果树采摘机器人控制与避障技术研究.docx

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1、分类号 TP242.6 密级 公开 UDC 621.3 编号 102990607022硕 士 学 位 论 文 果树采摘机器人控制与避障技术研究Research on Control and Obstacle Avoidance technologies of Fruit Harvesting Robot 指 导 教 师 赵 德 安 教 授 博 导 作 者 姓 名 赵 庆 波 申请学位级别 硕 士 学科（专业） 电力电子与电力传动 论文提交日期 2008年12月 论文答辩日期 2008年12月 学位授予单位和日期 江苏大学 2008年12月 答辩委员会主席_评阅人_学位论文版权使用授权书本学位论

2、文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保 密 ，在 年解密后适用本授权书。本学位论文属于 不保密 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体

3、，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日江 苏 大 学 硕 士 学 位 论 文摘 要果园收获作业机械化、自动化是广大果农们关注的热点问题，开展果树采摘机器人研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的历史意义。果树采摘机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统，它是由机械手固定在履带式移动平台上构成的一类特殊的移动机器人系统。本文在国家“863”高技术项目“果树采摘机器人关键技术研

4、究”支持下，以自行设计的机器人机械结构为研究对象，对果树采摘机器人的控制系统进行了分析、研究和设计，设计了视觉伺服控制器，并对采摘机器人避障技术进行了探讨。主要工作如下： 首先，分析了果树采摘机器人机械结构，介绍了机器人运动学理论，根据自行设计的自由度机械臂机械特性，采用几何结构算法，建立了果树采摘机器人机械臂的正、逆运动学方程。其次，基于开放、先进和可靠的考虑，采用开放式结构设计机器人的控制系统。在开放式控制系统设计中，主要对果树采摘机器人硬件组成部分主控计算机、运动控制器、数据采集卡等进行了选型设计。在分析果树采摘机器人工作环境和工作特性的基础上，设计了果树采摘机器人的外围传感器。再次，根

5、据果树采摘机器人机械结构和控制系统结构组成，设计了PID控制器，应用于机器人视觉伺服控制，实现果树采摘机器人的实时控制。在详细论述关节式机器人避障方法的基础上，对果树采摘机器人避障方法进行了初步的探讨，提出了采用C-空间法实现采摘机器人实时避障。最后，建立了传感器实验平台，通过实验验证了所设计传感器的正确性。利用固高PAN&TILT两维数控转台和实地拍摄的苹果图像，对所提出的控制方法通过转台控制实验进行了验证。 关键词：果树采摘机器人，视觉伺服控制，避障，传感器68ABSTRACT Orchard mechanized and automation harvesting operation h

6、ave become the hot issue of majority fruit growers concerned.Develop the fruit harvesting robot research not only has a certain degree of practical significance to meet market demand and reduce labor intensity and improve economic efficiency, but also can track new agricultural technologies of the w

7、orld. It is important to promote Chinese agricultural scientific and technological progress, accelerate the agricultural modernization process.Fruit harvesting robot is an integrated system that has multiple functions such as environmental apperceive, dynamic decision making, planning conduct contro

8、l and implem- entation. It is a special kind of mobile robot system that the manipulator is fixed on the track type mobile platform. This paper is supported by the National “863” Project: “research on fruit harvesting robots key technologies”. A self-designed robot mechanical structure was uesd as t

9、he study object.Analysis, research and design was progressed for the fruit harvesting robots control system. The visual servo controller was builded up.At the same time the technology of harvesting robots obstacle avoidance was analysed.The main works is as follows: Firstly, the mechanical structure

10、 of the fruit harvesting robot was analysed and the theory of robot kinematics was introduced. Based on the self-design 5 degrees of freedom robot manipulators mechanical properties, the fruit harvesting robots positive and inverse kinematics equations were found using the geometric structure of the

11、 algorithm.Secondly, to improve the systems work, the system was designed to be exoteric, advanced and reliable.When the exoteric control system was designed, fruit harvesting robots hardware such as the industrial control computer, motion controller, data acquisition card was mainly designed for th

12、e selection. On the basis of analysis the fruit harvesting robot working environment and working characteristics, the external sensors for the fruit harvesting robot were designed.Thirdly, according to the fruit harvesting robots mechanical structure and the components of control system, The PID con

