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山茶 采摘 机械人 总体 设计

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湖南农业大学东方科技学院毕业论文（设计）开题论证审批表学生姓名黄 利学号200841914725年级专业及班级2008级机械设计制造及其自动化（7）班指导教师及职称李旭 讲师开题时间年 月 日毕业论文（设计）题目山茶采摘平台设计研究文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等）（宋体五号，行间距单倍行距。）研究意义机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机器人集成了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科的发展成果，代表高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历史时期。我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入农业生产领域。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，其作用在于能够降低工人劳动强度和尘产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，冈而具有很大的发展潜力。 国内外研究现状收获作业的自动化和机器人的研究始于 20 世纪 60 年代的美国(1968 年)， 采用的收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式， 其缺点是果实易损， 效率不高， 特别是无法进行选择性的收获。从 20 世纪 80 年代中期开始，随着电子技术和 计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理技术和人工智能技 术的日益成熟，以日本为代表的西方发达国家，包括荷兰、美国、法国、英国、 以色列、西班牙等国家，在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作，试验成功 了多种具有人工智能的收获采摘机器人，如番茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、 黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。 1 机器人可能成为美国农场的重要组成部分 由于美国政府采取了更加严格的边境管理政策， 一些依靠外来移民劳动力的 农场主正将他们的视野转向一种正在发展中的新一代摘果机器人。 此类机器人可 以从事从采集酿酒用的葡萄直至清洗和摘取莴苣心的工作。 目前这类机器人正处 于全面发展时期，将成为收获精致水果和蔬菜的基本工具，目前这些工作仍由手 工完成。 圣地亚哥视觉机器人技术发明者德里克莫里卡瓦认为： 新采摘机器人要依 靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能 力。现代成像技术同样也使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。方法就 是将一台机械化扫描机器送入果园。 装备有数字成像技术设备的机器人能够生成 一张三维地图，显示位置、成熟度和水果质量。一台采摘机器人按照这些画面， 使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了的水果。 加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作开发一种水果采摘机器人。 上 个月研究人员对原型机进行了检测， 但是距离真正的广泛商业应用还有很长的路 要走。 另外， 加州州立大学弗雷斯诺分校一个葡萄酒专家小组正在研制一种自动采 摘机器人，目的是使葡萄酒业实现更多的机械化。该新技术包括一种称之为近红 外线分光计的装置，它可以在采摘之前检测葡萄样品中的糖含量和化学成分。然 后利用这些数据绘制一幅全球定位系统地图， 收割机器人可以使用这些地图进行 导航，在葡萄园中采摘特定的理想成熟葡萄串。 位于萨利纳斯山谷的拉姆齐黑蓝德公司销售能够部分自动使用带状锯或 水刀的机器人,机器人从地面收割莴苣，并将莴苣进行装箱，以便清洗和加工。 该公司首席执行官弗兰克梅肯纳奇称， 拉姆齐黑蓝德公司开发的一种新机器 模型已接近完工，这种新机器人可以采摘、清洗、取心和对莴苣和其他绿色蔬菜 进行打包。 2 日本的果蔬采摘机器人 自 1983 年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来，采摘机器人的研究和 开发历经 20 多年，日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、 西瓜和葡萄等智能机器人。目前，日本在水果采摘机器人领域中研究颇丰，其研 究出的采摘机器人主要有以下几类。2.1 西红柿采摘机器人 日本 KondoN 等人研制的西红柿收获机器人，由机械手、末端执行器、视 觉传感器和移动机构等组成。