(初稿1)广东省大学生创新创业训练计划申报书.doc

附件：广东省大学生创新创业训练计划项目申报表推 荐 学 校 仲恺农业工程学院项 目 名 称 菠萝采摘机器人结构设计与控制系统研发 项 目 类 型 创新训练项目创业训练项目创业实践项目 所属一级学科名称 机械工程 所属二级学科名称 仲恺农业工程学院项 目 负 责 人 辛宝英申 报 日 期 2012年9月21日广东省教育厅 制二一二年三月项目名称菠萝采摘机器人结构设计与控制系统研发项目类型（）创新创业项目 （）创业训练项目 （）创业实践项目项目实施时间起始时间：2012 年 9 月 完成时间： 2013 年 9 月申请人或申请团队姓名年级学校所在院系/专业联系电话E-mail主持人辛宝英2010级仲恺农业工程学院机械电子工程15989142645402696025成 员卢泳鹏2010级仲恺农业工程学院机械电子工程15989142678419411359苏炜灿2010级仲恺农业工程学院机械电子工程159891431601064388764廖湘湘2010级仲恺农业工程学院机械电子工程15989142945750570752余庆澎2010级仲恺农业工程学院机械电子工程15989143112702086564指导教师姓名张日红研究方向年龄行政职务/专业技术职务主要成果一、项目实施的目的、意义我国是一个果蔬生产大国，水果生产量已居世界第一，21世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目都是劳动密集型工作，再加上时令的要求，保证作业质量成为关键问题；同时，工业生产发展迅速、21世纪的中国正进行产业转型，农业劳动将逐渐社会其他产业转移；随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相对提高，这样大大减低了产品的市场竞争力。为了实现农业机械化，减轻农民的劳动强度；为了响应省委、省政府建设“幸福广东”的号召；同时为建设社会主义和谐新农村；菠萝采摘机器人的开发与研制，具有广阔的市场前景和重要的现实意义。果实采摘环节是农产品生产链中最费力、最耗时的环节之一。采摘作业季节性强、耗时费力、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。由于采摘作业的复杂性，我国采摘自动化程度仍然很低。目前，国内水果采摘作业基本上都是人工进行，其费用约占成本一半以上，并且时间较为集中。自二十世纪八十年代美国成功研发第一台西红柿采摘机器人以来，采摘机器人的研制和开发得到了快速发展。荷兰、法国等国家相继立项研究了采摘柑橘、苹果、西红柿和西瓜等智能机器人。近年来，日本在收获机器人的研究方面进展很快，但技术不太成熟，还没有真正实现商业化。我国在农业机器人领域的研究始于20世纪90年代中期，上海交通大学机器人研究所刘成良等人完成了智能化联合收割机样机的研制。2001年，张瑞合等运用双目立体视觉的方法研究了番茄收获中果实的精确定位问题。南京农业大学沈明霞和浙江工业大学张立斌等人正在进行农业机器人视觉方面的研究。2008年，江苏大学周小军等人已开发出柑橘采摘机器人障碍物识别技术。但是果蔬采摘机器人的智能水平还很有限，无法将其推向市场，离实用化、商品化还有一定的距离。其存在的问题：一是自动化程度不够高，部分操作需要手动操作；二是采摘机械人的作业效率低，主要体现在果实的识别率和采摘率不高，损伤率较高；三是采摘机器人制造成本较高而利用率低，主要是由于水果生产的随机性造成的。2009年以前，就菠萝自动采摘机械方面国内外没有相关的研究，仲恺农业工程学院机电学院2009年已成功申请了广东省农业厅“菠萝自动采摘机关键技术和设备的研究”项目，并且已经对菠萝自动采摘机进行了总体方案确定和结构设计；2010 年仲恺农业工程学院机电学院为了更好的验证设计的合理性，建立虚拟样机的三维仿真模型，并对其进行运动仿真分析，对设计进行优化。本项目将在此基础上将菠萝自动采摘机实现智能化，通过智能识别系统控制菠萝采摘机器人中的机械手，对菠萝进行智能识别；摄像头识别后的数据，通过单片机计算，对果实进行定位，通过单片机控制机械手进行采摘。菠萝采摘机器人结构设计与控制系统开发强化农业机械的机电一体程度，提高了农业生产效率，促进农业的改革发展，加快产业升级，对第一产业具有重要意义。二、项目研究内容和拟解决的关键问题研究内容：随着我国农业生产的规模化、农业经济的快速发展、人口老年化的加重，人工劳作已经严重阻碍了我国高效农业的发展。