13、troller was builded up .It was used in fruit harvesting robot visual servo control to achieve the robots real-time control. The joint-robot obstacle avoidance methods were discussed in detail. Then a preliminary study was made for the fruit harvesting robots obstacle avoidance method.And make use of

14、 the C-space method to achieve the harvesting robots real-time obstacle avoidance.Finally, to verify the correctness of the designed sensor, sensor experimental platform was set up. GUGAO PAN & TILT two-dimensional numerical table and apple image which was shot in orchard were used to do the turntab

15、le control experiments.The turntable control experiment results verifies the validity of the proposed robots control method. KEY WORDS: fruit harvesting robot, visual servo control, obstacle avoidance, sensor目 录摘 要IABSTRACTIII第一章 绪论11.1 农业采摘机器人研究现状及特点11.1.1 农业采摘机器人国内外研究进展11.1.2 农业采摘机器人的特点61.2 农业采摘机器

16、人研究存在的问题与解决方法61.2.1 存在的技术难题61.2.2 技术难题解决方法71.3 本文主要研究内容及研究意义81.3.1 本文主要研究内容：81.3.2 本课题研究意义9第二章 果树采摘机器人建模与分析102.1 果树采摘机器人机械结构102.2 摄像机投影模型112.3 履带式移动平台模型132.4 果树采摘机器人机械臂运动学分析152.4.1 机械臂正运动学分析152.4.2 机械臂逆运动学建立172.5 本章小结18第三章 果树采摘机器人控制结构设计193.1 开放式控制系统结构设计193.1.1主控计算机193.1.2 运动控制器213.1.3 数据采集卡223.1.4 机

17、械臂伺服电动机233.1.5 气压传动装置233.2 外部传感器设计243.2.1 末端操作器传感器布局243.2.2 位置传感器设计253.2.3 压力传感器设计283.2.4 视觉传感器选型293.2.5 碰撞传感器设计303.3 本章小结31第四章 果树采摘机器人控制方法研究324.1 视觉伺服控制系统分析324.2 采摘机器人控制策略334.3 运动控制器设计354.3.1 PID数字控制器设计原理354.3.2 PID数字控制器程序设计364.3.3 数字PID控制器参数整定法374.4 控制系统软件设计384.5 本章小结40第五章 果实采摘机器人避障方法探讨415.1 引言415

18、.2 C-空间法415.3 人工势场法435.4 果树采摘机器人避障方法445.4.1 采摘环境分析455.4.2 C-空间障碍边界建模465.4.3 采摘机器人小臂C-空间障碍及计算475.5 本章小结50第六章 实验及结论516.1 传感器实验516.1.1位置传感器实验516.1.2压力传感器实验526.2 运动控制实验536.2.1 运动控制方法验证546.2.3 给定输入信号的控制过程576.3 结论60第七章 总结与展望617.1 研究工作总结617.2 工作展望61参考文献62致 谢66攻读硕士学位期间参加的科研项目与已录用的学术论文67第一章 绪论1.1 农业采摘机器人研究现状

19、及特点随着科学技术的发展和社会的进步，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、国防、科技、建设、生活等各个领域，机器人工业已成为世界各国备受关注的产业1。在农业生产中，由于易对植被造成损害、易污染环境等原因，传统的机械通常存在着这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内、外都在进行农业机器人的研究，特别是一些发达国家，农业人口较少，劳动力问题突出，对农业机器人的需求更为迫切。同时，农业机器人相对于传统农业机械能够更好地适应生物技术的新发展。就我国而言，由于机械化、自动化程度比较落后，“面朝黄土背朝天，一年四季不得闲”曾是我国农民的象征2。农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状

20、态。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行研究开发。农业机器人在农业领域得到很大进展，其功能已经非常完备。它们能够代替人的部分劳动，有些人类做不到的事情机器人可以做到，而且工作效率非常高。它们可以从事在艰苦条件下的重体力劳动、单调重复的工作，如喷洒农药、收割及分选作物等有望由多农业机器人系统完成，以解放出大量的人力资源。机器人正在或已经替代人的繁重体力劳动，可以连续不间断地工作，极大地提高了劳动生产率，是农业智能化不可缺少的重要环节3-5。采摘机器人是21世纪精确农业的重要装备之一，是未来智能农业机械的发展方向。从1983年的第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机

