒在田里作为养料。 雾驴蜊妒钟铲一够肇尹鲈黼? 扩删糌蝴蟛彬妒p 叫罗哆4 咿铲愀：纩”9 ”例蝴。嚣缪廿哩锑缪 图1 3 美国曲红柿收获机 2 0 0 7 年，美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员联合开发了一种水果采摘 机器人1 2 1 。该机器人依靠先进的运算能力和液压技术，使得机械手臂和手指具有近似 人手灵敏度的能力。工作时，首先将一台机械化扫描机器人送入果园，装有数字成像 设备的机器人扫描周围环境，并生成一张三维地图，接着一台采摘机器人按照地图提 供的信息，使用长手臂采摘成熟的水果，但由于一台机器人成本价大约5 0 万美元， 因此其距真正商业化还有一定距离。 3 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 1 2 2 国内的研究现状 国内对于采摘机器人的研究开始于2 0 世纪9 0 年代，相对于发达国家起步较晚， 但不少科研机构都在进行相关研究。 东北林业大学的陆怀民研制出了林木球果采摘机器人【1 5 l ，该机器人由五自由度机 械手、液压驱动系统、行走机构和单片机控制系统组成。工作时，机器人停在距母树 3 至5 米处，然后控制系统控制机械手大、小臂同时升起达到一定高度，采摘爪张开并 摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采集爪沿着树枝生长方向靠近1 5 2 m ，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪原路向后返回，梳下枝上的球果， 完成一次采摘。 图1 4 林术球果采摘机器人原理图 李占坤，赵德安等研究设计出一种果树采摘器人f 1 6 l 。该机器人包括两部分：五自 由度机械手部分和两自由度载体部分。移动式载体为履带式底盘，装有工控机、电源 箱、采摘辅助装置、传感器等；五自由度机械手为自行设计的p r r r p 结构，由相应关 节驱动装置驱动，机械手的升降由气泵驱动升降台完成，可以使机械手采摘到高处的 果实；末端执行器配有勺状夹持机构，由气缸驱动其开合，收获时，首先央持机构夹 住果实，伺服电机带动末端执行器一侧的旋转切刀切断果梗，然后电动推杆运动，将 末端执行器以至柔性带上方，末端执行器松开果实，果实下落沿柔性带下滑，完成采 摘。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 5 果实采摘机器人结构不恿图 方建军设计了开放式的采摘机器人控制系统【1 5 1 ，采用基于p c i 0 4 总线的工控机 和多运动轴的运动控制卡p m a c 1 0 4 组成的嵌入式系统。该系统可以更换不同的机 械手和术端执行器，从而保证了一机多能、一机多用，有利于减少生产成本，降低采 摘机器人价格。 中国农业大学的袁国勇、张铁中等对黄采摘机器人的视觉系统和末端执行器进行 研究1 1 3 1 。根据黄瓜与背景的颜色差异，采用在自然背景下的黄瓜图像作为样本，提取 出黄瓜果实与背景的r g b 颜色信息，再利用b a y e s 分类判别模型对自然背景下的黄 瓜果实图像进行判别，实验结果表明，利用b a y e s 模式识别能够很好地对成熟黄瓜果 实与背景进行分离；南京农业大学的姚天曙等【1 7 】( 2 0 0 6 ) 研究了机械手采摘黄瓜时的振 动试验，分析了不同外形黄瓜的共振频率和振动变形量之间的关系。浙江理工大学的 武传宇【1 8 】( 2 0 0 2 ) 研究了非结构化环境下基于p c + d s p 模式的开放式机器人控制系统 及其在农业机器人中的应用。 1 3 存在的问题与不足 虽然经过几十年的发展，果蔬采摘机器人的性能和可靠性已经大大增加，但是 还是存在一些技术障碍制约了采摘机器人的实用化和商业化。存在的主要技术问题 有： 5 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 1 ) 目标识别率不够高。由于采摘机器人工作环境主要在自然田间，工作背景复 杂，光线强度不易控制，这给使得图像处理时目标提取变得困难。而且工作时果实将 存在与其他果实重叠，或者被障碍物遮挡，使图像中的目标被分开等情况，使得情况 更加复杂，而现有的研究成果未能解决这些问题。 2 ) 避障功能不强。采摘机器人采摘果实时将遇到未成熟的果实，作物的茎叶、 撑杆等障碍物，工作时需要实时避开，现有的采摘机器人避障能力还不能满足实用性 的需要。 3 ) 机器人功能单一。农作物的收获具有季节性，这使得单一功能的机器人在一 年大多数时间将处于闲置状态，造成设备的闲置浪费。而已经设计研究出的采摘机器 人大多功能单一，只能采摘一种或者几种果实，没有达到多用途的要求。 1 4 论文研究内容的安排 本文研究得到国家自然科学基金项目( 5 0 8 0 5 0 6 7 ) 的资助。本文以m o t o l l l a n s v 3 x 机械 手采摘番茄为研究对象，对果蔬采摘机器人的关键技术进行研究，包括无障碍时机械 臂路径规划、存在障碍物时机械臂的空间避碰路径规划、机械臂目标角度的优选和机 器人视觉控制软件的集成设计等。论文各章安排如下： 第一章主要讲述了课题的研究背景及意义，介绍采摘机器人发展现状，存在的问 题和研究内容。 第二章主要分析了m o t o m a ns v 3 x 机械手的运动学模型，寻求一种在确定末端执 行器位置坐标的情况下，求出末端执行器处于不同姿态情况时的机械各个关节的解析 解，然后进行正确性和干涉性分析。在此基础上，对于无障碍时的机械手的快速运动 路径规划进行研究。 