果樹(shù)采摘機(jī)器人控制與避障技術(shù)研究論文-

分類號(hào)TP242.6密級(jí)公開(kāi)UDC621.3編號(hào)102990607022碩士學(xué)位論文果樹(shù)采摘機(jī)器人控制與避障技術(shù)研究ResearchonControlandObstacleAvoidancetechnologiesofFruitHarvestingRobot

學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)江蘇大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部?jī)?nèi)容或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。保密□，在年解密后適用本授權(quán)書(shū)。本學(xué)位論文屬于不保密學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：年月日年月日獨(dú)創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的內(nèi)容以外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。學(xué)位論文作者簽名：日期：年月日江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文.1.3數(shù)據(jù)采集卡果樹(shù)采摘機(jī)器人利用傳感器感知環(huán)境信息，在控制過(guò)程中需要實(shí)時(shí)的采集各傳感器的信號(hào)。傳感器輸出的信號(hào)為模擬信號(hào)，而計(jì)算機(jī)只能識(shí)別二進(jìn)制的數(shù)字量，所以模擬信號(hào)在輸入計(jì)算機(jī)之前必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集卡是控制系統(tǒng)與外部環(huán)境的橋梁，一個(gè)典型的數(shù)據(jù)采集卡的功能有模擬輸入，模擬輸出，數(shù)字I/O，計(jì)數(shù)器/計(jì)時(shí)器等。模擬輸入是采集卡的最基本的功能。它一般由多路開(kāi)關(guān)(MUX)，放大器(Amplifier)，采樣保持電路(S/H)以及模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)模擬信號(hào)通過(guò)上述各部分后可以轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。ADC的性能和參數(shù)直接影響著采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際測(cè)量所需要的精度來(lái)選擇合適的ADC。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采集卡采用科日新KPCI-812F型號(hào)高可靠性能數(shù)據(jù)采集卡(如圖3-4所示)，它是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)任一PCI插槽中。裝有12Bit分辨率的轉(zhuǎn)換器和8入、8出的開(kāi)關(guān)量接口芯片。提供雙16/單32的模擬輸入通道和8入、8出的開(kāi)關(guān)量通道。A/D輸入信號(hào)范圍：、、。最高傳輸速率為132,轉(zhuǎn)換時(shí)間為，三種采樣觸發(fā)方式：定時(shí)觸發(fā)、軟件觸發(fā)和外觸發(fā)。圖3-4KPCI-812F型號(hào)高可靠性能數(shù)據(jù)采集卡3.1.4機(jī)械臂伺服電動(dòng)機(jī)果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械臂主要選用以下類型伺服電機(jī)：表3-1電動(dòng)機(jī)的配置方案電機(jī)額定扭矩(n.m)最大扭矩(n.m)轉(zhuǎn)速(r/s)重量(kg)伺服電機(jī)12.397.3630003伺服電機(jī)27.1621.620007.5減速器選配減速比為1：20。其承受負(fù)載范圍如圖3-5所示。11214.327.12重心位置m承重kg63.2承重kg重心位置m21.5242.9629.449.81伺服電機(jī)1伺服電機(jī)2圖3-5電機(jī)承受負(fù)載范圍3.1.5氣壓傳動(dòng)裝置采摘機(jī)器人末端操作器的控制采用氣壓裝置，主要由氣泵、氣缸和活塞柱組成。氣壓傳動(dòng)是利用壓縮氣體的壓力能來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的一種傳動(dòng)方式[23-24]，其介質(zhì)主要是空氣，具有動(dòng)作迅速，反應(yīng)快的特點(diǎn)，適合于末端操作器的開(kāi)合控制。典型的氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)有以下幾個(gè)部分組成(如圖3-6所示)：1、氣壓發(fā)生裝置氣壓發(fā)生裝置主要是空氣壓縮機(jī)，它將原動(dòng)機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w的壓力能。2、執(zhí)行元件執(zhí)行元件是以壓縮空氣為工作介質(zhì)產(chǎn)生機(jī)械運(yùn)動(dòng)，并將氣體的壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的能量轉(zhuǎn)換裝置。3、控制元件用來(lái)調(diào)節(jié)和控制壓縮空氣的壓力、流量和流動(dòng)方向，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)按要求的程序和性能工作。1、電動(dòng)機(jī)；2、空氣壓縮機(jī)；3、氣罐；4、壓力控制閥；5、邏輯元件；6、方向控制閥；7、流量控制閥；8、行程閥；9、氣缸；10、消聲器；11、油霧器；12分水濾器氣圖3-6氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的組成4、輔助元件輔助元件是使壓縮空氣凈化、潤(rùn)滑、消聲以及用于元件間連接等所需要的一些裝置。3.2外部傳感器設(shè)計(jì)3.2.1末端操作器傳感器布局末端操作器通常由機(jī)械裝置和傳感器組成[26]，為了實(shí)現(xiàn)末端操作器快速、準(zhǔn)確的抓取目標(biāo)果實(shí)，根據(jù)簡(jiǎn)單、有效、穩(wěn)定的原則，在圖2-2所示的末端操作器實(shí)物圖上，分別安裝了位置定位傳感器、壓力傳感器、碰撞傳感器和視覺(jué)傳感器。其中位置定位傳感器采用紅外線對(duì)射開(kāi)關(guān)構(gòu)成；碰撞傳感器和壓力傳感器采用力敏電阻組成；視覺(jué)傳感器采用高像素的攝像頭。傳感器的安裝增強(qiáng)了機(jī)器人的感知外界環(huán)境信息的能力，為機(jī)器人的智能控制提供了條件。傳感器方式如圖3-7所示。圖3-7末端操作器中傳感器分布圖3.2.2位置傳感器設(shè)計(jì)機(jī)器人手爪在抓取物體前，需要知道物體的形狀特征，先進(jìn)行可抓取性判別，才能進(jìn)行自主操作[27-28]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人進(jìn)行采摘作業(yè)中，采用視覺(jué)傳感器捕捉目標(biāo)果實(shí)圖像，視覺(jué)傳感器采集圖像時(shí)，對(duì)近處的目標(biāo)果實(shí)識(shí)別能力降低，不能準(zhǔn)確提供目標(biāo)果實(shí)相對(duì)于末端操作器的位置信息（雙目視覺(jué)傳感器在0-20cm處采集的圖像信息趨于模糊化）。目前，多采用在機(jī)械手爪上安裝定位裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)的準(zhǔn)確定位，如Monta等人設(shè)計(jì)的番茄采摘元件中應(yīng)用電位器監(jiān)測(cè)位置信息[29]。結(jié)合末端操作器機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用振蕩器、紅外線光電開(kāi)關(guān)、和集成鎖相環(huán)路解碼器LM567[30]等器件，設(shè)計(jì)了一種能夠應(yīng)用于機(jī)器人末端操作器的位置傳感器。(1)位置傳感器性質(zhì)、特點(diǎn)末端操作器是機(jī)器人直接對(duì)目標(biāo)水果進(jìn)行操作的重要部件，可以利用傳感器準(zhǔn)確確定作業(yè)對(duì)象在末端操作器中的位置，為控制器提供控制信息。因?yàn)槟┒瞬僮髌魑挥跈C(jī)器人手臂的最末端，它的重量、形狀對(duì)采摘作業(yè)過(guò)程存在影響，對(duì)于安裝于末端操作器上的器件應(yīng)以小、輕、便于控制及準(zhǔn)確提供果實(shí)位置信息為主要考慮因素，位置傳感器也應(yīng)以此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇、設(shè)計(jì)。本文利用光電開(kāi)關(guān)作為定位裝置，只提供高、低電平兩種信號(hào)，便于實(shí)時(shí)處理。同時(shí)，光電開(kāi)關(guān)選取直徑3mm的對(duì)射式紅外線發(fā)射、接收二極管，其突出優(yōu)點(diǎn)是體積小，重量輕，安裝方便。(2)電路組成與分析在一些紅外線光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，多使用如圖所示的電路，這種電路抗擾能力差，在光環(huán)境惡劣場(chǎng)合下，無(wú)法正常工作。因此，作業(yè)環(huán)境中，單純的按照?qǐng)D所示的電路進(jìn)行定位時(shí)不可避免的受到日光的干擾。為解決這個(gè)問(wèn)題，采用振蕩器產(chǎn)生一定頻率的信號(hào)，作為光電開(kāi)關(guān)發(fā)射端的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使紅外線發(fā)射管發(fā)射一定頻率脈動(dòng)波，同時(shí)接收端利用集成鎖相環(huán)路解碼器LM567對(duì)接收到的脈動(dòng)波進(jìn)行鑒相、鎖定，從而提高光電開(kāi)關(guān)的抗干擾能力。發(fā)射端示意圖如圖所示，載波振蕩器由高速型四重二輸入“與非”門74HC00構(gòu)成。在本電路中只利用74HC00的兩個(gè)反相器構(gòu)成振蕩器，產(chǎn)生載波頻率的方波。經(jīng)三極管放大后作為紅外線二極管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使紅外發(fā)射管發(fā)射頻率為的載波。圖3-8簡(jiǎn)單的光電開(kāi)關(guān)圖圖3-9發(fā)射端示意圖圖為紅外接收控制電路，圖中LM567為集成鎖相環(huán)路解碼器，采用8腳雙列直插封裝。其引腳通常分別通過(guò)一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，2腳所接的電容決定鎖相環(huán)路的捕捉寬帶，電容越大，環(huán)路帶寬越窄，1腳所接的電容至少是2腳的電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號(hào)，腳外接的電阻、電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率。(3-1)8腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開(kāi)路的三極管，允許最大灌電流為100mA。LM567的工作電壓為4.75~9V，振蕩頻率從0.01KHz到500KHz，靜態(tài)工作電流約8mA。在本設(shè)計(jì)中我們利用LM567接收到相同頻率的載波信號(hào)后，8腳電壓由高電平變?yōu)榈碗娖竭@一特性。圖3-10紅外接收控制電路位置傳感器的電路原理圖如圖所示。圖3-11位置傳感器電路原理圖工作原理：74HC00中的兩個(gè)與非門構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生重復(fù)頻率約為2kHz的方波，經(jīng)過(guò)三極管放大后加至紅外光電發(fā)射管，紅外光電發(fā)射管輸出固定頻率的脈動(dòng)波。接收端為紅外接收三極管（兩管腳），接收到信號(hào)后經(jīng)電容濾波、一級(jí)交流放大器放大后，送至LAM567鎖相環(huán)輸入端（3管腳）。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器使≈2KHz，當(dāng)鎖相環(huán)路解碼器輸入信號(hào)的幅度大于20mV(rms)且頻率落入鎖相環(huán)路的捕獲帶時(shí)，環(huán)路立即對(duì)輸入信號(hào)鎖定，經(jīng)過(guò)LM567鑒相后，在輸出端輸出低電平。當(dāng)接收端沒(méi)有接收到發(fā)射端的波形時(shí)，LM567輸入端沒(méi)有信號(hào)輸入，不能進(jìn)行信號(hào)的鎖定，輸出端電壓為高電平。