高速公路不仅是交通运输业的一部分,也是"一带一路"发展战略的核心.如今,我国的高速公路总里程已达万公里,位居一,用于绿化环境,防止眩光,保障安全的绿篱隔离带在高速公路中处处可见.为了达到良好的绿化指标,需要对其进行定期的养护修剪.传统的高速公路绿篱修剪设备存在智能化程度低,修剪稳定性弱,功能多样性差等问题,针对上述问题设计一款新型的高速公路绿篱修剪机器人,对修剪机械臂进行正/逆运动学分析,操作空间求解,刚柔耦合动力学建模以及避障路径规划等研究.本课题源于国家自然科学基金资助项目(项目编号:).本文主要研究内容如下:

(1)根据绿篱隔离带的绿化指标和修剪机器人的技术要求,规划与建立高速公路绿篱修剪机器人的总体布局,从修剪对象,养护功能以及实际情况等考虑,设计高速公路绿篱修剪机器人的本体结构,分析驱动系统的工作方式和控制系统的设计要求,完成驱动系统与控制系统的设计,构建并研制实验样机.
(2)以设计的修剪机械臂为研究对象,通过D-H法创建其连杆简化模型,进行运动学正解,求得修剪机械臂的末端刀具位姿方程,采用反变换法进行修剪机械臂逆运动学解耦,推导各关节角运动表达式,基于Monte Carlo法求解修剪机械臂操作空间,通过MATLAB进行操作空间的数值仿真,验证运动学模型的正确性和修剪机械臂结构的合理性,为后续动力学和避障规划研究作铺垫.

(3)基于多体柔性动力学理论,通过浮动系法建立柔性修剪机械臂系统坐标系,根据假设模态法描述臂杆弹性变形量,采用Lagrange法及虚功原理推导修剪机械臂刚柔耦合动力学方程,在ADAMS仿真软件中进行修剪机械臂刚性和柔性的动力学对比仿真,研究柔性因素对系统动力学特性的影响,进一步验证建立刚柔耦合动力学模型的必要性,为以后精确控制和结构优化研究提供理论依据.
(4)针对非结构环境下高速公路绿篱修剪机器人手臂实时准确避障问题,提出一种基于扰动人工势场法(PAPF)的避障路径规划解决方法.根据绿篱隔离带与障碍物分布情况,构建包络障碍物简化模型,分析机械臂与障碍物的碰撞条件,求解机械臂在修剪过程中的避碰空间.引入斥力场调节策略优化势场模型,建立斥力场扰动机制调整斥力影响方式,消除传统算法中局部极小点和目标不可达等现象.在避碰空间应用PAPF算法进行路径规划仿真,仿真结果表明,机械臂跳出局部极小点,灵活顺利避障,成功抵达目标点,验证了该方法的有效性和可行性.