番茄侧枝修剪机器人的设计与仿真研究
中国是世界三大主要番茄种植区之一，种植面积超100万亩，年产量大并呈持续增长态势。番茄植株侧枝生长能力很强，对番茄果实的产量和质量都有相当程度的影响且目前我国番茄侧枝的修剪工作主要依靠人工完成，费时费力、成本很高。为此，设计了一种具有起升能力、动作灵活的8自由度番茄侧枝修剪机器人，并对其进行了运动学和动力学仿真研究。该机器人的开发有助于降低劳动力成本、提高修剪效率与质量，实现果实的适度优质与丰产。 本文主要研究内容如下： （1）调研了高架栽培番茄种植环境和侧枝生长特性，确定了机器人整体结构方案并利用MATLAB优化函数完成了修剪机械手的尺寸参数优化。 （2）完成了番茄侧枝修剪机器人的机械结构设计。包括6自由度关节型机械手、激光烧灼式端执行器、2自由度移动平台的结构设计，利用Solidworks软件建立各部分的三维模型并进行虚拟装配。 （3）建立了基于D-H表示法的修剪机械手运动学模型，推导了运动学方程的正、逆解表达式。将机械手的三维模型导入ADAMAS并进行了运动学仿真，通过比较机械手末端的理论位姿与仿真结果位姿之差的形式，验证了正、逆运动学方程求解的正确性，为后续的动力学仿真与刚柔耦合动力学仿真的可靠性提供保障。 （4）对目标空间内的无障碍及有障碍两种情况分别进行了笛卡尔空间内的动力学仿真，得出了两种典型工况下各关节的角速度、角加速度变化曲线，以运动过程无明显冲击为目标，对机械手沿多段线路径避障动力学仿真进行了驱动函数优化，确保机械手完成障碍跨越动作的同时有效减少运行全过程的冲击。根据两种典型工况下反馈的各关节力矩结果，进行了机械手各关节电机的选型。 （5）将机械手大臂、小臂的Solidworks模型导入ANSYS中，生成对应的模态中性文件再导入ADAMS中替换原模型中相应的刚性部件，生成刚柔耦合模型并进行了动力学仿真,比较刚性与刚柔耦合情况下末端执行器位姿上的偏差及关节角加速度变化，分析造成这些偏差的原因;通过分析机械手在目标空间内的动态应力、应变变化找出应力幅值，验证机器人材料选型。
修剪机器人;运动学仿真;动力学分析;刚柔耦合模型;ADAMS软件
温州大学
硕士
机械工程
申允德
2018
中文
TP242
2019-01-18（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）