为适应我国农业畜牧业的发展和要求，本研究提供一种菠萝不受破坏，由所谓的“动力牵引”装置安装10kW以上的拖拉机上机电一体化的自动采摘机械，它主要由机架部分、动力机械(驱动机械、采摘带动机械)、收集箱、供电设备、智能识别部分、定位部分、升降部分、传动部分、采摘部分、输送果品部分组成，利用手扶拖拉机作为行走驱动力。采摘机器人安装在拖拉机车厢的前端；拖拉机向前行走时，采摘机器人上的自动色觉或形态特征识别系统会自动识别菠萝；定位系统通过摄像头传回的数据进行分析，计算菠萝的具体位置，对菠萝进行定位；机械手臂在单片机的控制下、在气动的驱动下对菠萝进行夹紧；刀具位于机械手臂下端，在动力的驱动下对菠萝切割；采摘后的波萝随机械手臂复位；复位后机械手臂将菠萝松开，菠萝落在传送带上；通过皮带输送到拖拉机的车箱内。此机械具有机电一体化程度高，操作方便，自动化程度高，成本低，省时省力，采摘效率高，果品不易碰伤，使用寿命长，易于推广应用等优点。本项目主要对菠萝采摘机器人结构的设计与控制系统的研发；利用Pro/Engineer、solidworks等软件建立机构的实体模型，并进行运动学和动力学仿真，在此基础上对机器人的结构和运动进行优化设计；对采摘机的核心部件的结构形式和参数进行仿真和优化，对传动机构各部件进行有限元分析，确定机构运行中的最大动载荷，对机构的使用寿命进行估算，以核定机器的使用成本；通过机构的运动仿真探讨实现自动化采摘和输送作业的可能性；利用智能色觉或形态特征识别系统对菠萝果实进行识别，确定最佳机械手臂运行轨迹和行程等运动参数，以适应不同品种菠萝采摘的需要；通过以单片机为核心的控制系统控制气动式采摘机械手的采摘过程。本研究对改善菠萝传统采摘方法、劳动强度大的现状以及提高种植生产效率，节约劳动力资源，增加农民收入等都具有重要意义。拟解决主要问题对于大型菠萝种植基地，种植菠萝面积巨大，菠萝数量大，菠萝果皮有众多的花器，坚硬棘手，目前农民还是采用传统的人工采摘方法，花器很容易使人的手受伤，而且劳动强度大，采摘效率低下。本实用新型公开了一种由拖拉机提供动力的菠萝采摘机器人将解决这些难题。该机器人设备主要由采摘机构、传动系统、输送机构所组成。1）采摘机构的设计：A、工作情形：采摘机安装在农用拖拉机机头的前端，拖拉机向前行走时，前置识别系统对菠萝进行识别，定位系统通过摄像头传回的数据进行分析，计算菠萝的具体位置，对菠萝进行定位；机械手臂在单片机的控制下对菠萝进行夹紧；刀具位于机械手臂下端，在动力的驱动下对菠萝切割；采摘后的波萝随机械手臂复位；复位后机械手臂将菠萝松开，菠萝落在传送带上；通过皮带输送到拖拉机的车箱内。B、果实识别与定位方案的拟定：菠萝生长出来的位置很不规则，通过检测元件和色觉或形态特征识别系统，利用果实的部分特征进行识别；前置摄像头将已识别到的菠萝的相关数据传回，由计算分析程序生成机械手臂的运动轨迹。C、果实夹紧方案的拟定：当机械手抵达预定位置后，使用机械手夹紧果实以便刀具切断果实的托果部分。D、切割方案拟定：a、刀具形状选择：由于传统菠萝切割是使用锯齿形镰刀，而且从平常的锯木工具中使用的锯刀与波萝采摘的方式类似，所以采摘机构选用一种圆盘型的锯刀，且初步确定其选用转速为250r/min，若在实际上中不能满足再进行调整,刀具采用HSS硬度控制在6566HRC。b、刀具材料选择：刀具选用的材料为高速钢，高速钢强度、韧性均好，刃磨后切削刃锋利，质量稳定，一般用来制造小型、形状复杂的刀具。高速钢红硬性可以达到650度。所选取的高速钢刀具硬度值淬火回火后的硬度达应为通用高速钢(HSS)的要求为6367HRC。E、机械手臂复位、手臂松开菠萝方案拟定：切割完成后，机械手臂按照原来轨迹返回，到达初始位置后，利用控制系统的复位功能，使机械手恢复到初态从而松开菠萝。2）传动系统设计：利用齿轮系、轴带动刀具旋转进行切割，气动系统所用的压缩机由拖拉机发动机直接带动。3）输送机构的设计：A、水平输送机构拟定：V带传动把拖拉机飞轮处的动力传送至拖拉机前端，通过锥齿轮减速器变换运动方向后，驱动水平输送装置主动链轮，带动水平输送装置从动链轮进行运动，为水平输送带提供动力，且方向为拖拉机前进方向的右侧，采摘后的波萝落在水平输送带上，向前进方向的右面进行输送。