在實(shí)際應(yīng)用中，末端操作器勺狀手柄上安裝了兩對(duì)位置傳感器，只有當(dāng)兩個(gè)位置傳感器都動(dòng)作時(shí)，才表示目標(biāo)果實(shí)已完全進(jìn)入末端操作器中，防止樹(shù)葉遮擋紅外線光電開(kāi)關(guān)，而產(chǎn)生誤動(dòng)作。3.2.3壓力傳感器設(shè)計(jì)壓力傳感器用于測(cè)量手抓抓取果實(shí)的力度，通過(guò)對(duì)力的控制達(dá)到水果采摘過(guò)程中的無(wú)損傷，在設(shè)計(jì)壓力傳感器時(shí)需注意以下問(wèn)題：(1)壓力傳感器安裝于勺狀末端操作器的的內(nèi)側(cè)，受水果的物理特性影響，壓力傳感器厚度不能太大，否則在抓取水果的時(shí)易損傷水果；(2)傳感器應(yīng)足夠靈敏，且不受外界環(huán)境變化的影響。壓力傳感器種類繁多，考慮到將傳感器安裝到機(jī)器人手爪中，必須具有厚度小，反應(yīng)迅速等特點(diǎn)，通過(guò)比較選用力敏電阻(FSR,forcesensingresistors)為主要器件設(shè)計(jì)壓力傳感器。力敏電阻是一種能將機(jī)械力轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的特殊的厚高分子膜元件，它是利用半導(dǎo)體材料的壓力電阻效應(yīng)制成的[31]。圖3-12為采用一個(gè)半球狀的(半徑10.0mm)橡皮作用在型號(hào)為FSR-402的力敏電阻(圓形有效面積直徑為12.7mm)時(shí)，器件所顯示的力-電阻特性。在低作用力時(shí)力敏電阻存在開(kāi)關(guān)效應(yīng)(電阻阻值從大于100KΩ突變到10KΩ)。突變隨著底層和頂層的厚度、作用力的大小、間隔裝置的厚度的增加而增加。在力-電阻特性動(dòng)態(tài)范圍末端，響應(yīng)特性又偏離了動(dòng)力規(guī)則行為，即使力增加電阻也沒(méi)有發(fā)生太大的變化，最終飽和到一個(gè)點(diǎn)。圖3-13為力敏電阻的力與電壓特性曲線，從圖中可以看出，當(dāng)RG的阻值選取4.7K時(shí)，力與電壓之間近似為線性關(guān)系。通過(guò)分析，力敏電阻能夠以電壓的形式反應(yīng)出所受力的大小，適合用作機(jī)器人的壓力傳感器。圖3-12FSR力-電阻特性圖3-13 FSR力-電壓特性曲線在蘋果抓取過(guò)程中需設(shè)定基準(zhǔn)抓取力，當(dāng)機(jī)器人抓取力大于此力時(shí)，停止抓取工作。通過(guò)實(shí)際測(cè)量，在抓取過(guò)程中作用在蘋果上的力為4N400g時(shí)，末端操作器抓牢物體。由圖3-13知，RG=4.7K在400g作用力作用下，力敏電阻輸出電壓為2.9V，當(dāng)作用力大于4N時(shí)，輸出的電壓值高于2.9V。則在應(yīng)用電路中，設(shè)定基準(zhǔn)電壓應(yīng)在2.9V左右。實(shí)際應(yīng)用電路圖如圖3-14所示，在電路中，F(xiàn)SR與RM相連組成電壓分配器，U1為電壓比較器，U1的輸出為高電平或低電平，U1同相輸入端的輸入電壓與FSR、RM組成的電壓比較器有關(guān)，當(dāng)FSR所承受的力增大時(shí)，其上的輸出電壓增大。初始狀態(tài)沒(méi)有力作用時(shí)，比較器的輸出端為低電平，當(dāng)比較器U1的同相輸入端的輸入電壓大于反相輸入端電壓時(shí)比較器U1輸出端觸發(fā)為高電平。這個(gè)力開(kāi)關(guān)極限觸發(fā)電壓(即基準(zhǔn)電壓)由反相輸入端的電阻R1進(jìn)行設(shè)定，滑動(dòng)變阻器R1構(gòu)成的基準(zhǔn)電壓也可以用兩個(gè)固定的電阻組成電壓分配器的形式代替。圖3-14實(shí)際應(yīng)用電路3.2.4視覺(jué)傳感器選型視覺(jué)傳感器是機(jī)器人獲取工作環(huán)境、工作對(duì)象和機(jī)器人自身位置等信息的最基本的技術(shù)手段。相對(duì)于工業(yè)機(jī)器人而言，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)作業(yè)的機(jī)器人其工作環(huán)境和工作對(duì)象更加復(fù)雜，需要更加高級(jí)的計(jì)算機(jī)視覺(jué)傳感系統(tǒng)與之匹配[32]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人視覺(jué)傳感器的主要任務(wù)包括1)確定機(jī)器人或末端操作器與作業(yè)對(duì)象之間相對(duì)距離；2)確定工作對(duì)象的品質(zhì)、形狀和尺寸；3)機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)的視覺(jué)導(dǎo)航。視覺(jué)傳感器是將物景的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。經(jīng)常采用光導(dǎo)攝像管的電視攝像機(jī)，近年來(lái)開(kāi)發(fā)了CCD和MOS器件等組成的固體攝像機(jī)。采摘機(jī)器人的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)采用黑白CCD或彩色CCD作為視覺(jué)傳感器。為了增強(qiáng)檢測(cè)對(duì)象與背景的對(duì)比度，減少太陽(yáng)陰影的干擾，通常采用人工光照或在CCD鏡頭前加裝不同波長(zhǎng)的濾鏡。利用視覺(jué)傳感器，可以獲取2種不同類型的圖像：灰度圖像和彩色圖像。利用B/WCCD能獲取與檢測(cè)對(duì)象顏色無(wú)關(guān)的灰度圖像，而彩色CCD或B/WCCD加上某種波長(zhǎng)的濾鏡則可獲得彩色圖像。無(wú)論灰度圖像還是彩色圖像都是二維圖像。對(duì)于采摘機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)而言，不僅要探測(cè)到目標(biāo)的存在，還要計(jì)算出采摘對(duì)象的空間坐標(biāo)[4]。在控制系統(tǒng)中視覺(jué)傳感器采用高像素?cái)z像頭，技術(shù)規(guī)格：視像解析度640(水平)×480(垂直)；鏡頭焦距為f=6.0mm；幀率軟件差值為130-300萬(wàn)/幀；成像距離為20mm至無(wú)窮遠(yuǎn)；視覺(jué)為。安裝方式為Eye-in-hand3.2.5碰撞傳感器設(shè)計(jì)(1)末端操作器用碰撞傳感器為防止末端操作器在進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)受到障礙物的阻擋，在末端操作器的前端安裝碰撞傳感器感知障礙物信息。在使用中，碰撞傳感器只需給出障礙存在信息即可，如利用高、低電平表示障礙物的有、無(wú)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，采用與壓力傳感器相同的器件，型號(hào)選用力敏電阻中的FSR-408，碰撞傳感器實(shí)際應(yīng)用電路為圖3-14所示電路。當(dāng)碰撞傳感器碰到障礙物后給出高電平，數(shù)據(jù)采集卡采集到信號(hào)后送PC機(jī)處理，為機(jī)器人避障提供環(huán)境信息。在實(shí)際考察果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境時(shí)，有蘋果緊貼果枝生長(zhǎng)的情況，在控制中按如下方法實(shí)現(xiàn)此類果實(shí)的采摘：當(dāng)碰撞傳感器與前端第一個(gè)光電開(kāi)關(guān)同時(shí)輸出高電平時(shí)，視為蘋果緊貼果枝生長(zhǎng)且蘋果已進(jìn)入末端操作器，可進(jìn)行采摘作業(yè)。(2)采摘機(jī)器人機(jī)械手避障傳感器果樹(shù)采摘機(jī)器人工作于非結(jié)構(gòu)性的、未知的和非確定的環(huán)境中，在采摘作業(yè)時(shí)對(duì)于出現(xiàn)的障礙物要具有實(shí)時(shí)感知的能力，以提高采摘機(jī)器人的智能程度。采用力敏電阻FSR-408型號(hào)制作碰撞傳感器用于機(jī)械臂避障中，將多個(gè)FSR-408作為碰撞傳感器安裝于機(jī)械手小臂上，實(shí)時(shí)感知采摘機(jī)器人在運(yùn)作過(guò)程中的障礙物信息。安裝方式如圖3-15所示。采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，主要控制大臂與小臂來(lái)實(shí)現(xiàn)果實(shí)的采摘。其中小臂的運(yùn)動(dòng)空間范圍較大，與障礙物相碰撞的機(jī)率較高，將碰撞傳感器安裝于小臂上能夠?qū)崿F(xiàn)在控制運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)障礙物的感知。碰撞傳感器電路采用圖3-14電路結(jié)構(gòu)，工作原理如下：數(shù)據(jù)采集卡實(shí)時(shí)檢測(cè)傳感器輸出信號(hào)，對(duì)于不同方向的障礙物，觸碰相應(yīng)方向的傳感器，當(dāng)檢測(cè)到傳感器輸出高電平時(shí)，此方向存在障礙物，應(yīng)進(jìn)行避障。信號(hào)采集時(shí)，需要給各傳感器編號(hào)，以便在編程時(shí)對(duì)信號(hào)的處理。在此我們將4個(gè)碰撞傳感器按照所在位置與個(gè)數(shù)進(jìn)行編號(hào)，四組傳感器按照其安裝的方位，依次編號(hào)為：CU、CR、CD、CL。圖3-15機(jī)械手碰撞傳感器安裝示意圖3.3本章小結(jié)本章根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)器人控制系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了選型設(shè)計(jì)。為了提高果樹(shù)采摘機(jī)器人智能水平和對(duì)外界環(huán)境信息的感知能力，設(shè)計(jì)了符合采摘機(jī)器人工作特性的傳感器，通過(guò)這些外圍傳感器，果樹(shù)采摘機(jī)器人具有圖像的獲取、果實(shí)定位、抓取力測(cè)量以及對(duì)障礙物感知等能力。第四章果樹(shù)采摘機(jī)器人控制方法研究本章首先介紹了視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)的類型，然后提出了果樹(shù)采摘機(jī)器人控制方法，采用視覺(jué)伺服控制方法，建立PID運(yùn)動(dòng)控制器，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人機(jī)械臂的控制。4.1視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)分析視覺(jué)伺服是利用視覺(jué)信息控制機(jī)械手末端執(zhí)行器與目標(biāo)物體之間的相對(duì)位姿，或者是利用一組從圖像中提取的特征來(lái)控制機(jī)械手末端執(zhí)行器與該組特征之間的相對(duì)位姿。視覺(jué)伺服控制是一門多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，主要包括：數(shù)字圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理、實(shí)時(shí)系統(tǒng)、控制理論、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)和機(jī)器人學(xué)等。常用的機(jī)器人視覺(jué)伺服控制方法一般分為基于位置的控制方式和基于圖像的控制方式[33-34]?；谖恢玫暮突趫D像的伺服控制，它們分別包含了基于動(dòng)態(tài)lookandmove的系統(tǒng)和直接視覺(jué)伺服系統(tǒng)。在基于位置的伺服控制中，從圖像中抽取特征點(diǎn)是在二維圖像平面上的坐標(biāo)信息，并與物體和攝像機(jī)的幾何模型相結(jié)合，估計(jì)出物體與攝像機(jī)之間的位置關(guān)系，估計(jì)值與理想位置之間存在一定的誤差，用該誤差去計(jì)算機(jī)器人系統(tǒng)的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)在3D任務(wù)空間內(nèi)的機(jī)械手伺服控制。而在基于圖像的視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)中，伺服控制直接根據(jù)目標(biāo)物體特征點(diǎn)在像平面上的當(dāng)前位置和理想位置之間的誤差而在圖像空間內(nèi)進(jìn)行的。動(dòng)態(tài)時(shí)lookandmove控制結(jié)構(gòu)中利用了關(guān)節(jié)角的實(shí)時(shí)反饋，而直接視覺(jué)伺服系統(tǒng)PBVS和IBVS則沒(méi)有利用關(guān)節(jié)反饋信息。