西红柿一簇可长 4-6 个果实，各个果实不一定是同 时成熟，并且果实有时被叶茎挡住，收获时要求机械手活动范围大，能避开障碍 物，所以机器人的采摘机械手设计成具有 7 自由度，能够形成指定的采摘姿态进 行采摘。末端执行器由两个机械手指和一个吸盘组成；视觉传感器主要由彩色摄 像机来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位；移动机构采用 4 轮结构，能在垄间自动行走。采摘时，移动机构行走一定的距离后，就进行图 像采集，利用视觉系统检测出果实相对机械手坐标系的位置信息，判断西红柿是 否在收获的范围之内，若可以收获，则控制机械手靠近并摘取果实，吸盘把果实 吸住后，机械手指抓住果实，然后通过机械手的腕关节拧下果实。 2.2 草莓采摘机器人 Kondo-N 等人还针对草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和传统模式)研制 出了相应的采摘机器人。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用。 该机器人采用 5 自由度采摘机械手，视觉系统与西红柿采摘机器人类似，末端执 行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间 位置，接着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动直到把草莓吸入； 由 3 对光电开关检测草莓的位置，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗 进入指定位置，由螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。 2.3 黄瓜采摘机器人 黄瓜采摘机器人，采用 6 自由度的机械手，能在倾斜棚支架下工作，这种支 架栽培方式是专门为机械化采摘而设计。黄瓜果实在倾斜棚的下侧，便于黄瓜与 茎叶分离，使检测与采摘更容易。在摄像机前加了滤波片，根据黄瓜的光谱反射 特性来识别黄瓜。其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。采摘时 由机械手指抓住黄瓜后，果梗探测器寻找果梗，然后切割器切断果梗。 2.4 功能葡萄采摘机器人 葡萄采摘机器人采用 5 自由度的极坐标机械手， 末端的臂可以在葡萄架下水 平匀速运动。视觉传感器一般采用彩色摄像机，采用 PSD 三维视觉传感器效果更 好些，可以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。在开放式的种植方式下，由 于采摘季节太短，单一的采摘功能使得机器人的使用效率太低，因此开发了多种 末端执行器，如分别用于采摘和套袋的末端执行器、装在机械手末端的喷嘴等。 用于葡萄采摘的末端执行器有机械手指和剪刀，采摘时，用机械手指抓住果房， 用剪刀剪断穗柄。 除了以上介绍的几种类型的采摘机器人，日本还开发了用于柑橘采摘、蘑菇 和西瓜收获等的机器人。目前，果蔬采摘机器人的智能水平还很有限，离实用化 和商品化还有一定的距离。主要存在的问题，一是果实的识别率和采摘率不高， 损伤率较高；二是果实的平均采摘周期较长；三是采摘机器人制造成本较高；随 着传感器及计算机视觉等技术的发展， 果蔬采摘机器人的研究还需在以下几个方 面进行努力：一是要找到一种可靠性好、精度高的视觉系统技术，能够检测出所 有成熟果实， 精确对其定位； 二是提高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性， 成功避障，提高采摘的成功率，降低果实的损伤率；三是要提高采摘机器人的通 用性，提高机器人的利用率。 3 荷兰的黄瓜采摘机器人 1996 年，荷兰农业环境工程研究所(MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器 2 人。该研究在荷兰 2 hm 的温室里进行，黄瓜按照标准的园艺技术种植并把它 培养为高拉线缠绕方式吊挂生长。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实， 并探测它的位置。机械手只收获成熟黄瓜，不损伤其他未成熟的黄瓜。采摘通过 末端执行器来完成，它由手爪和切割器构成。机械手安装在行走车上，行走车为 机械手的操作和采摘系统初步定位。机械手有 7 个自由度，采用三菱公司 (Mitsubishi) RVE26 自由度机械手，另外在底座增加了一个线性滑动自由度。 收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱的自走运输车完成。 整个系统无人工干 预就能在温室工作。试验结果为工作速度 10 s/根，在实验室中效果良好，但由 于制造成本和适应性的制约，还不能满足商用的要求。 4 英国的蘑菇采摘机器人 英国 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘机器人，它可以自动测量蘑菇的位置、 大小，并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括 2 个气动移动关节和 1 个步进电 机驱动的旋转关节；末端执行器是带有软衬垫的吸引器；视觉传感器采用 TV 摄 像头，安装在顶部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在 75% 左右，采摘 速度为 617 个/s，生长倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机 器手姿态动作来提高成功率和采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问 题。 