针对六连杆采摘机械手运动规划的实时性,基于传统的人工势场(APF)算法,提出改进的人工势场(IAPF)优化算法。采用初等变换序列方法对机械手进行运动学建模,运用该模型可方便地得到机械手上各点相对于基底坐标系的雅可比矩阵。IAPF算法在APF算法原有的引力势场计算模型的基础上,加入了Sigmoid函数,以使得路径规划算法收敛,在斥力势场中引入了反S的Sigmoid函数,防止出现斥力爆炸现象。IAPF算法避免了传统算法的局部最小缺陷和目标不可达问题,同时有效地减少机械手运动规划的计算时间和关节误差。并通过实验验证了所提优化算法在采摘机械手避障运动规划中的实时性和准确性。

在农业生产作业中,人工采摘成本日益提高,而机器人采摘造成的果实损伤率又较高,因此对采摘机器人末端执行器便提出了无损采摘这一要求。针对果实中占比较高的球形及类球形果实,本设计将采摘机械手能够最终完成吸附果实、拉直果梗、夹持果实、扭断果梗的一体化采摘与卸果动作为设计目标,对机械手的末端执行器展开了设计。分析国内外采摘机器人的研究内容,完成了三爪采摘机械手结构的设计,使其具有夹持稳定、通用性强的特点。分析材料性能,结合工作情况,对本设计的主要零部件进行设计计算,完成选型工作。考虑机械手的动作要求,完成了对无损采摘气动系统的设计。根据果实采摘过程的控制流程,运用压力传感器,使机械手形成力的闭环反馈,实现无损采摘这一要求。设计使用西门子公司的S7-200系列PLC,利用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9软件编写程序,对控

以ARM微处理器为核心，构建浆果采摘机械手的运动控制系统。并对该系统的硬件和软件分别进行设计。提出了一种能反馈的闭环控制方案。该控制系统具有模块化、易扩展、可移植、硬件体积小、功耗低、实时性强和可靠性高等优点。

针对草莓果实采摘易损坏以及收获期劳动强度大等问题,设计了1种气动柔性草莓采摘机械手末端执行器装置。该设计在草莓采摘机械手末端执行装置中加入柔性手指单元,利用其柔性变形,在实现对草莓包络动作的同时降低了采摘中对果实的损坏。在SolidWorks软件中建立气动柔性草莓采摘机械手模型;然后将模型导入ADAMS软件,通过柔性单元的替换、运动学参数的添加,建立动力学仿真模型。通过对采摘机械手的包络过程、各手指单元的运动过程进行动力学仿真分析,仿真结果表明,气动柔性草莓采摘机械手可以有效完成对草莓的包络,验证了本设计的合理性。

为了提高采摘机械手的作业效率,采用PLC气动控制系统对机械手进行了设计,并利用组态软件MCGS设计了机械手的监测与控制系统,为机械手的结构优化和作业情况监测提供了较为直观和准确的状态数据。为了验证该方案的可行性,对PLC气动控制系统的采摘机械手果实抓取性能进行了测试,利用MCGS组态软件监测系统对数据进行了统计。测试结果表明:采用PLC控制的气动采摘机械手具有较高的控制精度,且动作速度快,可以满足快速控制的设计需求,MCGS监测系统可成功地对机械手的状态数据进行统计,为机械手的设计和结构优化及作业状态的监测提供了直观准确的状态数据。

采用气动弯曲型柔性驱动器设计了一种带有柔性机械臂的多自由度果蔬采摘机械手。基于分段常曲率理论,根据柔性驱动器形变规律,建立了多关节串并联的采摘机械手运动学模型和抓持力模型,研究了机械手采摘作业时抓取模式、工作空间和手指输出力与气压的关系,并进行了相关实验验证。制作了机械手样机,并在实验室环境下进行了多种果蔬模拟采摘实验,结果表明,该果蔬机械手具有多种抓取模式,且动作灵活、柔顺可靠、易于控制,适用于球形和圆柱形果蔬自动化采摘作业。