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番茄采摘机器人夹持系统的加减速过程研究

李智国  
【摘要】: 番茄采摘机器人夹持系统的夹持过程是一个具有高速碰撞的加减速过程,在连续夹持过程中电动机耗能较大。而采摘机器人通常情况下都是在田间长时间作业,采用蓄电池供电,蓄电池的蓄电量较为有限,因此如何减少夹持过程中的电动机耗能是一个很有实际意义的课题。本文对基于能量最优的夹持系统加减速过程进行研究,开展的主要工作有: 1.研究了PMAC运动控制器中理想加减速控制算法的最小耗能和梯形、二次样条曲线、S曲线加减速算法的速度函数,然后根据速度函数与电机耗能之间的关系求出了各加减速控制算法的耗能函数,并通过MATLAB编程求最小值,发现当梯形曲线的加速时间和二次样条曲线的加加速时间分别设为T/3和T/6;S曲线的加加速时间和匀加速时间设为0.01T和0.32T,能够分别获得加减速算法基于能量最优的速度轮廓。 2.研究了不同加减速算法在不同时间设置情况下的耗能,通过与最优速度轮廓的耗能比较,发现同一算法在不同时间参数设置时耗能差别明显,此外不同算法之间的耗能水平也有明显差别。因此综合考虑系统的平稳性和耗能因素对采摘机器人夹持系统的影响,对夹持系统的加减速过程选择使用t_1、t_2分别为0.01T和0.32T的S曲线加减速控制算法。 3.研究了半熟期番茄受力与变形关系,得出在弹性阶段番茄受力与变形呈线性关系,判断利用番茄受力与变形的关系对番茄进行稳定可靠夹持控制策略是可行的。 4.研究了准静态条件下采摘机器人柔性夹持系统电机输入电流(力矩)与手指夹持力之间的关系,并建立了数学模型;通过手指稳定夹持力实验说明了重量差异较小的番茄可以使用同一稳定夹持力央持。 5.研究了手指运动速度与夹持力之间的关系,得出在稳定夹持力范围内电机的匀速段运动速度范围,最后以耗能和速度为指标,通过MATLAB编程寻优,得出当输入电机电流为800mA,电机在S曲线加减速过程中的匀速段速度为3000rpm时,可以得到在单位时间内电机运动的耗能最小,稳定抓取效率较高。


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