因?yàn)榇蠖鄶?shù)報(bào)道的視覺(jué)伺服系統(tǒng)是基于動(dòng)態(tài)lookandmove系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的，而且沒(méi)有與直接視覺(jué)伺服系統(tǒng)之間加以區(qū)分，皆稱之為視覺(jué)伺服系統(tǒng)。各種控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4-1至4-4所示。圖4-1動(dòng)態(tài)基于位置的lookandmove系統(tǒng)框架圖4-2動(dòng)態(tài)基于圖像的lookandmove系統(tǒng)框架圖4-3基于位置的視覺(jué)伺服的系統(tǒng)框架圖4-4基于圖像的視覺(jué)伺服的系統(tǒng)框架基于位置的視覺(jué)伺服控制主要優(yōu)點(diǎn)是直接在笛卡爾空間控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，另外它把視覺(jué)重構(gòu)問(wèn)題從機(jī)器人控制中分離出來(lái)，這樣可以分別對(duì)二者進(jìn)行研究。但這種方法一般需要對(duì)視覺(jué)系統(tǒng)和機(jī)器人進(jìn)行標(biāo)定，要對(duì)圖像進(jìn)行解釋?；趫D像的視覺(jué)伺服控制，其伺服誤差直接定義在圖像特征空間，即攝像機(jī)觀察到的特征信息直接用于反饋，不需要進(jìn)行位姿估計(jì)，因此對(duì)攝像機(jī)標(biāo)定誤差相對(duì)不敏感?；趫D像的控制系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)為：計(jì)算圖像雅可比矩陣J需要估計(jì)目標(biāo)深度，而深度估計(jì)一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)中的難點(diǎn)；攝像機(jī)位置可能收斂于局部最小點(diǎn)，而非理想值；跟蹤過(guò)程中，圖像雅可比矩陣可能存在奇異值，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。4.2采摘機(jī)器人控制策略圖4-5為3-D空間中的果實(shí)在攝像機(jī)中形成的透視投影，Oc為攝像機(jī)的光學(xué)中心，相應(yīng)的攝像機(jī)坐標(biāo)為，這個(gè)透視投影圖形描述了3-D坐標(biāo)中的目標(biāo)果實(shí)G（在空間坐標(biāo)系中的表示）與其在圖像平面投影g(在圖像平面中的表示)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，這個(gè)關(guān)系式可以由式(2-1)-(2-4)描述。攝像機(jī)捕捉的二維圖像中以右上角為原點(diǎn)，用、表示其橫、縱坐標(biāo)，選定目標(biāo)果實(shí)在圖像中投影中心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)(，)之差作為圖像的特征。從公式(2-4)、(2-13)-(2-15)以及圖4-5目標(biāo)果實(shí)的投影關(guān)系可以看出，采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)控制中關(guān)節(jié)角的變化引起目標(biāo)果實(shí)圖像特征的變化，而關(guān)節(jié)角，的改變，將引起目標(biāo)果實(shí)圖像特征的變化。圖4-53-D空間中的果實(shí)在攝像機(jī)中形成的透視投影示意圖在控制時(shí)，將果樹(shù)采摘機(jī)器人控制過(guò)程分為兩步：在作業(yè)的初始階段(采摘機(jī)器人尋找目標(biāo)果實(shí))，通過(guò)調(diào)整腰部、大臂、小臂關(guān)節(jié)角度，使得末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)，完成初始定位任務(wù)；第二步，通過(guò)伸長(zhǎng)棱柱關(guān)節(jié)，使末端操作器靠近目標(biāo)果實(shí)，實(shí)現(xiàn)采摘。在初始階段中，主要控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，使目標(biāo)果實(shí)圖像質(zhì)心與圖像中心重合，從而實(shí)現(xiàn)末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)。具體按照如下步驟對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人進(jìn)行控制：首先，驅(qū)動(dòng)履帶式平臺(tái)使機(jī)械手靠近果樹(shù)，利用攝像機(jī)捕捉環(huán)境信息，攝像機(jī)的作用是將外界三維環(huán)境信息轉(zhuǎn)換為二維平面圖像信息，將目標(biāo)果實(shí)映射到二維圖像中，經(jīng)圖像處理軟件進(jìn)行處理得到目標(biāo)果實(shí)在圖像中的質(zhì)心坐標(biāo)，并與圖像中心坐標(biāo)(,)相比較，得出質(zhì)心相對(duì)于圖像中心坐標(biāo)的像素值之差，。其次，計(jì)算為使像素值之差ex，ey等于0，即使圖像中心與目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心重合時(shí)，機(jī)器人關(guān)節(jié)所需要移動(dòng)的角度。式(4-1)給出了目標(biāo)定位控制過(guò)程中，腰部、大臂和小臂關(guān)節(jié)角度變化量與像素值之差，之間的換算關(guān)系。(4-1)其中，分別為腰部、大臂、小臂需要調(diào)節(jié)的關(guān)節(jié)量；為圖像中目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心與圖像中心的誤差，單位為：；分別為大臂和小臂的關(guān)節(jié)控制參數(shù)；為運(yùn)動(dòng)一像素關(guān)節(jié)所需要走的角度，單位為：度/。4.3運(yùn)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)PID控制是控制工程技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛的一種控制策略，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的工程實(shí)踐，已形成了一套完整的控制方法和典型的結(jié)構(gòu)。它不僅適用于數(shù)學(xué)模型已知的控制系統(tǒng)，而且對(duì)于大多數(shù)數(shù)學(xué)模型難以確定的工業(yè)過(guò)程也可應(yīng)用。PID控制參數(shù)整定方便，結(jié)構(gòu)改變靈活，在眾多工業(yè)過(guò)程控制中取得了滿意的應(yīng)用效果。所謂的PID控制，就是對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行比例、積分和微分運(yùn)算變化后形成的一種控制規(guī)律，即(4-2)式中：——比例控制項(xiàng)，為比例系數(shù)；——積分控制項(xiàng)，為積分時(shí)間常數(shù)；——微分控制項(xiàng)，為微分時(shí)間常數(shù)。4.3.1PID數(shù)字控制器設(shè)計(jì)原理在模擬控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)的控制器是連續(xù)模擬環(huán)節(jié)，亦稱模擬調(diào)節(jié)器。而在數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)中，則用數(shù)字控制器來(lái)代替模擬調(diào)節(jié)器。其控制過(guò)程是首先通過(guò)模擬量輸入通道對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行采樣，并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后計(jì)算機(jī)按一定控制算法進(jìn)行運(yùn)算處理，運(yùn)算結(jié)果由模擬量輸出通道輸出，并通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)去控制生產(chǎn)過(guò)程，以達(dá)到期望的效果。這里，計(jì)算機(jī)執(zhí)行按某種算法編寫的計(jì)算機(jī)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制和調(diào)節(jié)，被成為數(shù)字控制器。數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)有兩種方法[35]。一種是在一定條件下，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)近似看成模擬系統(tǒng)，用連續(xù)系統(tǒng)的理論進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)，再將設(shè)計(jì)結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)控制算法，這種方法稱為模擬化設(shè)計(jì)方法，又稱間接設(shè)計(jì)方法。另一種是，把計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)變，變成純粹的離散系統(tǒng)，用變換等工具進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，直接設(shè)計(jì)出控制算法，該方法稱為離散化設(shè)計(jì)方法，又稱直接設(shè)計(jì)方法。直接設(shè)計(jì)法完全根據(jù)采樣系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行分析與綜合，并得出相應(yīng)的控制規(guī)律，所以它比模擬化設(shè)計(jì)更具有一般性。但要求明確采用系統(tǒng)的性能參數(shù)。間接法立足于連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)上采用數(shù)字模擬的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其優(yōu)點(diǎn)是可充分運(yùn)用工程設(shè)計(jì)者熟悉的各種連續(xù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和經(jīng)驗(yàn)。前提條件是系統(tǒng)采樣周期必須滿足采樣定理。系統(tǒng)采用的高速攝像頭，采集頻率為60fps，根據(jù)采樣定理，只要運(yùn)動(dòng)目標(biāo)不做高于30Hz的震蕩運(yùn)動(dòng)，本系統(tǒng)就滿足該要求。4.3.2PID數(shù)字控制器程序設(shè)計(jì)模擬化設(shè)計(jì)方法的基本思路是，當(dāng)系統(tǒng)采用頻率足夠高時(shí)，采用系統(tǒng)的特性接近于連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，因而可以將整個(gè)系統(tǒng)看作是連續(xù)變化的模擬系統(tǒng)，從而用域的方法設(shè)計(jì)校正裝置，再使用域到域的離散化方法求得離散傳遞函數(shù)。設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)是將一個(gè)模擬調(diào)節(jié)器離散化，用數(shù)字控制器取代模擬調(diào)節(jié)器。由于視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)是一種采樣控制系統(tǒng)，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻圖像數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)前目標(biāo)位置偏差來(lái)得到控制量。因此，為了使該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)式(4-2)，必須將其離散化。由于數(shù)字控制器是在線進(jìn)行控制的，對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以必須采用簡(jiǎn)單、可靠和足夠精確的方法。常用的方法有差分變換法、零階保持器法和雙線性變換法[35]。令：將式(4-2)離散化并整理得到(4-3)式中：——積分時(shí)間常數(shù)，——微分時(shí)間常數(shù)，——第次運(yùn)動(dòng)控制器誤差輸入值果樹(shù)采摘機(jī)器人PID控制器原理圖如圖4-6所示。