5 国内研究进展 在国内，果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林 木球果采摘机器人，主要由 5 自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片 机控制系统组成。采摘时机器人停在距离母树 35m，操纵机械手回转马达对准 母树。然后，单片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度， 采摘爪张开并摆动，对准要采集的树枝，大小臂同时运动，使采摘爪沿着树枝生 长方向趋近 1.52m，然后采摘爪的梳齿夹拢果枝，大小臂带动采集爪按原路向 后返回，梳下枝上球果，完成一次采摘。这种机器人效率是 500 kg/天，是人工 的 3050 倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。 图 3 林木球果采摘机器人原理图 另外，郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器 人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义斌等完成了水 果自动分级机器人的研究开发。赵杰文等研究了基于 HIS 颜色特征的田间成熟 番茄识别技术，该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果。 梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动 学优化与仿真试验，取得了较好的效果。主要参考资料1 冯建农, 柳明. 自主移动机器人智能导航研究进展J.机器人,1997,19(6): 468- 478.2 方建军. 采摘机器人开放式控制系统设计J.农业机械学报, 2005,36(5):83-86.3 冈本嗣男. 生物农业智能机器人M .北京:科学技术文献出版社,1994.4 蔡自兴. 机器人学M.北京:清华大学出版社, 2000,76.5 张茂.机械制造技术基础M.北京:机械工业出版社，2008.6 成大先.机械设计手册M.北京:滑雪工业出版社,1977.7 求是科技.8051系列单片机C程序设计完全手册.人民邮电出版社，2006.研究方案（研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等）（宋体五号，行间距单倍行距）研究目的：“山茶采摘平台设计研究”设计的目的是采摘山茶过程中减轻人工的劳动强度，提高工作效率。课题要求设计山茶采摘平台，目的是减轻人工的劳动强度，提高工作效率。系统主要包含以下内容：1 采摘平台的底盘结构设计要求结合山茶生长区的地域特点，设计适合于该地形行走的底盘结构，并且具有较强的负载能力。 2 采摘平台的升降系统结构设计要求结合山茶树的外形尺寸特征，设计具有一定行程的升降系统，实现采摘平台的上升与下降，以达到方便采摘山茶的目的。3 采摘平台的电气控制系统设计结合各单元的机械结构，设计对应的电气控制系统实现对相应动作的控制。研究内容：设计并制作山茶采摘平台行走控制系统，能够提高摘茶的效率，对茶叶的生产起到积极意义，其主要研究内容有以下。1 机械子系统的设计包括平台系统和驱动系统，转向结构，平台主要由槽钢焊接而成，由电机驱动，转向系统可以由电机转向。2 导航控制系统设计 控制器的输出路径跟踪控制主要是通过控制轮胎的转角来实现3 CAN总线设计为了实现平台控制部件的智能化合控制系统的网络化。4 转向控制和智能控制系统研究 尽量减少偏差和误差。5 行走实验 评估研究的可行性，和可操作性。研究方法：以实验法为主，辅以比较研究法、经验法及查阅文献资料等方法。充分借用学校的电子创新实验室和相关实验室，运用实验室有关的机械结构所需的仪器和工具，完成采摘平台机械实物模型；采用其相关设备仪器进行印制电路板的制作和测试，完成控制系统；向老师或他人请教，借鉴其专业知识或丰富的经验来完善设计；查阅相关的文献资料以及设计手册来保障毕业设计的顺利完成。预期成果：1 完成采摘平台实物模型。2 完成1.5万字的设计说明书。3 提供系统电气设计图一张（2号图纸）。4 按机械设计要求提供对应的机械结构原理图。条件保障：1 掌握扎实的专业知识，熟知与本课题相关的课外知识；2 具备独立查阅资料获取有效信息的能力；3 具备动手实践以及创新的能力；4 学校设备齐全的电子创新实验室；5 指导老师的专业指导。时间进程安排（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等）（宋体五号，行间距单倍行距）2011.09.15 - 2011.09.19 选题2011.09.20 - 2011.09.21 下达任务书2011.09.22 2011.09.26 开题论证2011.09.27 2011.10.31 调研、收集整理资料、制定方案 2011.11.01 - 2012.02