第三章主要研究了存在空间直线类障碍物时的机械手避障路径规划。对于六自由 度机械手的空间避障，将机械手和障碍物的三维空间投影到二维平面，再分若干步先 后对机械手各个关节进行规划，有效的避开了搜索三维空间和多关节规划时而带来巨 大计算量的问题。对于路径的优化问题，提出了机械手关节运动量最小兼顾功耗最低 的路径优选策略。 第四章开展了采摘机器人视觉控制软件开发的工作，提出了基于形状与纹理特征 分析的番茄识别和软件实现方法，利用o p e n c v 函数库在v i s u a lc + + 下对番茄识别算 6 江苏大学硕士学位论文 法进行再现，在m a t l a b 环境下编写了集成果实识别定位程序和避障路径规划程序的 视觉控制软件。 第五章对全文进行了总结和展望，为以后的采摘机器人关键技术的研究提供参考 和建议。 7 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 第二章m o t o m a n 机械手运动学求解及其快速运动策略 在确定果实和末端执行器世界坐标的情况下，如何求解术端执行器处于不同姿态 时的机械手各个关节的解析解，是路径规划首先解决的问题。本章将采用d h 方法 建立m o t o m a ns v 3 x 机械手运动学模型，分析其j 下运动学和逆运动学，对求出的关 节角度进行j 下确性验证以及与障碍物的干涉性判断。针对果实采摘的效率和多果采摘 的顺序问题，提出了一种无障碍情况下果实采摘机械手的快速运动策略，并将其应用 到多果顺序采摘上。 2 1 机械手运动学求解 逆运动学( i n v e r s e n e m a t i c s ) 问题是己知工作所要求的末端执行器的位置、姿态、 速度、加速度时，求解能实现这些要求的机械手各关节的位置、速度、加速度等运动 参数。逆运动学求解是避障路径规划研究的基础。 2 1 1 机械手运动学模型建立 m o t o m a ns v 3 x 是一种精密轻型垂直关节型机械手系列的机器人，由日本 y a s 瓦娟，a ( 安川) 株式会社制造，其简化模型如图2 1 所示【3 5 - 3 6 1 。 8 图2 1m o t o m a ns v 3 x 机械手 1 腰部：2 - 下臂；3 上臂：4 _ 同转手腕：5 摆动手腕；6 - 末端执行器 可见，该机械手具有六个自由度，且每个关节均为旋转关节，前三个关节确定末 江苏大学硕士学位论文 端执行器的位置，后三个关节确定末端执行器的姿态，且后三个关节轴线相交于一点， 该点作为末端执行器的参考点 1 9 9 5 年d e n a v i f 和h a r e n b e r g 已经提出了一种通用的方法，用4 4 的齐次变换 矩阵描述相邻两连杆的空间关系。d h 模型表示了对机器人连杆和关节进行建模的一 种非常简单的方法。根据d h 法则，建立d h 标架及系统坐标系如图2 2 所示，世 界坐标系朋亿建立在m 0 1 o m a ns v 3 x 机械手腰部轴心处。 图2 2m 0 1 旧m a ns v 3 x 机械手连杆坐标系 该机械手的d h 参数由表2 1 列出： 表2 - 1m o t o m a ns v 3 x 机械手结构和运动参数 注：表中除第l 列外，第3 列，第4 列单位为咖，其余为( o ) 9 基于位置信息的果实采摘机械手路径规划研究 其中，：是绕霸轴按右手规则由磊1 轴转向忍轴的偏角；e i 是绕z i 1 轴按右手规则 由置1 轴向而轴的关节角，表中第五列为q 的初始角度。 根据d h 描述机械手运动学模型的方法和表2 1 所列的连杆参数，可列出机械手 各连杆的变换矩阵a 如下： a l = a 3 = a 5 = c l o s l口1 c 1 岛 o c l口l 墨 010 d 1 0 001 ； a 22 ；a 42 ； a 6 2 c 2一s 2 0 口2 c 2 s 2c 2 0 口2 s 2 0010 0001 c 4 0 一s 4 0 s 4 0 c 4 0 010 d 。 0001 c 6一s 6 00 &气 00 0 0 1 吮 0001 其中，c j = c o s 只，墨= s i n 幺，f = 1 ，2 ，3 ，6 ，以下类同。 根据各关节的变换矩阵a ，就可以确定末端执行器的位姿矩阵t 如下： t = a l 木a 2 木a 3 宰a 4 木a 5 木a 6 ( 2 - 1 ) 由式( 2 1 ) 可知，只要给定关节变量岔，即可求出手臂变换矩阵t ，从而得到末 端执行器的位置和姿态。反之，已知末端执行器的位置和姿态，同样可以得出各关节 变量值。 将式( 2 1 ) 展开，可得到t 矩阵的结构为 1 0 t = 厅工d 工 刀yd y 厅zd z o0 a xp l 口yp y 8 zp z 01 其中，b ，p ，p ：卜一末端位置坐标： 【d ，q ，呸) 末端位姿滑动矢量在x 、y 、z 轴上分量； b 。，以，卜一末端位姿位置矢量在x 、y 、z 轴上分量； ( 2 - 2 ) 3 3 一 0 1 0 0 o 1 口 口 3 ， 曲_ o o 吖o o 0 0 1 o 0 0 l 0 巳邑o o h 体 江苏大学硕士学位论文 ( 口，口y ，口：) 末端位姿接近矢量在x 、y 、z 轴上分量。 由于口1 到秒5 的计算过程与矢量d 、咒无关，而秒6 的值对机械手术端姿态的影响 很小。因此，在确定末端位置后，只要确定出术端接近矢量口，就可以计算矩阵t 。 要确定口，可以采用投影的方法，将口投影到工、y 、z 轴上，如图2 3 所示，则有 口。= s i n ( 秒)