21、器人的研究和发展已经经历了20多年。采摘机器人是针对水果和蔬菜，可以通过编程来完成这些作物的采摘、转运、打包等相关作业任务的具有感知能力的自动化机械收获系统，是集机械、电子、信息、智能技术、计算机科学、农业和生物等学科于一体的交叉边缘性科学，需要涉及机械结构、视觉图像处理、机器人运动学动力学、传感器技术、控制技术以及计算信息处理等多方面的学科领域知识。1.1.1 农业采摘机器人国内外研究进展收获作业的自动化和机器人的研究始于20世纪60年代的美国，采用的收获方式主要是机械振摇式和气动振摇式，其缺点是果实易损，效率不高，特别是无法进行选择性的收获。从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机

22、技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。(1) 国外研究进展 日本的西红柿采摘机器人6日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了限制，而且坚硬的机械爪容易造成果实的损伤。日本冈山大

23、学的Kondo等人研制的番茄采摘机器人，由机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，如图1-1所示。用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统，寻找和识别成熟果实。由于番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能够灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器设计有2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在田间自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄采摘机器人从识别到采摘完成的速度大约是15s/个，成功率在70%左右，成熟番茄未

24、采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化。图1-1 番茄采摘机器人结构简图S1前后延伸棱柱关节；S2上下延伸棱柱关节；3、4、5、6、7旋转关节 日本的茄子采摘机器人7日本国立蔬菜茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。机器人由CCD机器视觉系统、5自由度工业机械手、末端执行器以及行走装置组成，作业对象是温室中按照V形生长方式种植的茄子。该机器人的末端执行器设计复杂，包括4个手指、2个吸嘴、2个诱导杆、气动剪子和光电传感器，如

25、图1-2所示。工作中，利用模糊视觉反馈系统引导末端执行器靠近果实，完成采摘作业。在实验室中进行了试验，采摘成功率为62.5%，工作速度为64.1s/个。影响成功率的主要原因是机器视觉系统对采摘位置的判断不正确；同时，视觉系统占用了72%的工作时间(46.1s)，也是影响采摘效率的主要因素。图1-2 茄子采摘机器人末端执行器原理图1光电传感器；2引导杆；3橡胶手爪；4摄像机 日本的甘蓝采摘机器人8由极坐标机械手、4个手指的末端执行器、履带式行走装置和CCD机器视觉系统组成，整个系统采用液压驱动。系统利用人工神经网络(NN算法)提取果实的二值图像，采用模板匹配的方法识别合格的甘蓝。农田试验表明，采

26、摘的成功率为43%，工作速度为55/个。影响成功率的主要原因是光照条件的不稳定、超声波测距传感器的误差、叶子的遮挡以及机械故障等。 日本的葡萄采摘机器人9日本冈山大学研制出了一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人。其机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手，具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节。这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作，旋转关节可以用不同的速度旋转，直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。腕部的2个旋转关节非常有用，它可以保证末端执行器水平和垂直接近葡萄，即使葡萄束倾斜也可以达到目标。 荷兰的黄瓜采摘机器人101996年

27、，荷兰农业环境工程研究所(IMAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器人。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实，并探测它的位置。机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。采摘通过末端执行器来完成，它由手爪和切割器构成。机械手安装在行走车上，行走车为机械手的操作和采摘系统初步定位。机械手有7个自由度，采用三菱公司(Mitsubishi)RVE2 6自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室工作。试验结果为工作速度10s/根，在实验室中效果良好，但由于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求。 英国的蘑菇

28、采摘机器人11英国Silsoe研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括2个气动移动关节和1个步进电机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬垫的吸引器；视觉传感器采用TV摄像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在75%左右，采摘速度为6.7S /个，生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问题。表1-1给出了国外部分国家果蔬收获机器人研究进展统计。表1-1 部分国家果蔬收获机器人研究进展统计国别商业化阶段样机阶段研究阶段日本葡萄、番茄、黄瓜、西红柿番茄

29、、茄子、西瓜、草莓荷兰萝卜、蘑菇番茄、芦笋黄瓜、葡萄法国葡萄、橄榄、苹果、甜橙英国蘑菇收获水果机器人美国椰菜、甜橙(2) 国内研究进展国内在农业机器人方面的研究始于20世纪90年代中期，相对于发达国家起步较晚。但不少院校、研究所都在进行采摘机器人和智能农业机械相关的研究。在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，主要由5自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成，如图1-3所示。采摘时，机器人停在距离母树35m处，操纵机械手回转马达对准母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度，采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝

