对机器人进行果实采摘时如何避开障碍物进行探究

[摘 要]关于机器人进行采摘时如何避开障碍物，本文主要是以对番茄进行采摘为研究对象，将空间位置如何避开障碍物的问题转化为平面内的机械如何进行避开障碍物，并最终算出避开障碍物这个过程中终结点的角度。然后在试验数据的基础上计算出在平面内机器人应该如何避开障碍物的路径，并求出一些相交面，这些相交面要求是竖直的，在竖直面内进行其余角度的的规划。通过番茄采摘试验对机器人能否绕开障碍物成功地沿直线路径进行探究。从而在番茄的采摘过程中实现番茄的自动采摘，提高在生产过程中的效率。

[关键词]采摘机器人 障碍物 路径探究

中图分类号：D112 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）13-0264-01

1、机器人采摘的现状及意义

自然条件下，机器人进行采摘作业时，植物本身的分支以及还没有成熟的果实就像障碍物一样分布在成熟果实的周围，给采摘带来了一定的麻烦。为了设计出一条快捷的机器人的采摘途径，使得采摘过程中可以避开障碍物对所要采摘果实的影响，这成了采摘形机器人的路径研究过程中至关重要的问题。现在果实采摘如何避开障碍物的探究还面临着一些问题：障碍物的形状各不相同，很难进行具体的描述；机器人避开障碍物模型的建立过程也有一定的难度，将障碍物的空间转化为平面空间更有一定的难度[1-3]。为了简化果实采摘过程的复杂程度，很多研究人员对如何避开障碍物进行了探究。

本文主要就进行果实采摘过程中机器人如何避开障碍物进行了深入探究。对未来果实采摘有非常重要的现实意义。

2、关于避开障碍物机器人模型的建立过程

首先在进行机器人模型的建立之前需要对机器人的空间结构进行描述，选取合适的机器人将其机械臂作为本次模型的操作部件，对进行计算的模型的要求是其关节必须都是旋转式的，同时采取建立坐标系的方法将机器人的坐标值表示出来，并分别表示出旋转向Z轴以及X轴的偏转角。由于不管旋转角如何转动，有些连杆并不受旋转角的影响，始终在同一个平面内。有些旋转角的运动方式对避开障碍物并不产生影响，因此，只有其中一个连杆对障碍物应该进行什么样的路线起到了十分关键的作用。

其次，在实际的避开障碍物机器人模型的建立过程中需要考虑到空间结构的复杂性以及进行规划的难度。因此为了减少计算量，本次模型将比较抽象的三维模型进行了简化，用把机器人以及障碍物映射到平面坐标系中的方法，对其进行平面研究，这一步骤无疑在一定程度上对实验有很大的帮助作用。因此在构建空间结构的模型时需要建立映射式的模型使得避开障碍物模型的建立更加易于操作[4]。

映射式的空间模型建立之后，就可以非常简便的将原有的如何进行避开障碍物的问题进行转化，使其转化为平面内的避开障碍物的问题[5]。并在此基础上将避障的工作空间在一定程度上进行转化，此外还需要计算出碰撞时关节角的临界值，运用相关的公式，算出避障关节角的大概的取值区间，在此区间内选取符合要求的临界角。根据所求出的结果和障碍物的空间形状及位置可以计算出更加合适的模型，这时求出的关节角的碰撞临界值可以使得障碍区域变为封闭又光滑的面。

3、机器人采摘过程中应怎样避开障碍物

机器人采摘过程中避开障碍物的关键是求出一些关节处的夹角，这些角关系着机器人各个连杆之间的初始位置的夹角到终点关节处夹角的变化，因此这个步骤十分关键。在这些中间角的求出过程中终点关节处的夹角最重要，需要对这个夹角进行最合适的选取。

确定这个夹角的过程如下：首先根据目标点在空间内的具置以及实验过程中所设定的角度，利用相关公式对关节处的终点夹角进行求解，通过计算可以发现关节处的终点夹角的有多个数值。求出这个角的数值之后，再利用所构建的映射模型求出机机器人障碍物所占用的空间。两者相互结合找出最合适的关节连接处的终点夹角。

根据所得的最合适的关节角，在此基础上对避开障碍物的路径进行一定的描述。现将其过程作如下简述：要求新杆的影子长度在水平面必须满足一定的关系式；然后求出障碍物空间的最合适路径。此时对应的新杆会在各个转角的位置形成一系列的数值平面，这些平面是没有障碍的。不同的旋转角所形成的竖直平面是不一样的，应根据不同的情况不断的调整旋转角的大小。不同的旋转角对应不同的竖直无障碍平面，调整角度和竖直平面使终点角可以达到所要求的角度。

4、对机械人的采摘过程进行试验

由于番茄的生长环境比较特殊，障碍物的形状又比较特殊，所以选择番茄进行试验更有代表。随意抽取一块番茄试验田进行采摘过程的实际操作。首先选取合适的目标，根据观察确定番茄的大概坐标位置在误差允许的范围内。

由于各个连杆之间的初始关节处的夹角已经求出，并且合适的终点位置的关节角在上述过程中也已经得到，所以综合两者并根据如何避开障碍物设计的途径，先调整新杆的长度，调整到合适的状态，然后计算出旋转角所决定的如何避开障碍物合适。通过反复的试验可以知道，按照理论构建的空间在平面内的映射模型所提出的避开障碍物的路径设计可以对番茄采摘实现顺利的进行，因此，也证明了机器人在平面内的映射模型是正确的。

5、结语

文章通过构建便于计算的映射模型验证了平面进行的避开障碍物模型的建立是完全正确的，此外，对如何进行障碍物的避开过程中最合适的终点夹角的计算是运用函数得到的，在此基础上可以得到机械人避开障碍物过程中的平面路径，并获得一系列竖直相交面，这些相交的竖直面表示连杆之间的位置，有这些竖直相交面再对其余的角度进行规划就会十分简便。上述试验结果表明只要在采摘过程中能够合理避开障碍物，机器人采摘必定在未来的果实采摘技术过程中发挥巨大的作用。

参考文献

[1]王伟，杨扬，原魁.机器人-空间障碍边界建模与无碰路径规划[J].机器人，1998，20（4）：280-286

[2]陈树人，戈志勇，王新忠，等.番茄采摘机械手-空间障碍计算方法[J].农业机械学报，2008，39（1）： 191-194.

[3]陈靖波，赵猛，张珩.空间机械臂在线实时避障路径规划研究[J].控制工程，2007，14（4）： 445-447，450.

[4]蔡健荣，赵杰文。水果收获机器人避障路径规划[J]. 农业机械学报，2007，38（3）：102-105，135.

[5]丁为民，玉仑.茄子收获机器人机械臂避障路径规划[J].农业机械学报，200839（11）：89-93.

作者简介：郭岩（1963―― ），男，研究方向：机械，单位：河南省轻工业职工大学。