圖4-6PID控制器原理圖果樹(shù)采摘機(jī)器人數(shù)字PID控制器輸出計(jì)算公式：(4-4)其中：——為控制器輸出值——第n個(gè)采樣時(shí)刻位置誤差——第n個(gè)采樣時(shí)刻目標(biāo)位置——第n個(gè)采樣時(shí)刻實(shí)際位置——第n個(gè)采樣時(shí)刻累積誤差值——當(dāng)前目標(biāo)速度——當(dāng)前目標(biāo)加速度B——電機(jī)靜差補(bǔ)償4.3.3數(shù)字PID控制器參數(shù)整定法PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容，它是根據(jù)被控過(guò)程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間和微分時(shí)間的大小。國(guó)內(nèi)外關(guān)于PID參數(shù)整定方法已有很多論述文章[36-37]。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算整定法，它是根據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算確定控制器的參數(shù)。這種方法得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接使用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修正。二是工程整定法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程中被廣泛采用。PID控制器參數(shù)的工程整定方法主要有臨界比例法、反應(yīng)曲線法和衰減法。其共同特點(diǎn)都是通過(guò)試驗(yàn)，然后按照工程經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行整定。但無(wú)論采用哪一種方法所得到的控制器參數(shù)，都需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行最后調(diào)整與完善。本文采用了實(shí)驗(yàn)湊試法對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行了整定。實(shí)驗(yàn)湊試法也是常用的一種PID參數(shù)手動(dòng)調(diào)整方法。實(shí)驗(yàn)湊試法是通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為“先比例，再積分，最后微分”。(1)整定比例控制將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。(2)整定積分環(huán)節(jié)若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。先將步驟(1)中選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的50-80%，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。(3)整定微分環(huán)節(jié)若經(jīng)過(guò)步驟(2)，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制。先置微分時(shí)間，逐漸加大，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。4.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)果樹(shù)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要考慮控制實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)開(kāi)放性兩個(gè)方面的問(wèn)題?？刂葡到y(tǒng)的操作平臺(tái)選用Windows2000，它具有良好的健壯性和安全性，(1)軟件結(jié)構(gòu)圖4-7為我們所設(shè)計(jì)的與圖3-1相對(duì)應(yīng)的果樹(shù)采摘機(jī)器人采摘系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)。它由用戶操作平臺(tái)、圖像采集程序、圖像處理程序、用戶應(yīng)用程序、VC++函數(shù)庫(kù)和GT運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)組成。由于用戶操作平臺(tái)建立在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上，控制系統(tǒng)對(duì)用戶具有全開(kāi)放性，用戶可以通過(guò)交互式平臺(tái)對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行基本操作和在線調(diào)試，而且還可以通過(guò)常規(guī)VC++語(yǔ)言離線編程環(huán)境，進(jìn)行各種控制算法以及圖像處理算法的研究。(2)控制程序流程圖根據(jù)采摘機(jī)器人工作過(guò)程、系統(tǒng)軟硬件構(gòu)成，利用VC++軟件，編寫控制界面和控制程序。其中，運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)直接調(diào)用GT運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)中的函數(shù)，GT運(yùn)動(dòng)控制器提供了DOS下的運(yùn)動(dòng)函數(shù)庫(kù)和Windows下的運(yùn)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。Windows下的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)共三個(gè)文件，ISA卡：GTDLL.h，GTDLL.lib，GTDLL.dll；PCI卡：GT400.h，GT400.lib，GT400.dll，這些文件是用VC++6.0編寫的。在本課題中我們采用固高PCI運(yùn)動(dòng)控制卡，在VC環(huán)境中進(jìn)行編程。VC軟件中PCI卡的使用：圖4-7果樹(shù)采摘機(jī)器人采摘系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖1、在用戶程序中加入：#include“GT400.h"2.在VC環(huán)境菜單中，選擇Project--Setting--Link，在Object/Librarymodules中輸入GT400.lib然后用戶即可在程序中調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)中的函數(shù)，按照控制算法編寫相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)控制程序?？刂瞥绦蛄鞒虉D如圖4-8所示。圖4-8果樹(shù)采摘機(jī)器人控制程序流程圖4.5本章小結(jié)本章分析了視覺(jué)伺服控制系統(tǒng)類型，結(jié)合果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用兩步法控制機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，在初始位置采用調(diào)節(jié)腰部、大臂、小臂的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)精度，使末端執(zhí)行器正向于目標(biāo)果實(shí)；第二階段，通過(guò)棱柱關(guān)節(jié)的延伸，使末端操作器接近目標(biāo)果實(shí)。介紹了數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)方法，在視覺(jué)私服控制系統(tǒng)中建立PID數(shù)字控制器，應(yīng)用于果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械臂的控制。第五章果實(shí)采摘機(jī)器人避障方法探討5.1引言路徑規(guī)劃即避障技術(shù)是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的一個(gè)重要分支。所謂機(jī)器人的路徑規(guī)劃，就是依據(jù)某個(gè)或某些優(yōu)化準(zhǔn)則(如工作代價(jià)最小、行走路線最短、行走時(shí)間最短等)，在其工作空間中找到一條從起始狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的能避開(kāi)障礙物的最優(yōu)路徑[38]。傳統(tǒng)避障方法有：1)C-空間法為了簡(jiǎn)化問(wèn)題，通常采用“結(jié)構(gòu)空間”來(lái)描述機(jī)器人及其周圍的環(huán)境，這種方法將機(jī)器人縮小為點(diǎn)，將其周圍的障礙物及邊界按比例相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，使機(jī)器人點(diǎn)能夠在障礙物空間中移動(dòng)到任意一點(diǎn)，而不與障礙物及邊界發(fā)生碰撞。2)圖搜索法圖搜索方法中的路徑圖由捕捉到的存在于機(jī)器人一維網(wǎng)絡(luò)曲線(稱為路徑圖)自由空間中的節(jié)點(diǎn)組成。建立起來(lái)的路徑圖可以看作是一系列的標(biāo)準(zhǔn)路徑。而路徑中的初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)同路徑圖中的點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，這樣避障的問(wèn)題就演變成在這些點(diǎn)間搜索路徑的問(wèn)題。3)人工勢(shì)場(chǎng)法傳統(tǒng)的人工勢(shì)場(chǎng)法把移動(dòng)的機(jī)器人在環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)視為一種在抽象的人造受力場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)點(diǎn)對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“引力”，障礙物對(duì)移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生“斥力”，最后通過(guò)求合力來(lái)控制移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。但是，由于勢(shì)場(chǎng)法把所有信息壓縮為單個(gè)的合力，這樣就存在把有關(guān)障礙物分布的有價(jià)值的信息拋棄的缺陷，且易陷入局部最小值。目前避碰規(guī)劃方法主要還是基于上述方法展開(kāi)的。當(dāng)然，還有許多其他的方法，如：Voronoi圖、虛擬接觸力、基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)約束的避碰規(guī)劃、N對(duì)象樹(shù)、Wall-Following等[40-44]。但從文獻(xiàn)的數(shù)量上看，主要還是自由空間法和人工勢(shì)場(chǎng)法較多，因此，下面對(duì)這兩種方法進(jìn)行詳細(xì)介紹。5.2C-空間法Lozano-Perez提出了基于C-空間的自由空間法[45-46]。以機(jī)械臂的關(guān)節(jié)軸為坐標(biāo)系建立C-空間(ConfigurationSpace)，將障礙物映射到C空間，形成C空間障礙。那么，在C空間內(nèi)C空間障礙的補(bǔ)集，就對(duì)應(yīng)自由空間，自由空間內(nèi)的點(diǎn)代表不與障礙干涉的機(jī)器人構(gòu)形，而C空間障礙內(nèi)的點(diǎn)代表與障礙干涉的機(jī)器人構(gòu)形。這實(shí)際就是構(gòu)造了一個(gè)虛擬的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，把運(yùn)動(dòng)的物體，障礙物及幾何約束條件關(guān)系作了等效的變換，簡(jiǎn)化了問(wèn)題的求解。也就是說(shuō)，在C-空間中，機(jī)器人手臂的每個(gè)位姿可以表示為一個(gè)點(diǎn)，C-空間中機(jī)器人手臂與障礙物發(fā)生碰撞位姿的集合構(gòu)成C-空間障礙，求出C-空間障礙后，路徑規(guī)劃問(wèn)題就轉(zhuǎn)化為求出從初始位姿點(diǎn)到目標(biāo)位姿點(diǎn)的不與C-空間障礙發(fā)生碰撞的路徑問(wèn)題?；贑-空間避碰規(guī)劃的自由空間法的一般步驟是：首先，要建立C-空間；其次，確定單元的連通性，建立搜索樹(shù)；然后，確定搜索方法；最后，進(jìn)行路徑優(yōu)化。自由空間法的優(yōu)勢(shì)是：通過(guò)求解整個(gè)C-空間，使得自由空間、障礙空間一目了然，因而，可以按任何性能指標(biāo)搜索路徑，且具有完備解。它存在的主要問(wèn)題是：1)如何快速地建立C空間。在直角坐標(biāo)空間中，障礙物的形狀、大小是不變的，而在C-空間中，隨障礙物的運(yùn)動(dòng)，C-空間障礙的形狀、大小是變化的。