13期(SRP)申报-采摘机器人的设计

1、编号：xxx大学大学生研究训练计划项目申请书项目名称果实采摘机器人设计申请人所在院系机械电气工程学院专业班级机制4班申请人电话申请人E-mail指导教师导师所在单位机械电气工程学院填表日期2014.12.15石河子大学教务处二O七年十月制一、申请人简况申请人姓名性别女民族汉族出生日期所在院系机械电气工程学院专业、年级12机制学号E-mail电话申请学分2分项目名称果实采摘机器人的设计1.申请人参加科研工作简历自何年月至何年月项目名称担任的工作2013.072013.08石河子学员2014.072014.08石河子天业化工厂工作流程学习学员2.申请人入校以来的主要专业必修课成绩课程名称类别学分成

2、绩课程名称类别学分成绩专业英语专业课程2.090机械基础实验（一）专业课程0.587课程设计专业课程1.090机械制造基础（一）专业课程3.581机械制造基础（二）专业课程3.083电工学（一）专业课程3.084机械设计基础（一）专业课程3.5823.申请人入校以来获奖情况获奖名称获奖等级获奖时间授奖单位优秀团员院级2013.11机械电气工程学院优秀学生会干事院级2014.04机械电气工程学院4.项目组其他成员（不包括导师）姓名学号专业、年级所在学院分工签名12机制机械电气工程学院搜集资料注：此表用A3纸打印一式三份，批准后由教务处、学院及申请人各保存一份。项目编号由教务处统一编号。二、申请人

3、对研究项目简要说明（一）立论依据（项目的研究意义、拟研究问题的国内外现状分析、所涉及的学科领域、科学价值）1、项目的研究意义在果实生产作业中，收获采摘约占整个作业量的40%。采摘作业质量的好坏直接影响到果实的储存、加工和销售，从而最终影响市场价格和经济效益。由于采摘作业的复杂性，采摘自动化程度仍然很低。目前国内果实采摘作业基本上还是手工完成。随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，劳动效率下降，农业生产成本也将提高。因此，发展机械化收获技术，研究开发果实采摘机器人，对提高劳动效率，降低劳动成本，增加经济效益，具有重要的意义。21世纪，农村劳动力逐渐向社会其他行业转移，世界各国面临人口老龄化的问题，

4、劳动力的不足将成为事实，尤为重要的是室外的环境较差，收获作业的劳动强度大，因此研究机器人特别是果实采摘机器人具有重要的意义。机械手是能够模仿人的手臂某些动作功能，用来按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装置。它可以代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和自动化，能在有害环境下操作以保护人身安全，因而广泛应用于农业、机械制造、冶金、电子、轻工和原子能等部门。在农业方面，机械手在生物生产自动化领域发挥着重要的作用，是各种农业采摘、收获机器人重要的执行部件，得到了广泛的研究和关注。2、国内外现状及分析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

5、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。随着计算机图像处理技术、工业机器人技术以及人工智能控制等技术的发展和日趋成熟，所以在以后20多年的时间里，日本及欧美等国家相继研究了采摘苹果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能机器人。我国采摘机器人的研究起步虽然比较晚，但目前也逐步发展起来，如中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机器人进行了试验性的研究，东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究等。目前，比较典型的有番茄采摘机器人、草莓采摘机器人、葡萄采摘机器人及林木球果采摘机器人等。2.1国内研究现状在国内，果蔬采摘机器人的研究

6、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处，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500kg/天，是人工的3050倍。而且，采摘时对母树的破坏较小，采净率高。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

7、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。2.2国外研究现状(1) 番茄采摘机器人日本的果蔬采摘机器人研究始于1980年，Kawamura等人开展了番茄采摘机器人的研究。他们利用红色的番茄与背景(绿色)的差别，采用机器视觉对果实进行判别，研制了番茄采摘机器人。该机器人有5个自由度，对果实实行三维定位。由于不是全自由度的机械手，操作空间受到了

