林木采育机器人机械臂避障路径规划方法研究

作     者：杨英浩 

作者单位：北京林业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘晋浩

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0828[工学-农业工程] 082801[工学-农业机械化工程] 

主      题：林木采育机 机械臂 避障路径规划 碰撞检测 RRT 

摘      要：林木采育机器人对于抚育采伐、打枝归堆等任务能够较快完成,但林木采育机械臂的避障运动以及对靶目标还需要进一步提升。论文针对林木采育机械臂避障路径规划进行研究,以提高林业机器人的避障、抓取作业效率。文章的主要研究分为以下几个方面:（1）林木采育机械臂建模与运动学分析。使用改进D-H参数法建立出机械臂模型并采用几何法进行运动学分析。（2）林木采育机械臂轨迹规划。为保证机械臂笛卡尔空间运动的连续性,提出机械臂最小能量法,解决奇异解问题,实现了机械臂平滑运动。（3）林木采育机械臂碰撞检测算法。经典碰撞检测通过计算机械臂与包络模型最短距离判断是否碰撞,文章结合机械臂运动学分析,提出多点碰撞检测算法简化计算。（4）林木采育机械臂避障路径规划。针对经典快速扩展随机树算法的存在问题,引入人工势场法的部分思想,提出了规避快速扩展随机树算法。获取路径采用三次B样条曲线拟合,更适合机械臂的运动。（5）实验仿真与验证。首先,采用Matlab验证文章提出的避障路径算法的有效性,与经典RRT算法、偏置RRT算法和双向RRT算法相比,搜索效率分别提高95.9%、56.9%和40.5%。其次,使用Matlab机器人工具箱,验证文章算法的可行性,实验结果证明算法能够避开障碍物到达目标点。最后,分别运用ROS和Coppelia Sim两种机器人仿真软件交叉验证算法的可行性与有效性。根据提出的建模、仿真与分析,验证了文章研究的林木采育机器人机械臂避障路径规划研究可行性与有效性,探索建立了针对林木采育机械臂的避障路径规划方法,为之后其它林木机械避障提供了理论和训练实践的支撑。