30、，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生长方向趋近1.52m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效率是500kg/天，是人工的3050倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高12。图1-3 林木球果采摘机器人原理图另外，曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向13。周云山等研究了蘑菇采摘机器人。该系统主要由蘑菇传送带、摄像机、采摘机器手、三自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。计算机视觉系统为蘑菇采摘机器提供分类所需的尺寸、面积信息，并且引导机器手准确抵达

31、待采摘蘑菇的中心位置，防止对不准，以致影响吸盘的密封，造成抓取失败或损伤蘑菇的现象14。由中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以对蔬菜的砧木和穗木进行自动化嫁接，可广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。目前，中国农业大学的科技人员对机器人的机器结构和控制软件进行了改进，提高了机器作业的可靠性及其操作的方便性。蔬菜嫁接机器人的研制成功，为我国发展温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的作业设备。我国还成功地研制出了采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。由于位置误差，它采摘的成功率约为75%，对于实际需要，这个数字是可以

32、接受的。1.1.2 农业采摘机器人的特点(1) 作业对象的非结构性和不确定性果实的生长是随着时间和空间而变化的。生长的环境是变化的、未知的和开放性的，直接受土地、季节和天气等自然条件的影响。这就要求果树采摘机器人不仅要具有与生物体柔性相对应的处理功能，而且还要能够顺应变化无常的自然环境，在视觉、知识推理和判断等方面具有相当高的智能。(2) 作业对象的娇嫩性和复杂性果实具有软弱易伤的特性，必须细心轻柔地对待和处理。且其形状复杂，生长发育程度不一，相互差异很大。果蔬采摘机器人一般是作业、移动同时进行，行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离及遍及整个田间表面等特点。(3)

33、 良好的通用性和可编程性由于果蔬采摘机器人的操作对象具有多样性和可变性，要求具有良好的通用性和可编程性。只要改变部分软、硬件，变更判断基准，变更动作顺序，就能进行多种作业。例如，果树采摘机器人，更换不同的末端执行器就能完成施肥、喷药和采摘等作业。(4) 操作对象和价格的特殊性果树采摘机器人操作者是农民，不是具有机电知识的工程师，因此要求果树采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及15。1.2 农业采摘机器人研究存在的问题与解决方法1.2.1 存在的技术难题采摘机器人是一类工作于非结构环境中的典型的复杂光、机电一体化产品，涉及多门学科的知

34、识，一个智能型的采摘机器人必须具备下述特征16：1) 须能准确地识别和定位成熟的果实，并引导末端执行器灵活准确地接近目标水果。2) 为了能在垄沟或其它野外环境中行走，机器人必须紧凑，转弯灵活。 3) 每个果实的采摘周期不能太长。4) 成本应比较低。采摘机器人要真正达到代替人类完成采摘任务，并且实用化、普及化，需要解决如下技术难题：(1) 果实的识别率和采摘率不高目前识别果实和确定果实位置主要有灰度阈值、颜色色度法和几何形状特性等方法。其中，前两者主要基于果实的光谱反射特性，但在自然光照情况下，由于图像中存在噪声和各种干扰信息，效果并不是很好。采用形状定位方式，要求目标具有完整的边界条件，由于水

35、果和叶子等往往容易重叠在一起，很难真正区别出果实的具体形状。采摘环境的非结构化，要求采摘机器人的机械手和末端执行器需要具有相当高的柔性和灵巧性，帮助机器人成功实现避障，提高采摘的成功率。(2) 果实的平均采摘周期较长生产实际中的采摘作业要求机器人不仅减轻劳动强度，而且更要提高作业效率。而目前的果实收获机器人由于图像处理、控制系统等原因，大多数采摘机器人的效率不高。例如采摘机器人收获一个柑橘约为37s，收获一个甜瓜约15s，摘取一个黄瓜需要10s，收获一个茄子需1min。为使果蔬采摘机器人实用化，提高作业效率是关键问题之一。(3) 采摘机器人的制造成本较高同工业机器人相比，采摘机器人的结构和控制