8、限制，而且坚硬的机械爪容易造成果实的损伤。日本冈山大学的Kon-don等人研制的番茄采摘机器人，由机械手、末端执行器、行走装置、视觉系统和控制部分组成，用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉系统，寻找和识别成熟果实。由于番茄的果实经常被叶茎遮挡，为了能够灵活避开障碍物，采用具有冗余度的7自由度机械手。为了不损伤果实，其末端执行器设计有2个带有橡胶的手指和1个气动吸嘴，把果实吸住抓紧后，利用机械手的腕关节把果实拧下。行走机构有4个车轮，能在田间自动行走，利用机器人上的光传感器和设置在地头土埂的反射板，可检测是否到达土埂，到达后自动停止，转向后再继续前进。该番茄米摘机器人从识别到米摘完成的速度大约是1

9、5s/个，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置处于叶茎相对茂密的地方，机器手无法避开叶茎障碍物。因此需要在机器手的结构、采摘工作方式和避障规划方面加以改进，以提高采摘速度和采摘成功率，降低机器人自动化收获的成本，才可能达到实用化。(2) 葡萄采摘机器人日本冈山大学研制出了一种用于果园棚架栽培模式的葡萄收获机器人。其机械部分是一个具有5个自由度的极坐标机械手，具有4个旋转关节(其中腰部1个、肩部1个、腕部2个)和1个棱柱型的直动关节。这种结构使得机器人在葡萄架下行走时能够有效地工作，旋转关节可以用不同的速度旋转，直动关节可以采用简单的控制方法来获得较高的速度。腕部的2个旋转关节非

10、常有用，它可以保证末端执行器水平和垂直接近葡萄，即使葡萄束倾斜也可以达到目的。而且，为了提高使用率，更换不同的末端执行器，还可以完成喷雾、套袋和剪枝等作业。（3）草莓采摘机器人KondoN等人针对草莓越来越多采用高架栽培模式，研制出了5自由度的采摘机器人，草莓采摘机器人的视觉系统与番茄采摘机器人相似，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器。收获时,3对光电开关检测草莓的位置，视觉系统计算空间位置，控制机械手移动到预定位置，末端执行器将草莓吸入；当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘。综上所述，目前果实采摘机器人的研究正在成为机器人的新兴领

11、域，而采摘机器人作为农业机器人的重要应用具有很大的发展潜力。日后的果实采摘机器人的研究工作会朝着以下方向发展：1）必须能够准确地识别和定位成熟果实，并且引导末端执行器准确接近目标；2）研制灵巧、不伤果实的采摘机器人末端执行器；3）米摘机器人的行走机构必须适应田间的复杂环境；4）视觉系统要迅速识别定位果实，控制系统和机械手臂系统必须做到迅速摘取；5）增强机器人系统的通用性；相信在不久的将来，在不断克服种种技术的阻碍后，采摘机器人会更广阔的应用于农业生产中。3、所涉及的学科领域、科学价值本研究主要涉及的学科领域为机构运动和动力分析，机构的机械设计和动力系统设计。利用现代机械设计理论和方法,例如采用

12、三维实体造型技术、虚拟样机技术和优化理论等可以大大缩短设计周期，而且可以进行机构的运动学和动力学仿真，优化机器人结构。机器人动力系统的设计和执行元件的选型。综合运用所学的机械设计理论，作图软件和分析软件，培养学生解决实际问题的综合能力，培养解决科学问题的一般方法。（二）研究目标、主要内容、主要方法、拟解决的关键问题、预期目标及其研究成果和形式1、研究目标（1）设计果实采摘机器人的采摘机构；（2）设计果实采摘机器人的动力系统；2、主要研究内容和方法机械结构直接决定机器人运动的灵活性和控制的复杂性。采摘机器人必须紧凑，行走、转弯灵活。当前，大部分的采摘机器人借用的工业机械手，体积较大，成本高。在满