因而，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的障礙物，需要在線建立C-空間，而這要花費(fèi)大量的時(shí)間，這是自由空間法最大的限制因素。2)障礙的C空間只能通過(guò)離散化求得，而難以獲得C-空間障礙的解析表達(dá)式，因而，為了提高精度，要占用大量的內(nèi)存。3)對(duì)于關(guān)節(jié)數(shù)較多的機(jī)械臂，C空間自由路徑的搜索也將花費(fèi)較多的時(shí)間。對(duì)于多關(guān)節(jié)機(jī)器人，Gupta等提出順序求解法[47]。特點(diǎn)是在避碰規(guī)劃中，將N維連桿的避碰問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)一維和個(gè)二維連桿的避碰問(wèn)題，但這種方法不具有完備解。其思想是這樣的：首先，離散化關(guān)節(jié)角，并求取連桿從當(dāng)前關(guān)節(jié)角到目標(biāo)關(guān)節(jié)角無(wú)碰的運(yùn)動(dòng)區(qū)域；離散化關(guān)節(jié)角2，當(dāng)連桿2的參考點(diǎn)(取連桿2上關(guān)節(jié)2轉(zhuǎn)軸與連桿1的交點(diǎn)為參考點(diǎn))在其自由區(qū)域運(yùn)動(dòng)(在關(guān)節(jié)的無(wú)碰運(yùn)動(dòng)區(qū)域)時(shí)，確定連桿2從當(dāng)前關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)關(guān)節(jié)角的無(wú)碰軌跡，并修改連桿1的無(wú)碰軌跡；離散化關(guān)節(jié)角3，當(dāng)連桿3的參考點(diǎn)(取連桿3上關(guān)節(jié)3轉(zhuǎn)軸與連桿2的交點(diǎn)為參考點(diǎn))在其自由區(qū)域運(yùn)動(dòng)(在關(guān)節(jié)2的無(wú)碰運(yùn)動(dòng)區(qū)域)時(shí)，確定連桿3從當(dāng)前關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)關(guān)節(jié)角的無(wú)碰軌跡，并修改連桿1、和連桿2的無(wú)碰軌跡；……，如此順序求解各個(gè)連桿的無(wú)碰軌跡，并對(duì)當(dāng)前連桿以前的關(guān)節(jié)角無(wú)碰軌跡進(jìn)行修改，最后得到連接初始點(diǎn)與目標(biāo)點(diǎn)各個(gè)連桿關(guān)節(jié)角的無(wú)碰區(qū)域，從中選取最佳的路徑。5.3人工勢(shì)場(chǎng)法人工勢(shì)場(chǎng)法[39]是Khatib于1986年提出的，其基本思想是構(gòu)造這樣的人工勢(shì)場(chǎng)，使得在該勢(shì)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人受到其目標(biāo)位姿引力場(chǎng)和障礙物周圍斥力場(chǎng)的共同作用，無(wú)碰撞路徑規(guī)劃可以通過(guò)搜索函數(shù)的下降方向來(lái)實(shí)現(xiàn)。人工勢(shì)場(chǎng)法雖然不能保證全局最優(yōu)，但是其避障勢(shì)函數(shù)易于構(gòu)造，計(jì)算時(shí)間短，便于實(shí)時(shí)控制，因而，自Khatib等人首次提出人工勢(shì)場(chǎng)法以來(lái)，基于人工勢(shì)場(chǎng)法的避障規(guī)劃的研究已取得了許多成果。從避障考慮，引力勢(shì)場(chǎng)作用的范圍較大，而排斥勢(shì)場(chǎng)只是作用在局部范圍內(nèi)，距障礙較遠(yuǎn)的區(qū)域不受障礙排斥勢(shì)場(chǎng)的影響，因而，這種方法也稱為局部方法，因?yàn)樗唤鉀Q局部空間內(nèi)的避障。勢(shì)函數(shù)法主要包括下述幾個(gè)關(guān)鍵部分：障礙的幾何模型描述；距離的計(jì)算；勢(shì)函數(shù)的定義；關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩的求解。關(guān)節(jié)機(jī)器人進(jìn)行“自運(yùn)動(dòng)”躲避障礙物時(shí)，最重要的是需要構(gòu)造出其避障勢(shì)函數(shù)。Mohri等人提出的一種機(jī)器人避免與工作空間內(nèi)的多個(gè)障礙物發(fā)生碰撞的避障勢(shì)函數(shù)構(gòu)造法，其構(gòu)造過(guò)程如下：假定機(jī)器人的連桿均為直桿，工作空間的每個(gè)障礙物都可以包含在一個(gè)球體中，則可利用機(jī)器人和障礙物之間的幾何關(guān)系(如圖5-1所示)來(lái)構(gòu)造避障勢(shì)函數(shù)，連桿與障礙物之間的距離為：(5-1)式中：—障礙數(shù)；n—關(guān)節(jié)連桿數(shù)；—障礙物的位置矢量；—關(guān)節(jié)j的位置矢量。圖5-1機(jī)器人機(jī)械手與障礙物位置示意圖關(guān)節(jié)與障礙物之間的距離為：(5-2)避障勢(shì)函數(shù)為：(5-3)當(dāng)且位于和之間時(shí)，，否則=0；當(dāng)時(shí)，，否則=0；和為正的常數(shù)；為球體的半徑；為安全因子；為連桿j經(jīng)過(guò)障礙物i的中心垂線的垂足。人工勢(shì)場(chǎng)函數(shù)的優(yōu)勢(shì)在于相對(duì)于自由空間法而言更適合于動(dòng)態(tài)環(huán)境，以及多關(guān)節(jié)機(jī)械臂的避碰路徑規(guī)劃。而其存在的主要問(wèn)題是：1)缺乏全局信息，因此對(duì)局部最小值無(wú)法處理。當(dāng)機(jī)器人處于局部最小值位姿時(shí)，將停止不前。2)障礙物的近似描述。為了簡(jiǎn)化距離求解，用規(guī)則的幾何體來(lái)近似描述連桿和障礙物，因此，需要對(duì)多面體進(jìn)行合理的分解和組合，并保證盡可能少地浪費(fèi)自由空間。3)測(cè)試點(diǎn)的選擇。局部方法只考慮末端和控制點(diǎn)(離障礙最近點(diǎn))，而控制點(diǎn)在移動(dòng)機(jī)器人剛體姿態(tài)變化或關(guān)節(jié)式機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí)是變化的，且控制點(diǎn)的個(gè)數(shù)也可能是變化的，因此，在求解總勢(shì)函數(shù)時(shí)，必須作出相應(yīng)的調(diào)整。5.4果樹(shù)采摘機(jī)器人避障方法目前采摘機(jī)器人的自動(dòng)化、智能化程度還沒(méi)有達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求[48]，特別是基于避障的路徑規(guī)劃算法并沒(méi)有很好解決，采摘成功率以及采摘速率難以達(dá)到實(shí)際要求，阻礙了采摘機(jī)器人在實(shí)際中的應(yīng)用[49]。機(jī)器手與移動(dòng)機(jī)器人不同，它是由桿件串連起來(lái)的，工作過(guò)程中桿件和末端執(zhí)行器都需要避障。Perdereau提出的避障方法中，假想每個(gè)障礙物都有安全區(qū)域，當(dāng)機(jī)械手靠近障礙物時(shí)，在安全區(qū)內(nèi)有一彈簧-阻尼系統(tǒng)產(chǎn)生排斥機(jī)械手的虛擬力。隨著機(jī)械手移近障礙物而增加，當(dāng)虛擬力達(dá)到預(yù)定值時(shí)。機(jī)械手便遠(yuǎn)離障礙物作回退運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手位置的控制轉(zhuǎn)化成力的控制問(wèn)題[50]。Thomas采用人工勢(shì)函數(shù)或類似人工勢(shì)函數(shù)的方法進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)避障控制，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)械手的避障，為得到關(guān)節(jié)力矩，計(jì)算斥力必須將笛卡爾能量函數(shù)投影到關(guān)節(jié)空間[51]。避障方法還有如Gilbert等研究的計(jì)算機(jī)械手與障礙物之間歐幾里德距離的方法，這種方法對(duì)于形狀不規(guī)則的物體計(jì)算很復(fù)雜。SuIIChoi采用可避障指標(biāo)進(jìn)行避障，需要計(jì)算各關(guān)節(jié)的邊界力矩[52]。封岸松等采用偽逆矩陣法，以障礙物與機(jī)械手之間的距離作為性能指標(biāo)，將障礙物包含在一個(gè)球體中，進(jìn)行避障控制[53]。用球體來(lái)近似一個(gè)物體。這種方法會(huì)減少機(jī)械手的工作空間。另外，避障方法還有QP方法，遺傳算法等，算法較復(fù)雜，耗費(fèi)時(shí)間，實(shí)時(shí)在線性差。在農(nóng)業(yè)收獲機(jī)器人避障方法研究中，蔡建榮等采用基于概率地圖的路徑規(guī)劃方法，運(yùn)用啟發(fā)式搜索算法對(duì)水果收獲機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃[54]。戈志勇等人將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法應(yīng)用于果樹(shù)采摘機(jī)器人的避障路徑規(guī)劃中，分析了采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)描述果樹(shù)收獲機(jī)器人工作環(huán)境的基本思路，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人工作環(huán)境的描述具有一定的參考價(jià)值[55]。實(shí)際上，避障并不需要計(jì)算障礙物與機(jī)械手桿件的最小距離。只要保證機(jī)械手上的點(diǎn)不在障礙物之內(nèi)即可，為了實(shí)時(shí)感知障礙物信息，將碰撞傳感器裝置安裝于小臂上，通過(guò)小臂的運(yùn)動(dòng)感知障礙物信息。此種方法不用計(jì)算障礙物與小臂的距離，直接確定障礙物相對(duì)于手臂的位置，實(shí)時(shí)避障性能高，有利于采摘機(jī)器人避障性能的提高。本文采用將采摘工作空間中障礙物映射到關(guān)節(jié)空間(C-空間)的方法，結(jié)合果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境中障礙物的特點(diǎn)，通過(guò)計(jì)算機(jī)械手關(guān)節(jié)連桿與障礙碰撞的臨界角，由果樹(shù)生長(zhǎng)環(huán)境中的障礙物均可由個(gè)、個(gè)或個(gè)點(diǎn)的臨界碰撞角表示的工作空間到C-空間轉(zhuǎn)換的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)果樹(shù)采摘機(jī)器人的避障[56]。5.4.1采摘環(huán)境分析在果實(shí)采摘過(guò)程中，障礙物包括擋在目標(biāo)果實(shí)前的未成熟的果實(shí)、莖稈、支撐桿、葉子等，葉子質(zhì)量較小、柔度較高，對(duì)機(jī)械手避障路徑規(guī)劃的影響可以忽略不計(jì)。在此我們只考慮2種類別的障礙物：規(guī)則直線型莖稈和規(guī)則直線型撐桿。果實(shí)采摘機(jī)器人利用五自由度機(jī)械手進(jìn)行采摘作業(yè)，其中第一個(gè)自由度為升降自由度，用來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械手相對(duì)于果樹(shù)高度位置，第二個(gè)自由度用于調(diào)整末端執(zhí)行器在導(dǎo)航小車方向的位置，因這個(gè)位置可由導(dǎo)航小車完成，第五自由度為棱柱關(guān)節(jié)，通過(guò)它將末端操作器送達(dá)目標(biāo)果實(shí)，故只需要考慮第三、第四個(gè)自由度的角度變化，即通過(guò)控制第三、四自由度的角度變化而使機(jī)械手將末端執(zhí)行器順利朝向于目標(biāo)位置。圖5-2為果實(shí)采摘機(jī)器人工作空間仿真圖，這個(gè)工作空間仿真圖是在2-1所示的機(jī)器人在蘋果樹(shù)一側(cè)的果園作業(yè)通道內(nèi)移動(dòng)2米，機(jī)械臂不產(chǎn)生干涉的情況下，運(yùn)動(dòng)相應(yīng)角度得到的末端執(zhí)行器的工作空間。綠色區(qū)域表示蘋果樹(shù)的生長(zhǎng)范圍，是一個(gè)半徑為2.2米的半球體；灰色區(qū)域?yàn)闄C(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間。圖b所示為機(jī)器人靠近果樹(shù)進(jìn)行采摘時(shí)的情況，對(duì)于果樹(shù)內(nèi)部的果實(shí)，只需小臂進(jìn)入果樹(shù)內(nèi)部進(jìn)行采摘作業(yè)，因此在進(jìn)行避障時(shí)，只考慮小臂(a)(b)圖5-2果樹(shù)采摘機(jī)器人工作空間仿真圖5.4.2C-空間障礙邊界建模C-空間障礙的邊界是由簡(jiǎn)單封閉曲線構(gòu)成的，稱為C-邊界。