开放式茄子采摘机器人关键技术研究

中国农业大学

博士学位论文

开放式茄子采摘机器人关键技术研究

姓名：宋健

申请学位级别：博士

专业：农业机械化工程

指导教师：张铁中;张宾

20060601

摘要

本课题以开发研制适合我国国情的果蔬采摘机器人为目标，以茄子为研究对象，对开放式果蔬采摘机器人的关键技术进行了研究，完成的主要研究成果和结论如下：

１．根据采摘对象的生长分布空间，利用机械优化设计方法进行了机器人本体结构参数的设计。在此基础上研制开发了４自由度关节式采摘机器人试验样机。该机器人结构简单紧凑，布局合理，动作灵活平稳，具有足够的强度、刚度和承载能力，具有一定的创新性。

２．根据机器人的控制要求，对果蔬采摘机器人进行了运动学分析，依据Ｄ—Ｈ法建立了机器人的运动学方程。实现了运动学方程的求解：针对不同阶段的运动特点，分别进行了视觉伺服控制过程和抓取搬运过程的运动轨迹规划。采用基于Ｍａｔｌａｂ的数值解法求解了机器人的工作空间，并进行了仿真，验证了结构设计的合理性。运动学分析和轨迹规划的研究为精确地实现机器人运动控制提供了理论基础。

３，进行了生长环境中果实目标的识别与定位研究。通过颜色特征统计试验。得出了Ｇ－Ｂ颜色因子对于茄子果实分割最为有利的结论。采用固定双阈值法和自动闺值法对Ｇ—Ｂ灰度图像进行了分割，分割效率分别大于８９％、８１％，平均用时分别为０．０１３ｓ和０．１１６ｓ，其中固定双阚值法具有较好的分割效率和实时性｛提出了融合Ｇ—Ｂ颜色因子和空间信息的彩色图像区域生长分割算法，分割效率９２％，具有较好的分割效果和一定的智能性。利用模板操作结合形态学处理的方法进行了残留物的去除，取得了较好的处理效果。根据果蔬采摘机器人对视觉系统的要求，提取了果实目标的轮廓、面积、重心、外接矩形以及切断点等特征。

４．进行了眼在手上的果蔬采摘机器人视觉伺服系统的研究。讨论了基于图像雅克比的视觉伺服控制的原理和方法，在此基础上构建了无标定实时估算图像雅克比的视觉伺服控制系统。针对眼在手上的果蔬采摘机器人的特点，提出了基于图像的模糊视觉伺服控制系统，并且利用ＢＰ神经网络构造了模糊控制器，取得了较好的控制效果。

５，成功的利用本课题设计制造的４自由度关节式机器人、ＤＭＣ运动控制器、数字摄像头以及ＰＣ，机组成了开放式采摘机器入实验系统。

６．整机性能测试结果表明：机器人重复定位糖度为±２．５ｒａｍ；单摄像头两步法测距，当测量距离在２７５ｍｍ一５７５ｍｍ范围内，测量误差基本都在±１８ｒａｍ之内ｉ整机试验系统运行稳定可靠，抓取成功率为８９％，平均耗时３７４ｓ。关键词：采摘机器人，机械结构，图像处理。控制系统

Ａｂｓｔｒａｃｔ

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