草莓采摘机械手结构设计与运动控制研究

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随着草莓产业的快速发展,收获作业的机械化、自动化成为广大种植户普遍关心的问题。由于采摘作业具有很强地域性、季节性和周期性,因此采摘作业是草莓生产中最耗时、最费力的一个环节。目前主要依靠人工采摘,采摘自动化程度仍然很低。研究开发草莓采摘自动化机械,不仅能够降低劳动强度且对提高经济效益有着一定的现实意义,而且对于促进我国农业机械化发展,加速农业现代化进程有着重大的社会意义。  与国外相比,目前我国的农业采摘机器人非常少。但随着经济的发展,我国对农业机器人及其理论的研究开始受到重视。我国草莓采摘自动化研究主要是针对高架式草莓自动化采收机器人,不适合我国大面积温室内地垄式栽培的草莓收获。本文基于目前草莓采摘机械手研究成果中存在的不足,进行草莓采摘机械手的结构设计与分析。分析与实验结果表明,采摘机械手有良好的采摘性能。本文具体研究内容如下:  首先,分析国内外现状,在河北保定满城县草莓种植基地调研了草莓的垄作种植模式的特点,研究了草莓的物理特性,分析了目前草莓采摘机器人末端执行器存在的弊端,以及刚性欠驱动结构带来的机构复杂,控制复杂等问题,尤其针对地垄式草莓采摘中存在的技术难题,提出地垄式栽培模式下草莓采摘的解决方案。在分析草莓基础物理特性的基础上,本文提出了一种刚柔混联草莓采摘机械手,确定了采摘机械手的尺寸参数,结构形式,装配方式以及装配尺寸。通过Creo2.0软件对草莓采摘机械手进行三维建模。  其次,对草莓采摘机械手柔性构件进行数学描述,建立柔性构件曲线数学表达式;基于伪刚体模型法对草莓采摘机械手柔性构件进行伪刚体分段;通过利用Adams软件进行整机仿真,证明利用弹性关节的动力耦合驱动是可行的。  再次,设计基于STM32控制核心,以步进电机为驱动源,以薄膜压力传感器作为加持力反馈系统的草莓采摘机械手的控制系统;  最后,通过3D打印等手段进行草莓采摘机械手样机关键部件的制造。采用光敏树脂制造刚性构件,采用PLA塑胶制造柔性构件;进行草莓采摘机械手的草莓夹持实验,通过实验证明草莓采摘机械手及驱动控制系统都可以实现预定的动作,实现了采摘的柔性化。
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