機(jī)器人與障礙物的碰撞檢驗(yàn)算法歸結(jié)為兩類：離散檢驗(yàn)法和掃描體法，對(duì)于求解C-空間障礙來(lái)說(shuō)，只需要碰撞區(qū)域的邊界，即一系列的臨界碰撞點(diǎn)。為此，作如下定義：設(shè)連桿L前面的關(guān)節(jié)值已定，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)范圍為[-π，π]，連桿L與點(diǎn)P發(fā)生碰撞一般有兩個(gè)關(guān)節(jié)角：連桿逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與P接觸形成的關(guān)節(jié)角，稱為下臨界碰撞關(guān)節(jié)角，以表示；連桿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)與點(diǎn)P接觸形成的關(guān)節(jié)角，稱為上臨界碰撞關(guān)節(jié)角，以表示；臨界碰撞關(guān)節(jié)角是指連桿與障礙接觸時(shí)形成的關(guān)節(jié)角。圖5-3所示為點(diǎn)P對(duì)于連桿形成的上臨界碰撞角和下臨界碰撞角。在圖5-4中，對(duì)于障礙物(線段)上端點(diǎn)P，是存在的，而實(shí)際上是不可能出現(xiàn)的。當(dāng)連桿與障礙物發(fā)生碰撞時(shí)，有兩個(gè)撞點(diǎn)P和，碰撞點(diǎn)的或就是障礙的C-邊界點(diǎn)。因此對(duì)于圖5-4所示的情況，只需兩個(gè)碰撞點(diǎn)就可以確定其碰撞區(qū)間。圖5-3上下臨界角示意圖圖5-4有效臨界碰撞角如果能求得障礙與機(jī)器人的碰撞點(diǎn)，則由碰撞點(diǎn)的和就可求得C-邊界的上界點(diǎn)和下界點(diǎn)，這是求C-邊界的基礎(chǔ)[57]。5.4.3采摘機(jī)器人小臂C-空間障礙及計(jì)算果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械手在工作空間中障礙物主要為果樹(shù)枝桿和直線型撐桿，果樹(shù)枝桿按照果園種植方式不同而有所不同。在新式果園中，果樹(shù)的枝桿都經(jīng)過(guò)統(tǒng)一的修剪，成垂直狀以不同的直徑自低向高處生長(zhǎng)，果樹(shù)與果樹(shù)之間種植間隔要求為3m，因此提供的工作空間比較大能夠達(dá)到3m左右；在傳統(tǒng)式的果園中，果樹(shù)的枝桿形狀大小不一，分布沒(méi)有規(guī)律，一般底部枝干粗壯，頂部細(xì)小，果樹(shù)以平均6m的距離種植，而提供的工作空間距離僅為0.8m。相比較而言，新式種植方式較傳統(tǒng)型種植方式在避障上考慮的障礙物較少、難度較小，主要為細(xì)枝干，又從圖5-2果樹(shù)采摘機(jī)器人工作空間仿真可以看出，機(jī)器人對(duì)果樹(shù)內(nèi)部果實(shí)的采摘，主要通過(guò)小臂和末端操作器進(jìn)行作業(yè)；對(duì)于傳統(tǒng)型果樹(shù)而言，在采摘中需要考慮整個(gè)采摘機(jī)器人在果樹(shù)環(huán)境中的路徑規(guī)劃。本課題只考慮新式蘋果種植園的情況，因此在討論避障時(shí)以小臂避障為主。小臂避障時(shí)采用圖3-15所示的碰撞傳感器，實(shí)時(shí)感知障礙物，通過(guò)C-空間障礙算法進(jìn)行實(shí)時(shí)避障。在研究C-空間障礙計(jì)算中，以點(diǎn)障礙物的C-空間計(jì)算為基礎(chǔ)，展開(kāi)線段式障礙物算法的論述。(1)點(diǎn)C-空間障礙計(jì)算方法根據(jù)采摘機(jī)器人機(jī)械手的特點(diǎn)，其第二、第三關(guān)節(jié)可以看作是一個(gè)平面R-R型機(jī)械手。因此下面障礙物是指與采摘平面垂直的莖稈或撐桿，線段型障礙物是指位于采摘平面上的莖稈或撐桿。采摘機(jī)器人R-R機(jī)械手及其軸上點(diǎn)障礙物示意圖如圖5-5所示，為連桿長(zhǎng)度，為連桿寬度。圖5-5平面R-R機(jī)械手及其軸上點(diǎn)障礙物示意圖這個(gè)機(jī)械手的工作空間是x-z平面以原點(diǎn)為中心的子集。先假設(shè)機(jī)械手沒(méi)有關(guān)節(jié)限制，因?yàn)?個(gè)關(guān)節(jié)能夠無(wú)限制地旋轉(zhuǎn)，所以在C空間應(yīng)該是周期性的。對(duì)于x軸上的點(diǎn)，則點(diǎn)P對(duì)形成障礙，考慮點(diǎn):，由圖5-5所示幾何關(guān)系，可得出其臨界碰撞角度公式為：(5-4)(5-5)在這里只考慮連接連桿與的關(guān)節(jié)2在軸上方的情況(上肘)，關(guān)節(jié)2在軸下方(下肘)的情況類似，只需要改變公式中的符號(hào)即可。其中為和的回轉(zhuǎn)中心到與軸碰撞點(diǎn)之間距離，須在區(qū)間內(nèi)。對(duì)于平面內(nèi)任一點(diǎn)空間的轉(zhuǎn)換，在這里采用極坐標(biāo)系來(lái)表示平面上任一點(diǎn)的坐標(biāo)。由坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)變換可得：(5-6)(5-7)由此可知，在半徑相等的情況下，角度的變化不改變空間障礙的形狀，僅改變?cè)诳臻g中的位置。(2)線段C-空間障礙計(jì)算方法設(shè)線段，其中、，線段方程為。設(shè)坐標(biāo)圓點(diǎn)到線段所在直線的距離為，，。當(dāng)，線段與機(jī)械手無(wú)碰撞。時(shí)，設(shè)機(jī)械手第二關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)角為(圖5-6中的)，這時(shí)機(jī)器人的“掃描”(運(yùn)動(dòng))范圍最大。假設(shè)以這種方式順時(shí)針旋轉(zhuǎn)與線段相交，交點(diǎn)為，其中。現(xiàn)根據(jù)與、的大小關(guān)系來(lái)分析由點(diǎn)擴(kuò)展到線段的C空間障礙的計(jì)算方法。圖5-6平面R-R機(jī)械手和線段型障礙示意圖(1)當(dāng)時(shí)此時(shí)接觸點(diǎn)在線段型障礙物上，即機(jī)械手以最大掃描范圍順時(shí)針運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先機(jī)械手末端點(diǎn)與圖中的點(diǎn)相接觸，如上圖5-6所示的情況(為了下面幾何分析方便，圖中并沒(méi)有取零值)。這時(shí)線段的C-空間障礙可以轉(zhuǎn)換為3個(gè)點(diǎn)的C空間障礙的計(jì)算：點(diǎn)的上臨界碰撞角、點(diǎn)的下臨界碰撞角和的下臨界碰撞角。其中點(diǎn)是與機(jī)器人的連桿相接觸，與上述的情形一樣，所以C-空間障礙的計(jì)算公式即為(5-4)、(5-5)的C-空間障礙計(jì)算公式。而由于與是與機(jī)械手的末端點(diǎn)相接觸，因此與點(diǎn)臨界碰撞角計(jì)算公式有些不同。根據(jù)圖5-6所示幾何關(guān)系，可以得到關(guān)節(jié)2臨界碰撞角：(5-8)(5-9)其中，。(2)z<z′或z′<z1時(shí)此時(shí)交點(diǎn)在線段型障礙物所在直線上，這時(shí)線段的C-空間障礙轉(zhuǎn)換為2個(gè)點(diǎn)的C-障礙的計(jì)算：點(diǎn)的上臨界碰撞角和點(diǎn)的下臨界碰撞角，且由于此時(shí)兩點(diǎn)均是與機(jī)器人連桿的邊相接觸，所以2個(gè)點(diǎn)的臨界碰撞角計(jì)算公式和(5-8)、(5-9)一樣。得到C-空間障礙后，對(duì)C-空間障礙進(jìn)行柵格化，然后利用人工智能中的搜索算法、遺傳算法等啟發(fā)式搜索算法，搜索一條連接初始位姿和目標(biāo)位姿而不與C-空間障礙碰撞的自由路徑，也即一組關(guān)節(jié)角的取值，機(jī)械手各關(guān)節(jié)選取此組關(guān)節(jié)角，采摘機(jī)械手可以將末端執(zhí)行器從初始位置順利移動(dòng)到目標(biāo)位置，而不與采摘環(huán)境中的障礙物相碰。5.5本章小結(jié)本章主要討論了機(jī)器人常用的避障策略，根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人工作環(huán)境和特性，提出了采用C-空間法實(shí)現(xiàn)果樹(shù)采摘機(jī)器人避障，并進(jìn)行了初步的探討。第六章實(shí)驗(yàn)及結(jié)論本章首先建立了傳感器試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)位置傳感器、壓力傳感器電路工作性能進(jìn)行了驗(yàn)證。其次，以固高兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)控制方法進(jìn)行了驗(yàn)證。6.1傳感器實(shí)驗(yàn)本部分主要對(duì)位置傳感器、壓力傳感器電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6-1所示。包括電源、電路板、末端操作器(已安裝傳感器)、示波器等。圖6-1傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)6.1.1位置傳感器實(shí)驗(yàn)根據(jù)位置傳感器工作方式，進(jìn)行末端操作器接近蘋果時(shí)的試驗(yàn)。按照?qǐng)D3-11搭建電路，接通電源后，在末端操作器沒(méi)有靠近蘋果時(shí)，用示波器檢測(cè)到紅外發(fā)射端發(fā)射固定頻率為的方波，如圖6-2所示，接收端接收到的波形如圖6-3所示，從圖中可以看出發(fā)射端發(fā)射的脈動(dòng)波被接收端準(zhǔn)確的接收到。波形經(jīng)放大濾波之后接LM567輸入端，其波形如圖6-4所示。通過(guò)觀察，接收端、發(fā)射端及LM567輸入端的波形頻率皆相同。調(diào)節(jié)接收部分的滑動(dòng)變阻器，使LM567自身頻率與輸入端頻率相同，這個(gè)頻率可通過(guò)測(cè)5管腳上的頻率得出，如圖6-5所示，其頻率與輸入端頻率相同。由集成鎖相環(huán)解碼器LM567接收到落入自身頻帶的信號(hào)后輸出低電平的特性，電路輸出端8引腳信號(hào)如圖6-6為低電平，此時(shí)可視為目標(biāo)果實(shí)還沒(méi)有進(jìn)入末端操作器。圖6-2發(fā)射端波形圖6-3接收端波形圖6-4LM567輸入端波形將末端操作器逐漸靠近蘋果，當(dāng)蘋果進(jìn)入末端操作器兩勺狀手柄之間時(shí)，使發(fā)射端發(fā)射的波形不能被接收端接收。使得LM567輸入端波形頻率不能落入環(huán)路帶寬中，這時(shí)8引腳給出高電平，如圖6-7所示。圖6-5LM567自身頻率圖6-6輸出端8引腳信號(hào)圖6-7輸出端高電平信號(hào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在末端操作器接近蘋果的過(guò)程中，位置傳感器能夠準(zhǔn)確的判斷蘋果相對(duì)于末端操作器的位置。6.1.2壓力傳感器實(shí)驗(yàn)首先，通過(guò)實(shí)驗(yàn)選取基準(zhǔn)電壓值。通過(guò)測(cè)量得到在蘋果抓取過(guò)程中，末端操作器抓牢果實(shí)時(shí)，力敏電阻上的電壓達(dá)到3.14V，設(shè)定基準(zhǔn)電壓值稍小于此電壓值，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較設(shè)定基準(zhǔn)電壓值為2.94V。按照壓力傳感器的工作原理，當(dāng)壓力傳感器上沒(méi)有承受作用力或承受的作用力較小時(shí)，比較器的正相輸入端電壓小于基準(zhǔn)電壓值，傳感器輸出端為0V；當(dāng)作用力作用于力敏電阻，使得力敏電阻輸出電壓大于比較器負(fù)相端基準(zhǔn)電壓時(shí)，壓力傳感器對(duì)外輸出電壓值為0V，表示末端操作器已抓牢果實(shí)。力敏電阻選用FSR_416，按照?qǐng)D3-14，搭建實(shí)驗(yàn)電路，采用5V直流電壓源供電。首先，蘋果進(jìn)入末端操作器，而沒(méi)有進(jìn)行抓取，此時(shí)沒(méi)有力作用于力敏電阻上，力敏電阻上的電壓值為0V(如圖6-8所示)，壓力傳感器輸出值也為0V。在驅(qū)動(dòng)末端操作器閉合的過(guò)程中，有較小的力作用于力敏電阻，力敏電阻兩端的電壓值為2.65V（如圖6-9所示），因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓為2.94V大于此時(shí)的電壓值，所以傳感器輸出為0V(如圖6-8所示)；繼續(xù)驅(qū)動(dòng)末端操作器閉合，有較大作用力作用于力敏電阻上，力敏電阻對(duì)外輸出電壓，此時(shí)用力約為4N（約等于抓取果實(shí)時(shí)的適宜力），對(duì)外輸出電壓值達(dá)到3.14V（如圖6-10所示），此電壓值也是電壓比較器LM393的輸入端電壓值，此值大于基準(zhǔn)電壓2.94V(圖6-11所示)，比較器輸出端輸出為5V，即傳感器的輸出電壓值（如圖6-12所示）。