绳驱蛇形机械臂绳索容错可达空间分析

蛇形机械臂因其结构紧凑、运动灵活、具备在狭小空间和危险环境中的作业能力而受到广泛关注和探索研究。基于绳驱蛇形机械臂机器人结构特征,用Denavit-Hartenberg(D-H)法建立运动学分析模型,并应用蒙特卡洛法对其进行了求解;通过Matlab软件对不同工况下的绳驱蛇形机械臂可达空间进行模拟仿真,确定了绳驱蛇形机械臂完好状态下和蛇形机械臂任意单根驱动绳索故障断裂情况下的可达空间范围。该研究不仅有效揭示了不同臂段对绳驱蛇形机械臂可达空间的影响,还为系统地进行蛇形机械臂臂部结构优化设计和运动轨迹规划控制奠定了基础。

基于贪心遗传算法的穴盘苗补栽路径优化

温室育苗需要通过补苗移栽作业用健康钵苗替换穴盘内未发芽或劣质的钵苗,保证钵苗的质量。自动补苗移栽机可利用机器视觉获取穴盘苗健康信息,控制末端执行器抓取钵苗进行补苗作业,移栽效率高。穴盘内需补苗孔穴的位置具有随机性,对补栽路径进行规划,可进一步提高补栽效率。本文综合贪心算法和遗传算法的特性提出一种贪心遗传算法,在分段步长取8,优化代数取100时,可实现稀疏和密集穴盘的补栽路径优化,具有鲁棒性。贪心遗传算法所规划补苗路径长度与全遗传算法接近,均值差在443 mm以内;相比优化前的固定顺序法,贪心遗传算法路径长度可缩短33.8%~41.3%,缩短长度随空穴数量增加而加长;贪心遗传算法与全遗传算法规划补栽路径耗时分别为1.81 s和5.59 s。对比可知,贪心遗传算法更有利于自动移栽机输送单元和移栽单元间的动作衔接,可进一步提高自动移栽机效率。

双断根嫁接机自动搬运与回栽装置设计与试验

为提高嫁接流程的自动化程度,设计了一种适用于双断根嫁接机的自动搬运及回栽装置,以解决嫁接后嫁接苗依靠人工搬运、回栽作业的问题。阐述了搬运及回栽装置工作原理,并对关键机构进行了仿真和运动学分析。通过嫁接苗贴接夹紧区域统计和嫁接苗搬运试验,确定搬运机构对嫁接苗的最佳夹持位置;当机构夹持嫁接苗夹子下端搬运,搬运成功率可达94%,平均耗时为2.5 s/株。通过镇压三因素三水平正交试验,确定嫁接苗镇压效果最优条件;当打孔孔径10 mm、打孔深度15 mm、镇压块形状为对分锥面镇压时,嫁接苗回栽试验成功率可达92%,平均耗时为4 s/株,满足目前全自动嫁接机的嫁接速度要求。试验表明,设计的嫁接苗自动搬运及回栽装置与嫁接机配套使用,可提高嫁接流程的自动化程度。

基于专家系统的穴盘苗品种识别算法设计与试验

为提高穴盘苗品种识别准确率,确保全自动穴盘苗移栽的实施,设计基于专家系统的识别算法。首先对采集穴盘苗图像进行K均值聚类算法图像分割、二值化和形态图像处理,获得0.6L-0.4(R+B+G)/3、0.3b-0.7a、H+0.2S、0.3L-0.7a等4个颜色特征值向量和长宽比、椭圆扁率、矩形度、傅里叶描述子等4个形状特征向量。然后对图像特征进行语义转换,构建穴盘苗知识模型,并设计苗的知识库及推理机,推理采用了不确定推理算法及学习算法。系统采集了120盘10个品种的穴盘苗,采用专家系统识别试验,成功率达到了98.3%,而相同样本采用支持向量机(support vector machine,简称SVM)的识别率是84.0%,采用粒子群优化支持向量机(particle-swarm optimization SVM,简称PSOSVM)的识别率是86.3%,采用反向传递(back propagation,简称BP)神经网络的识别率是62.0%,证明基于专家系统的识别方法可以满足自动移栽作业要求。

刚柔混合双臂空间机器人抓持-操作协同规划

针对狭小空间内的在轨维修操作,提出了一种基于受限空间可操作度优化的刚柔混合双臂协调轨迹规划方法。根据绳驱柔性臂的结构特性对其进行运动学等效,并完成了刚柔混合双臂等效运动学模型的建立,得到基座漂浮状态下的广义雅可比矩阵以及对应的零空间投影矩阵。以任务操作方向上的可操作度为优化指标,通过零空间投影矩阵建立优化函数方程;同时基于分解运动速度控制,通过广义雅可比矩阵实现末端速度空间到关节速度空间的映射,实现了混合双臂抓持-操作目标的同步运动控制。最后,开发了基于联合仿真软件的混合双臂联合仿真系统,仿真结果验证了上述方法的有效性。

考虑迟滞及变形影响的主被动混合驱动绳驱空间机械臂运动学建模及求解

在绳驱空间机械臂的非结构化环境灵巧作业中,驱动绳索拉伸和臂段形变给机械臂的精确控制带来了困难。为此,本文提出一种改进运动学模型。首先,建立机械臂"驱动绳索长度-关节角度-末端位姿"的多重映射运动学模型;进一步考虑绳索迟滞、运动方向切换和臂段变形3种因素耦合影响,改进"驱动绳索长度-关节角"的映射模型。其次,设计试验平台,开展不同负载下的绳索迟滞量测定试验。最后,对比改进运动学模型仿真结果和绳驱空间机械臂样机试验数据。与理想几何模型的比较结果表明,长1110 mm的两段绳驱空间机械臂的末端绝对位置误差可减小15.2 mm;末端绝对位置误差减小61.4%,证明了改进运动学模型的有效性。