13、足机器人性能的前提下，设计简单、紧凑、轻巧，而且运动平稳和灵活避障的机械手，是必须解决的问题。同时，现代机械设计理论和方法也使问题的解决成为可能。例如，采用三维实体造型技术、虚拟样机技术和优化理论等可以大大缩短设计周期，而且可以进行机构的运动学和动力学仿真，优化机器人结构。1）米摘机构主要由夹持机构、气动系统、切割装置、传感控制系统四部分组成。设计的手指内部轮廓与球形果轮廓相拟和并在其表面先覆有一定厚度的海绵材料，再用橡胶材料进行包裹，这样避免了在抓握球形果擦伤果实，同时增加了抓牢球形果所需的摩擦力。对采摘机构的要求： 智能化程度高，保证米摘率和成功率。 要求控制好末端执行器的成本，能使广大用

14、户接受。 在保证智能化的同时降低控制系统的复杂性，利于农民操作。 要求机构在保证精巧的同时其可靠性、强度要高。 提高通用性，使一种末端执行器能采摘多种水果。2）动力装置通常，机械臂关节驱动电机有交流伺服电机、直流伺服电机和步进电机三种类型，其中，步进电机不适合用于闭环控制系统，所以不予一考虑，而交流伺服电机与直流伺服电机有如下优点：交流电机：结构简单、运行可靠、维修方便、外形尺寸小。能在重载下高速运行、加速性能好、能实现动态控制。直流电机：1、调速性能好，调速范围广，易于平滑调节2、启动、制动转矩大，易于快速启动、停车。3、易于控制根据设计要就，可以选择直流电机或交流电机3、拟解决的关键问题1

15、）调研目前果实采摘机的运动机理，利用机构动力学原理，分析各种可行传动方案确定采摘机器人的传动路线，确定动力源参数。2）利用CAD、CAE技术进行虚拟样机装配，检查干涉；优化各零件参数。4、预期目标设计出符合要求的机械装置及控制系统，绘制出整机的结构图、核心零件的零件图、系统工作原理图、控制系统流程图、完成装配图。（三）研究的进度安排2015.12015.3:查阅有关文献，了解果实采摘机器人国内外研究现状；2015.2015.5:详细运动方案设计，论证分析，确定最佳方案；2015.2015.8:设计机械手装置结构并确定其参数，绘制机械手装置相关图纸；2015.92015.11:确定电机参数，前期

16、检查，进行总体设计；2015.112015.12:设计图、设计说明书整理、修改完善。整理资料，准备结题。（四）研究工作已有基础条件1、已经学习了机械制造基础机械设计基础等专业基础课，掌握了四自由度机构运动的一般原理，了解常用传动部件的特点，自学了机电一体化概论和机构仿真分析软件，已经查阅了有关采摘机器手的国内外文献，对本项目所涉及的机构分析方法和作图方法有一定的了解。2、本项目所涉及的机械设计，传感器选型和控制系统设计的部分内容，我们可以请教有丰富科研经验的我院老师，机电学院拥有的机械虚拟综合测试系统（INV306测试仪、DASP测试分析系统）、单片机测控实验室，PLC试验台为本项目的顺利实施提供了有利的实验条件。8三、申请资助金额和经费预算项目经费资金总额及来源（单位：元）共计（元）申请学校资助（元）院系配套资金（元）自筹经费（元）200015000500预算支出科目支出金额（元）预算根据及理由1.调研费5002图书、资料费4003实验材料费5004测试、分析费3005.复印、打印费2006其它100四、指导教师简况及工作姓名性别女民族汉族党派年龄最终学历学位硕士职称职务无从事专业机械制造及自动化研究方向机械装备自动控制所在院系机械工程系电话通讯地址机电学院机械系电子信箱指导教师对课题设计的评价及指导工作方案：该组冋学