圖6-8無(wú)作用力時(shí)電壓值圖6-9較小作用力時(shí)電壓值圖6-10較大作用力時(shí)電壓值圖6-11基準(zhǔn)電壓圖6-12傳感器輸出電壓值實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明壓力傳感器能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到末端操作器抓牢蘋果，給出穩(wěn)定的電壓信號(hào)，其準(zhǔn)確性能夠滿足實(shí)際的應(yīng)用要求。在控制系統(tǒng)中，可以采用數(shù)據(jù)采集卡采集傳感器的輸出信號(hào)，作為控制系統(tǒng)控制信號(hào)，對(duì)末端操作器的開(kāi)、合進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。6.2運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)在本課題的研究過(guò)程中，機(jī)器人機(jī)械臂沒(méi)有完成制作，因此在實(shí)驗(yàn)階段采用固高公司生產(chǎn)的兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行機(jī)械臂控制實(shí)驗(yàn)。PAN&TILT兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是一種能夠同時(shí)繞鉛垂軸和水平軸旋轉(zhuǎn)的機(jī)械工作臺(tái)，簡(jiǎn)稱PT轉(zhuǎn)臺(tái)。在果樹(shù)采摘機(jī)器人初始定位作業(yè)中，可以將其視為腰部左、右旋轉(zhuǎn)，機(jī)械臂上、下旋轉(zhuǎn)的兩維轉(zhuǎn)臺(tái)。因此，可以采用PT轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行果樹(shù)采摘機(jī)器人初始階段定位運(yùn)動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)。6.2.1運(yùn)動(dòng)控制方法驗(yàn)證在4.2節(jié)中我們提出了果樹(shù)采摘機(jī)器人視覺(jué)伺服控制方法，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)控制固高PAN&TILT兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，來(lái)觀察相應(yīng)關(guān)節(jié)軸的運(yùn)動(dòng)、圖像坐標(biāo)系的變化與圖像中目標(biāo)質(zhì)心的變化之間的關(guān)系，達(dá)到驗(yàn)證果樹(shù)采摘機(jī)器人控制方法準(zhǔn)確性的目的。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖6-13所示。其中，在轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝能夠采集彩色圖像的攝像頭，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)相連，利用編寫的圖像捕捉程序驅(qū)動(dòng)攝像頭捕捉環(huán)境信息，轉(zhuǎn)臺(tái)正對(duì)的圖像為實(shí)地考察果園時(shí)采集的蘋果圖像，將其作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。圖6-13控制方法驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)裝置具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：1、利用VC++編寫的圖像處理程序?qū)Σ杉降墓麡?shù)圖像進(jìn)行處理，根據(jù)所提出的控制方法編寫運(yùn)動(dòng)控制程序?？刂瞥绦蜻\(yùn)行后控制界面如圖6-14所示，右側(cè)為攝像頭捕獲的實(shí)時(shí)圖像，當(dāng)程序開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，左側(cè)方形區(qū)域顯示圖像中心向目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心運(yùn)動(dòng)的過(guò)程以及完成定位任務(wù)后圖像中心與目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心重合的結(jié)果。2、系統(tǒng)的標(biāo)定基于位置的視覺(jué)伺服控制，坐標(biāo)偏移量是坐標(biāo)值，這個(gè)數(shù)值不能直接來(lái)當(dāng)作控制量，要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的標(biāo)定，轉(zhuǎn)換為實(shí)際移動(dòng)角度，根據(jù)實(shí)際移動(dòng)角度和各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)精度推導(dǎo)出各關(guān)節(jié)要轉(zhuǎn)動(dòng)的脈沖數(shù)。本系統(tǒng)的標(biāo)定，就是測(cè)出攝像機(jī)視野的實(shí)際尺寸，計(jì)算出每個(gè)象素對(duì)應(yīng)的實(shí)際角度。文獻(xiàn)[58]提供了一種系統(tǒng)標(biāo)定方法。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)標(biāo)定，測(cè)得每個(gè)象素對(duì)應(yīng)。圖6-14實(shí)驗(yàn)控制界面3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果在此實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)攝像機(jī)捕獲圖像，經(jīng)過(guò)圖像處理得出目標(biāo)圖像質(zhì)心位置與圖像中心坐標(biāo)的信息，并將這兩個(gè)量所得到的像素之差轉(zhuǎn)換為兩軸的運(yùn)動(dòng)量，通過(guò)控制兩轉(zhuǎn)軸的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖像中心位置趨向于圖像中目標(biāo)質(zhì)心坐標(biāo)位置的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)圖像的中心坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)至圖像質(zhì)心坐標(biāo)，從而論證了本文所提出的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)末端操作器正向于目標(biāo)果實(shí)。圖6-15所示為轉(zhuǎn)臺(tái)正向于第一個(gè)目標(biāo)果實(shí)。其中，在圖像處理程序中將目標(biāo)果實(shí)質(zhì)心位置采用藍(lán)色十字標(biāo)出，圖像中心位置采用紅色十字標(biāo)出，以便于觀察。圖6-15目標(biāo)定位1控制界面運(yùn)行結(jié)果果樹(shù)采摘機(jī)器人在采摘過(guò)程中，完成第一個(gè)果實(shí)的采摘后應(yīng)繼續(xù)對(duì)其他果實(shí)完成圖像捕捉、目標(biāo)定位、果實(shí)采摘。在此將圖6-15中拿走第一次定位的果實(shí)(假設(shè)對(duì)其完成了采摘)，再次進(jìn)行目標(biāo)定位，定位后的結(jié)果如圖6-16所示。從圖6-16中可以看出，攝像頭捕捉到的圖像經(jīng)過(guò)圖像處理后，給出了新的目標(biāo)果實(shí)的位置信息，并且控制臺(tái)準(zhǔn)確的完成了目標(biāo)果實(shí)的定位任務(wù)。圖6-16目標(biāo)定位2控制界面運(yùn)行結(jié)果按照此步驟，遮住已定位的果實(shí)，再次進(jìn)行目標(biāo)定位，PT平臺(tái)依次對(duì)圖像中的所有蘋果完成了圖像的處理、定位任務(wù)，結(jié)果如圖6-17所示。(a)目標(biāo)定位3控制界面運(yùn)行結(jié)果(b)目標(biāo)定位4控制界面運(yùn)行結(jié)(d)目標(biāo)定位5控制界面運(yùn)行結(jié)果(e)目標(biāo)定位6控制界面運(yùn)行結(jié)果(f)目標(biāo)定位7控制界面運(yùn)行結(jié)果(g)目標(biāo)定位8控制界面運(yùn)行結(jié)果圖6-17目標(biāo)果實(shí)定位結(jié)果通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，按照本章提出的控制方法PT數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)果實(shí)定位任務(wù)，滿足控制要求。6.2.3給定輸入信號(hào)的(1)階躍信號(hào)輸入控制為了驗(yàn)證數(shù)字PID控制器參數(shù)整定后，控制系統(tǒng)的性能，在完成果實(shí)定位實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)移動(dòng)蘋果圖像的方式，給控制程序階躍輸入信號(hào)，通過(guò)測(cè)量控制平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，觀察控制程序重新定位的能力以及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。首先，打開(kāi)運(yùn)動(dòng)控制程序，在控制程序完成自動(dòng)定位后，將蘋果圖像以盡可能快的速度向右移動(dòng)5cm，測(cè)量控制平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)時(shí)間，結(jié)果如圖6-18所示。由結(jié)果可知，對(duì)于給定的階躍信號(hào)(運(yùn)動(dòng)距離5cm)，PID控制器按照給定控制方法準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)了定位，并且超調(diào)量較小。圖6-18給定階躍控制信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果(2)勻速跟蹤控制在完成初始定位任務(wù)后，果實(shí)采摘機(jī)器人通過(guò)伸展小臂棱柱關(guān)節(jié)帶動(dòng)末端操作器趨向于目標(biāo)果實(shí)，以進(jìn)行采摘作業(yè)。在棱柱關(guān)節(jié)伸展過(guò)程中，由于末端操作器和小臂自身的重量，不可避免的產(chǎn)生偏差；同時(shí)關(guān)節(jié)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，還可能產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象。因此，在這個(gè)過(guò)程中需要對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整以便末端操作器準(zhǔn)確的靠近目標(biāo)果實(shí)。在實(shí)驗(yàn)中將蘋果圖像按照不同的速度勻速運(yùn)動(dòng)，讓運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行跟蹤控制，驗(yàn)證控制系統(tǒng)對(duì)于偏差校正能力。運(yùn)動(dòng)結(jié)果如圖6-19所示。(a)圖像速度為3cm(b)圖像速度為5cm(c)圖像速度為10cm/s時(shí)的運(yùn)動(dòng)結(jié)果圖6-19圖像以不同運(yùn)動(dòng)速度運(yùn)動(dòng)時(shí)控制轉(zhuǎn)臺(tái)跟蹤結(jié)果圖6-19實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)圖像以給定速度<=5cm/s運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)控制程序能夠迅速的實(shí)現(xiàn)跟蹤定位功能。其中在圖(a)、(b)中，圖像開(kāi)始勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，因需要圖像處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)捕捉，兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)滯后。再捕獲到目標(biāo)果實(shí)圖像后，轉(zhuǎn)臺(tái)能夠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)跟蹤與定位，但隨著速度的增加，定位任務(wù)需要的時(shí)間增多。當(dāng)圖像運(yùn)動(dòng)速度大于5cm時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)跟蹤過(guò)程中帶有明顯的滯后，圖(c)給出了這種滯后現(xiàn)象