36、系统更加复杂，制造成本更高。而且工作具有周期性、短时间等特点，设备利用率低。对于采摘机器人这样复杂的光机电一体化产品而言，设备的使用和维护都需要相当高的技术水平和费用。1.2.2 技术难题解决方法在果树采摘机器人系统中，由于作业环境的复杂性，特别是存在光照条件的不确定性和果实部分或完全遮挡问题，采摘对象的智能化识别和定位问题还需要进一步研究。(1) 开发智能化的图像处理算法模糊神经网络是一种高度并行的分布式系统，应用模糊理论指导学习，是在无监督情况下具有自学能力的自适应系统，可以对图像进行智能化处理。另外，小波变换具有良好的时频局部化分析特征，能同时给出图像信号的时域和频域信息，能有效检测图像

37、的边缘，应用前景较好。(2) 视觉传感器与非视觉传感器融合在采摘机器人视觉感知过程中，二维图像的处理必然涉及视觉不适定问题的求解，引入非视觉传感器的辅助支持是求解不适定问题的有力手段，如将视觉传感器与PSD测距仪或超声波测距仪结合使用，可以实现果实的精确定位。通过视觉传感器与非视觉传感器的优势互补，可以大大提高采摘机器人的感知功能。(3) 采用主动光源的视觉系统视觉系统根据图像采集的需要，自行发出具有特定特征的光源，可以在一定程度上改善图像质量。(4) 改变作物的培育模式日本在黄瓜采摘机器人研究项目中，采用倾斜的培育系统，将黄瓜和叶、茎分开，便于采摘机器人的视觉定位和采摘。通过降低作物生长环境

38、的非结构化和复杂性，提高采摘成功率，葡萄种植中也采用了类似的培育系统。(5) 采用开放式控制系统目前采摘机器人，甚至整个农业机器人的研究都是沿袭工业机器人的研究思路。机器人采用专用的控制系统、专用编程语言和专用的机械结构。专用控制系统基本是封闭式的，这种控制系统使机器人的可扩展性、灵活性都受到很大的限制。采摘机器人采用开放式控制系统，使机器人具有良好的可扩展性、灵活性和可重构性。机器人的标准化和模块化，不仅可以迅速构建新的机器人系统，减少开发时间和成本，还可以减少对用户的培训。1.3 本文主要研究内容及研究意义1.3.1 本文主要研究内容：(1) 研究果树采摘机器人运动学方程，研究运动正解与反

39、解建模方法。(2) 果树采摘机器人控制结构设计，根据果树采摘机器人工作环境和作业特点，采用开放式结构设计机器人的控制系统。在开放式控制系统设计中，主要对果树采摘机器人硬件组成部分主控计算机、运动控制器、数据采集卡等进行了选型设计。(3) 采摘机器人传感器设计。使用视觉传感器捕获图像信息，通过图像处理得出目标果实的位置信息，为机器人提供控制信息；位置传感器用于确定目标果实相对于末端操作器的位置；设计了压力传感器实时测量末端操作器的抓取力，防止果实的损伤；在机械臂上安装了避障传感器，实时感知机械臂周围障碍物信息。(4) 根据果树采摘机器人运动学方程和机器人机械臂的机械结构组成，提出在机器人采摘作业

40、的初始阶段，根据视觉传感器获取的环境信息，控制机器人腰部、大臂、小臂的关节做相应运动，以消除摄像头捕捉到的图像中目标果实质心与图像中心的误差，使机械臂末端操作器正向于目标果实，实现初始定位功能。设计了PID视觉伺服控制器，实现果树采摘机器人机械臂控制。分析、研究了关节型机械手避障方法，对果树采摘机器人实时避障方法进行了探讨。(5) 建立了传感器实验平台，通过实验验证传感器的正确性。利用固高PAN&TILT两维数控转台和实地拍摄的苹果图像，进行机器人控制实验，对所提出的控制方法进行了验证。 1.3.2 本课题研究意义果蔬产业是我国农业中的重要产业之一，近几十年来，我国果蔬产业规模和产量有大幅度的

41、增长，特别是中国加入WTO以来，增长速度更加明显。据统计，到1993年，我国水果总产量跃居世界第一位，到1996年，全国水果总产量己达4625.8万吨，其中苹果和梨的产量仍居世界首位。到2002年，果园面积达9098千公顷，总产量达万吨，分别比年增长223%和456%。其中，苹果产量2280万吨，柑橘产量1278万吨，梨产量974万吨。中国水果产量已占世界总产量的40%。进入二十一世纪，我国的农业和农村经济发展正面临新的机遇和挑战。一方面，由于加入WTO，农业和农村经济发展正面临着世界各地的冲击和挑战；另一方面也给我国带来了一次加快农业和农村经济发展以及对农村经济结构调整的绝好的机遇。随着农业

