摘要
茶起源于神农氏，在周公时代正式发祥，在唐代趋于兴盛。现在，世界上流行的三种非酒精饮料，茶叶就占有非常重要的一席。新中国成立后，特别是新时代以来，我国政府极为重视茶业，大力推进科技兴茶，研发了一批采茶设备。然而，现有的茶叶采摘方法费工，成本高，难以做到及时采摘，且采茶后仍需要进行二次工序对所采摘茶叶的嫩熟老叶进行分拣，极大地消耗了时间人力物力。虽然目前很多移动采摘机器人虽然能够进行分类采摘任务，但大多数都是在宽阔平整的大棚内进行作业，由于茶园是梯田地形构成，道路狭窄且环境复杂，传统的轮式移动操作机器人根本无法满足这类场景的任务。 四足协作机器人能够适应各种恶劣地形地势，无论是松软的地面，还是崎岖的地形，其都能自动行走、攀爬以及避障，同时，四足机器人能以更多元、更自由的运动性能和姿态，保持自身的平稳和移动的顺畅，其背上所搭载的桌面型机械臂更是能够通过轨迹规划和视觉标定，完成指定的茶叶采摘工作。本课题以复杂环境下进行茶叶采摘作业为项目背景，以四足机器人、桌面型机械臂和茶叶采摘末端执行机构相结合的四足协作机器人作为研究对象，对其机械系统设计、控制系统设计、运动学分析和运动控制等关键技术展开研究，最后进行了综合实验验证。 首先，完成了四足协作机器人系统总体设计。首先确定了由四足机器人、桌面型机械臂和茶叶采摘末端执行机构组成的四足协作机器人机械系统整体方案，设计了一种新型的茶叶采摘末端执行机构，然后完成了包括四足机器人控制、机械臂控制、茶叶采摘末端执行机构的驱控器及上位机设计。 其次，建立了四足机器人的运动学模型，并进行了正逆运动学分析。接着后着重介绍了四足机器人单腿的运动学求解过程，首先通过建立腿部关节坐标系，利用改进DH法及几何法推导出四足机器人腿部正逆运动学方程，并进行了运动仿真验证。接着对四足机器人的足端轨迹进行设计，确定了以改进五次多项式步态作为四足机器人的运动步态最为平稳，并进行了仿真验证，然后对四足机器人的转弯策略进行了研究。 第三，对桌面型机械臂运动控制相关技术进行了研究。首先建立了桌面型机械臂的连杆坐标系，确定了改进DH参数，由改进DH参数推导了正运动学方程，根据解析法推导出桌面型机械臂逆运动学方程，同时针对机械臂关节模组中存在干扰等问题，设计了一种添加了不等式约束的新型鲁棒控制算法，并进行了仿真验证。 最后，完成了四足协作机器人的综合实验验证。首先通过Simulink自动生成代码的方式，将足端轨迹规划程序烧录进四足机器人主控制器中，实现四足机器人的五种基本行走步态功能；然后在实验平台上验证了将机械臂的控制算法；接着通过因时推杆电机上位机对茶叶采摘末端执行机构进行控制，验证了其茶叶采摘的有效性；最后以茶叶采摘为案例验证了四足协作机器人的整体功能。
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