B、提升输送机构拟定：a、果实输送方案的拟定：机械手切割菠萝后复位，放下果实，输送带由右至左输送果实，带式输送机的最右边又有一带式提升机，将果实从输送机的底端提升到提升机的最上端，然后就可以在提升机的尾端将果实直接装箱或者装袋运输了；输送系统中摩擦轮的动力由齿轮组的传动得到。b、传动方案的拟定 ：首先采用一级链轮传动机构把拖拉机飞轮处的动力传送至拖拉机前端，然后使用不同型号的齿轮换向器，通过改变动力传动的方向将动力输送到采摘机构，接着又采用链传动把动力输送到带式输送机和提升机等输果机构。因为橡胶带防滑性好、输送可靠，具有耐热、耐磨、耐灼烧、耐油、耐碱、耐碱、耐热、耐寒等特性，适合于多种输送系统，所以本研究采用橡胶带输送。该传送机构能实现动力方向的改变，而实现该换向主要就是齿轮换向器，每个齿轮换向器里面都有一对换向齿轮，拖拉机的动力输出轴通过带传动将动力传给转动轴，通过换向齿轮将力的方向改变并把动力传给采摘机构和带式输送机的链轮，从而使采摘机构和运输机构按固定的方向运动。三、项目研究与实施的基础条件（研究成员的知识条件，研究兴趣，相关经历及开展本项目的基础）我们是机械电子工程专业的学生，团队成员专业基础知识扎实，知识面宽，所学课程有：普通物理学、工程数学、画法几何与机械制图、电子技术、机械原理、工程力学、C语言程序设计等课程，此后我们还将进行机械设计基础、机电系统设计、机械控制工程基础、专业英语、数控技术与设备、液压与气压传动技术、可编程控制器、单片机原理及运用和机械制造技术等专业学科。通过学科知识的学习，具备数学、物理、力学、电子等学科基础理论知识；掌握了工程图学、工程力学、机械设计及制造等机械工程基础理论、基本知识和基本技能以及电路理论、电子技术、微机应用技术、控制理论等电子工程的基础理论、基本知识和基本技能；具有本专业必备的机电系统集成及智能化、电液控制、气动电子控制、应用流体力学、信号处理与计算机应用等专业知识；具有较强的计算机、外语应用能力和一定的文献检索能力，并具备一定的人文、艺术及其他社会科学基础素养。除了机电学科基础课程知识、专业知识扎实之外，我们团队成员平时课余时间拆装各种小玩具；寒、暑假期间在居委会、机械工厂、电子工厂做过社会实践，具备一定的动手能力。我们在学好专业知识及具备一定动手能力之外，努力进行创新制造研究，专业技能实践，以进一步提高自己的动手、创新等能力。对机械系统的设计与制造、电子电路很感兴趣，希望通过本次项目实践可以对从机械产品的需求分析、机械结构的总体方案设计、关键零部件设计、电子电路连接、C程序编程、仿真优化分析到生产制造的整个过程得到锻炼。我们曾参加很多机械模型设计大赛，不断积累经验，为我们的研究设计垫下不可或缺的基础。2012年国家级“大学生创新创业训练计划”项目的实施给了我们很好的机会，我们将努力运用各项自己所学知识，进行符合时代要求的创新实践。团队成员团结一致，努力完成各项指标，以圆满完成这次创新项目。四、项目实施方案1）通过对菠萝自动采摘机理的认真分析，提取出影响菠萝采摘机器人采摘效率的关键结构和运动参数，并制定仿真分析的总体方案。机架部分、动力机械(驱动机械、采摘带动机械)、收集箱、供电设备、智能识别部分、定位部分、升降部分、传动部分、采摘部分、输送果品部分组成，利用拖拉机作为行走驱动力。2）确定机架结构、传动机构、动力机。3）菠萝自动采摘机的三维建模：运用SolidWorks/Proe对菠萝采摘机器人进行三维建模，为仿真分析提供几何模型。4）菠萝自动采摘机构的运动仿真和分析：运动仿真的主要过程为：简化菠萝采摘机器人的几何模型转化为仿真分析的数学模型确定各零部件之间的连接方式定义作用在菠萝采摘机器人上的运动与动力参数得出仿真结果，初步界定一些关键参数对采摘过程的影响。5）对菠萝采摘机器人机构的结构参数和运动参数进行优化设计：建立仿真分析的参数化设计方案，对一些关键结构、运动参数或者各参数组合进行寻优分析，得出最佳参数，以此来对设计进行优化。6）确定自动色觉或形态特征识别系统，实现对菠萝的识别。7）通过定位系统，确定菠萝的果实的具体位置，实现对菠萝的定位。8）机械手臂在单片机的控制下，在气动的驱动下对菠萝进行夹紧。9）通过单片机的控制，由电机驱动刀具，实现对菠萝的切割。完成菠萝采摘机器人的整机设计和模型制作。五、学校可以提供的条件机电工程学院是在开办于1993年的制冷与冷藏技术专业（三年制大专）基础上经11年的发展于2004年组建而成。机电工程学院现设能源与动力工程系、机械设计制造系、控制工程系、机械电子系、金工实训中心和校级人工环境与控制研究所。我院拥有力学室、CAD/CAM中心、自动控制