42、生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本必然迅速上升，劳动力不足的现象也会日趋明显，因而作为高科技的机器人技术进入农业领域变得越来越现实，果园收获作业机械化、自动化成为广大果农们最为关注的热点问题。开展果树采摘机器人研究，不仅对于适应市场需求、降低劳动强度、提高经济效率有着一定的现实意义，而且对于跟踪世界农业新技术、促进我国农业科技进步，加速农业现代化进程有着重大的历史意义。第二章 果树采摘机器人建模与分析本章主要研究果树采摘机器人的相关模型和运动学求解。首先，分析了果树采摘机器人基本结构；其次，研究了摄像机投影模型和履带式移动平台运动学特性；最后，完成了果树采摘机器人机械臂

43、的正、逆运动学的求解。2.1 果树采摘机器人机械结构本论文是在国家“863”高技术项目“果树采摘机器人关键技术研究”的支持下完成的，果树采摘机器人主要包括两部分：两自由度的移动载体部分和五自由度机械手部分。移动载体为履带式底盘，加装了工控机、电源箱、采摘辅助装置、多种传感器；五自由度机械臂为自行设计，由相应关节驱动装置进行驱动。此开链连杆式关节型机器人，机械臂固定在履带式行走机构上，作业时直接与果实相接触的末端操作器固连于机械臂末端，机械结构如图2-1所示。图2-1 果实采摘机器人机械结构示意图机械臂为PRRRP结构，第一个自由度为升降自由度，中间三个自由度为旋转自由度，第五个自由度为棱柱关节

44、。第一个自由度主要是起抬升机械臂的作用；第二个自由度带动机械臂绕腰部旋转；第三、四个自由度是旋转轴，起升降末端操作器的作用，中间二、三、四自由度能够实现末端操作器在工作空间中朝向于任意方向；第五个自由度是伸长自由度，根据机器人控制指令，将末端操作器送到作业对象的位置，实现果实的采摘。机械手的升降由气泵驱动升降台完成，能应对采摘过程中遇到较高果树作物的特殊情况；机械手旋转关节、棱柱关节采用伺服电机驱动。主要参数如表2-1所示。表2-1 机器人机械机构主要参数关节参数升降台0-0.8m腰部旋转关节大臂旋转关节小臂旋转关机棱柱关节0-0.5m目前越来越多的新型末端操作器应用于农业采摘作业中，已经开发

45、出带有手指、吸引器、桶状、剪刀等各式各样的末端操作器17-20，以实现采摘、移栽、喷雾等生物生产作业过程。本课题主要研究苹果采摘机器人，其作业对象单一为苹果，根据苹果的物理属性和实际生产中采用掐断果梗的方法收获果实，设计了一种勺状末端操作器，实际装置如图所示。其中，前端为勺状夹持装置，由方形气缸驱动其开合，在夹持装置的一侧装有旋转切刀，由末端操作器后端的伺服电机带动其旋转，切断果柄。收获果实时，首先由夹持机构夹住苹果，再采用旋转刀具切断果柄。图2-2 末端操作器实物图2.2 摄像机投影模型(1) 摄像机成像原理摄像机是一种能够摄取连续视频图像的设备，几何成像主要分为三类：透视投影(或称中心射影)成像、仿射投影与正射投影成像。透视投影21比较简单、实用，已经得到公认并被普遍采纳，本文采用的就是该模型。一般情况下，可以将透视投影中的成像设备摄像机线性化，等效为小孔成像模型。从简化的几何光学出发，物体的正常透视投影成像如图2-3所示。然而人们为了计算上的方便，在保持数学关系不变的前提下，通常采用与场景同向的正立虚像成像平面几何模型，在选取合适的坐标系后，其计算模型如图2-4所示。 图 2-3 小孔成像系统模型 图 2-4 成像系统计算模型图2-4中的点为摄像机光心，轴为摄像机的光轴，它与成像平面垂直。轴和轴分别与图像平面的轴和轴平行，光轴与图像平面的交点即为图像坐标系的原点。光