6.3結(jié)論本章通過(guò)傳感器實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了果樹(shù)采摘機(jī)器人外圍傳感器的正確性，并利用PT兩維轉(zhuǎn)臺(tái)，對(duì)本課題所采用的機(jī)器人控制方法進(jìn)行了初步驗(yàn)證。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看，傳感器能夠滿足果樹(shù)采摘機(jī)器人工作需要，控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)果樹(shù)采摘機(jī)器人初始階段的定位任務(wù)，取得了一定的研究成果。

第七章總結(jié)與展望7.1研究工作總結(jié)本課題為國(guó)家“863”高技術(shù)項(xiàng)目(2006AA10Z254)。本文對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)及控制進(jìn)行了研究，主要工作總結(jié)如下：1、分析了果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，根據(jù)自行設(shè)計(jì)的5自由度機(jī)械手機(jī)械特性，采用幾何結(jié)構(gòu)算法，建立了果樹(shù)采摘機(jī)器人正、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程。2、采用軟、硬件可擴(kuò)展的開(kāi)放式控制系統(tǒng)，詳細(xì)論述了系統(tǒng)軟、硬件組成。3、在分析果樹(shù)采摘機(jī)器人工作環(huán)境和工作特性的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了果樹(shù)采摘機(jī)器人的外圍傳感器。4、根據(jù)果樹(shù)采摘機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，和控制系統(tǒng)軟硬件組成，提出了果樹(shù)采摘機(jī)器人控制方法。5、在詳細(xì)論述關(guān)節(jié)式機(jī)器人避障方法的基礎(chǔ)上，對(duì)果樹(shù)采摘機(jī)器人避障方法進(jìn)行了初步的探討，采用C-空間法實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人實(shí)時(shí)避障。6、建立了傳感器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的傳感器的正確性；利用固高PAN&TILT兩維數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)對(duì)所提出的機(jī)器人控制方法作了初步的實(shí)驗(yàn)論證。7.2工作展望果樹(shù)采摘機(jī)器人控制方法能初步實(shí)現(xiàn)，但要應(yīng)用于實(shí)際的果樹(shù)采摘機(jī)器人上，還需在一些細(xì)節(jié)上進(jìn)行完善：1、從控制方法上講，還要進(jìn)一步驗(yàn)證在空間三維中，控制方法的實(shí)現(xiàn)，尤其要對(duì)控制程序的編寫和控制精度的提高做更深入的研究。2、完善外圍傳感器在實(shí)際控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性，完善傳感器電路板設(shè)計(jì)中涉及的工藝性處理及電子元器件相關(guān)參數(shù)的精確化，要進(jìn)一步提高果樹(shù)采摘機(jī)器人感知外界環(huán)境的能力和其智能程度。3、需要進(jìn)一步研究果樹(shù)采摘機(jī)器人避障控制實(shí)用方法，必須考慮果樹(shù)采摘機(jī)器人工作過(guò)程中對(duì)障礙物處理的實(shí)時(shí)性。參考文獻(xiàn)柳洪,宋偉剛.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京冶金工業(yè)出版社,2002.杜青林.明確任務(wù),突出重點(diǎn)實(shí)施“科教農(nóng)”[R].杜青林部長(zhǎng)在全國(guó)農(nóng)業(yè)科技教育工作會(huì)議上的講話,2003.4.17.徐麗明,張鐵中.果蔬果實(shí)收獲機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵問(wèn)題和對(duì)策[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004.20(5):38-42.方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2004.25(2):273-278.梁喜鳳,苗香雯,崔紹榮等.番茄收獲機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].農(nóng)機(jī)化研究,2003.10(4):1-4.曹其新,呂恬生.日本蔬菜和水果揀選機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與研究,1998,No4:9-11.HAYASHIS,GANNOK,ISHIIY.Machinevisionalgorithmofplantrecognitionforroboticharvesting[J].JSHITA,2002,12(1):38-46.MURAKAMIN,INOUEK,OTSUKAK.Selectiveharvestingrobotofcabbage.Pro-ceedingofinternationalsymposiumofautomationandroboticsinbioproductionandprocesssing[J].JSAM,1995,2:24-31.MONTAM,KONDON,SHIBANOY.Agriculturalrobotingrapeproductionsystem[C].IEEEinternationalConferenceonRoboticsandAutomation,1995:2504-2509.周增產(chǎn),J.Bontsema,L.VanKollenburg-Crisan.荷蘭黃瓜收獲機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)[J],農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2001,Vol.17,No.6:77-80.REEDJN,MILESSJ,BUTLERJ,etal.Automaticmushroomharvesterdevelopment[J].JAgricEngngRes,2001,78(1):15-23.陸懷民.林木球果采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2001,32(6):52-58.曹其新,呂恬生,永田雅輝等.草莓揀選機(jī)器人的開(kāi)發(fā)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,33(7):880-884.周云山,李強(qiáng),李紅英等.計(jì)算機(jī)視覺(jué)在蘑菇采摘機(jī)器人上的應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1995,11(4):27-32.湯修映,張鐵中.果蔬采摘機(jī)器人研究綜述[J].機(jī)器人,2005.27(1):90-95.BuemiF,MassaM,SandiniG,etal.Theagrobotproject[J].AdvancedSpaceResearch,1996,18(12):185-189.AchmadIrwanSetiawan,TomanariFurukawa,AdamPreston.Alow-costGripperforanApplePickingRobot[J].IEEEInternationalConferenceonRobotics&Automation.2004:4448-4453.N.Kondo.RoboticsforBio-productionSystems[M].[S.l.]:ASAEPublisher,1998.M.Monta.End-effectorsfortomatoharvestingrobot[J].ArtificialIntelligenceReview,1998(12):11-25.N.Kondo,YShibano,K.Mohri,etal.Requesttocultivationmethodfromtomatoharvestingrobot.ActaHorticulturae.1992,319:567-572.白井良明.機(jī)器人工程[M].北京科學(xué)出版社,2001.石玉秋,孫煒,孫洪淋.一種三關(guān)節(jié)機(jī)器人視覺(jué)伺服系統(tǒng)研究[J].裝備制造技術(shù),2006(2):12-15.方建軍.采摘機(jī)器人開(kāi)放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(5):83-86.朱錦春,蘇東海,張志偉.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].科學(xué)出版社,2006.清華大學(xué)流體傳動(dòng)及控制研究室,上海工業(yè)大學(xué)流體傳動(dòng)及控制研究室.氣壓傳動(dòng)與控制[M].上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1985.任燁,蔣煥煜,申川.農(nóng)業(yè)機(jī)器人末端執(zhí)行件的研究發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究.2007.3(3):201-203.姜力,蔡鶴皋,劉宏.多指靈巧手的位置/力矩控制[J].控制理論與應(yīng)用,2005.22(3):364-368.喬兵,吳洪濤,朱劍英等.面向位控機(jī)器人的力/位混合控制[J].機(jī)器人,1999.21(3):217-222.M.Monta.End-effectorsfortomatoharvestingrobot[J].ArtificialIntelligenceReview.1998(12):11-25.來(lái)清民,張玉英.關(guān)于音頻解碼器LM567的使用[J].河南教育學(xué)院學(xué)報(bào),2001.10(2)：17-18.趙凌燕,張立勛,王嵐.測(cè)力鞋墊系統(tǒng)在步態(tài)研究中的應(yīng)用.測(cè)控技術(shù),2006,25(11):38-41.祁廣利.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的視覺(jué)技術(shù)及其應(yīng)用[J].陜西農(nóng)業(yè)科學(xué),2004(5):121-129.VincenzoL,BrunoS,LuigiV.Position-basedvisualservoinginindustrialmultirobotcellsusingahybridcameracon?guration[J].IEEEtransactionsonrobotics,2007,23(1):73-86.GianLM,GiuseppeO,DomenicoP.Image-basedvisualservoingfornonholonomicmobilerobotsusingepipolargeometry[J].IEEEtransactionsonrobotics,2007,23(1):87~100.賴壽宏.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999:86-146.WangQG,ZouB,LeeTH,BiQ.AutotuningofmultivariablePIDcontrollersfromdecentralizedrelayfeedback.Automatica,1997,33(3):319-330.McCormackAS,GodfreyKR.Rule-basedauto-tuningbasedonfrequencydomainidentification.IEEETrans.onControlSyst.Tech,1998,6(1):43-61.黃獻(xiàn)龍,梁斌,吳宏鑫.機(jī)器人避碰規(guī)劃綜述[J].航天控制,2002(1):34-40.KhatibQ.Realtimeobstacleavoidanceformanipulatorsandmobilerobots[J].IntJRoboticsRes,1986.5(1):90-98.ChosetH,BurdickJW.Sensorusedmotionplanning:thehierarchicalgeneralizedVoro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