基于机器视觉的气动采摘机器人研究

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1、上海交通大学硕士学位论文基于机器视觉的气动采摘机器人研究硕士研究生：贺橙林学号：1120209049导师：施光林副教授申请学位：工学硕士学科：机械工程所在单位机械与动力工程学院答辩日期：2015年2月授予学位单位：上海交通大学DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterResearchonthePneumaticHarvestingRobotBasedonMachineVisionCandidate：Chengli

2、nHeStudentID:1120209049Supervisor：Prof.ShiGuanglinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MechanicalEngineeringAffiliation：SchoolofMechanicalEngineeringDateofDefence：February,2015Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity上海交通大学

3、硕士学位论文摘要基于机器视觉的气动采摘机器人研究摘要自动化生产加工是必然趋势，农业生产自然也不例外，我国政府早已确定了科教兴农的战略，在农业生产中普及自动化设备，提高生产效率、降低劳动成本是未来农业生产的发展方向。水果种植业在农业生产中占据着举足轻重的地位，而我国的水果采摘几乎全部依靠人力劳动实现，随着社会经济的发展和人口老龄化的加快，农业劳动力将出现严重短缺现象，从而导致水果生产成本的提高，因此农业水果产业想要长足发展，提高劳动效率，实现水果采摘自动化成为迫在眉睫的问题。目前农业采摘机器人还处于研究阶段，

4、离商品化与实用化还有一段较长的路要走，基于这些原因，开发出一种高效率、低成本的基于机器视觉的农业采摘机器人具有着长远意义。本文中设计了一种基于机器视觉的气动采摘机器人，它由具有4个自由度的机械手、双目立体视觉系统和气动比例控制系统组成。针对这种采摘机器人，本文开展了如下的具体研究工作：首先，根据农业采摘的特点以及实际要求，设计了一个以气压传动为基本传动机构的气动采摘机器人，使用UG软件完成了具有4个自由度机械手的三维建模工作，并利用AutoCAD软件绘制了机械加工二维图纸。此外，还设计了气动采摘机器人的控制

5、系统整体方案以及气压驱动系统，并且完成了相关元件，如摆动气缸、直线气缸、比例方向阀、气源处理单元等的选型设计。其次，使用D-H方法建立了气动采摘机器人的连杆坐标系，并对它进行了运动学建模和分析，得到了气动采摘机器人的运动学正解与逆解以及雅克比矩阵，并且利用Matlab软件和UG软件对机器人进行了简单轨迹规划与运动学仿真。第I页上海交通大学硕士学位论文摘要然后，在双目立体视觉的基本原理的基础上研究了在实验室环境下果实的识别和定位方法，提出了一种基于果实形心特征匹配的果实识别定位方法，并为气动采摘机器人搭建了双

6、目立体视觉系统，并且编写了双目立体视觉软件程序。再后，使用拉格朗日方法建立了机械手的动力学模型，并利用AMESim软件搭建了相应的气压驱动系统的仿真模型，研究了普通PID控制算法与模糊自适应PID控制算法，并通过AMESim软件与Simulink软件的联合仿真研究了算法的实时控制效果。最后，搭建了气动采摘机器人控制系统，对相关硬件进行了选型设计，并使用MFC编写了气动采摘机器人的控制软件；在此基础上对该机器人样机进行了相应的实验研究，分析了其整体性能和存在的问题。实验结果表明，气动采摘机器人的定位精度以及重

7、复精度基本能够满足农业采摘的精度要求，其双目立体视觉定位系统能够自动识别和定位果实，其控制系统能够控制气动采摘机器人实现自主抓取任务。关键词：农业采摘，机器人，气压传动，双目立体视觉第II页上海交通大学硕士学位论文ABSTRACTRESEARCHONTHEPNEUMATICHARVESTINGROBOTBASEDONMACHINEVISIONABSTRACTWiththedevelopmentoftechnology,automationproductionistheinevitabletrend,agri

8、culturalproductionisnoexception,andChinagovernmenthasalreadyidentifiedthestrategyofdevelopingthecountrybyrelyinscienceandeducation.Moreautomationequipmentsneedtobeappliedinagriculturalproductiontoincreaseprod