高速公路不僅是交通運輸業的一部分,也是"一帶一路"發展戰略的核心.如今,我國的高速公路總里程已達萬公里,位居一,用于綠化環境,防止眩光,保障安全的綠籬隔離帶在高速公路中處處可見.為了達到良好的綠化指標,需要對其進行定期的養護修剪.傳統的高速公路綠籬修剪設備存在智能化程度低,修剪穩定性弱,功能多樣性差等問題,針對上述問題設計一款新型的高速公路綠籬修剪機器人,對修剪機械臂進行正/逆運動學分析,操作空間求解,剛柔耦合動力學建模以及避障路徑規劃等研究.本課題源于國家自然科學基金資助項目(項目編號:).本文主要研究內容如下:

(1)根據綠籬隔離帶的綠化指標和修剪機器人的技術要求,規劃與建立高速公路綠籬修剪機器人的總體布局,從修剪對象,養護功能以及實際情況等考慮,設計高速公路綠籬修剪機器人的本體結構,分析驅動系統的工作方式和控制系統的設計要求,完成驅動系統與控制系統的設計,構建并研制實驗樣機.
(2)以設計的修剪機械臂為研究對象,通過D-H法創建其連桿簡化模型,進行運動學正解,求得修剪機械臂的末端刀具位姿方程,采用反變換法進行修剪機械臂逆運動學解耦,推導各關節角運動表達式,基于Monte Carlo法求解修剪機械臂操作空間,通過MATLAB進行操作空間的數值仿真,驗證運動學模型的正確性和修剪機械臂結構的合理性,為后續動力學和避障規劃研究作鋪墊.

(3)基于多體柔性動力學理論,通過浮動系法建立柔性修剪機械臂系統坐標系,根據假設模態法描述臂桿彈性變形量,采用Lagrange法及虛功原理推導修剪機械臂剛柔耦合動力學方程,在ADAMS仿真軟件中進行修剪機械臂剛性和柔性的動力學對比仿真,研究柔性因素對系統動力學特性的影響,進一步驗證建立剛柔耦合動力學模型的必要性,為以后精確控制和結構優化研究提供理論依據.
(4)針對非結構環境下高速公路綠籬修剪機器人手臂實時準確避障問題,提出一種基于擾動人工勢場法(PAPF)的避障路徑規劃解決方法.根據綠籬隔離帶與障礙物分布情況,構建包絡障礙物簡化模型,分析機械臂與障礙物的碰撞條件,求解機械臂在修剪過程中的避碰空間.引入斥力場調節策略優化勢場模型,建立斥力場擾動機制調整斥力影響方式,消除傳統算法中局部極小點和目標不可達等現象.在避碰空間應用PAPF算法進行路徑規劃仿真,仿真結果表明,機械臂跳出局部極小點,靈活順利避障,成功抵達目標點,驗證了該方法的有效性和可行性.