Design and Simulation of Robot Manipulator for Plucking Tea

【摘要】：自从上世纪末以来,机器人已在工业、农业等领域得到了广泛的应用和重视,尤其在许多具有危险、有害和繁琐重复动作的岗位上开始替代人的劳动。从而也导致了机器人设计和控制技术的快速发展。本课题是将机器人技术应用到茶叶采摘的作业中,通过设计采摘茶叶的机械操作臂及其末端执行器和嫩芽叶视觉识别系统,以实现对茶树上嫩芽茶叶的自动采摘。论文的主要工作如下:首先,在对机器人及其在农业领域应用现状的分析基础上,提出了采茶作业使用机器人的基本构想。其次,在对细嫩茶芽的茶叶图像分析基础上,运用阈值法对茶叶图像进行处理和颜色分割,过滤噪声,形成相关的算法;基于颜色因素进行了味蕾识别方法的研究,利用光谱分析技术对茶叶嫩芽进行识别和定位,实现对嫩茶叶采摘视觉识别系统的开发。第三,通过对茶叶树规格与茶叶参数、特性的分析,规划了采茶机械操作臂的设计方案,包括自由度数的匹配、机械操作臂的结构组成等;在此基础上建立了五自由度机械操作臂的正向运动方程与逆向运动方程,运用MATLAB模拟了末端执行器的空间位置。第四,建立了机械操作臂及末端执行器的雅可比矩阵,求得其速度和加速度运动学方程;使用蒙特卡罗方法测定了机械操作臂的可操纵性和末端执行器的工作空间。建立了末端执行器的关节空间平滑轨迹规划,并以较详实的速度图表和加速度的图表来说明如何进行空间两点之间的选择;根据嫩茶叶吸入的要求,对末端执行器的结构进行设计和配置。最后,运用MATLAB仿真和CATIA三维造型分析软件对五自由度机械操作臂进行了运动轨迹模拟和动态建模,计算机械手的势能和动能,以验证机械操作臂关节力矩计算和路径轨迹。本论文的相关研究工作是将机器人技术运用于茶叶采摘作业中,实现茶叶采摘自动化的一个初步尝试,这对于现代农业向高效、精准方向的发展具有重要的现实意义和推广应用价值。