13期(SRP)申報-采摘機器人的設計

1、編號：xxx大學大學生研究訓練計劃項目申請書項目名稱果實采摘機器人設計申請人所在院系機械電氣工程學院專業(yè)班級機制4班申請人電話申請人E-mail指導教師導師所在單位機械電氣工程學院填表日期2014.12.15石河子大學教務處二O七年十月制一、申請人簡況申請人姓名性別女民族漢族出生日期所在院系機械電氣工程學院專業(yè)、年級12機制學號E-mail電話申請學分2分項目名稱果實采摘機器人的設計1.申請人參加科研工作簡歷自何年月至何年月項目名稱擔任的工作2013.072013.08石河子學員2014.072014.08石河子天業(yè)化工廠工作流程學習學員2.申請人入校以來的主要專業(yè)必修課成績課程名稱類別學分成

2、績課程名稱類別學分成績專業(yè)英語專業(yè)課程2.090機械基礎實驗（一）專業(yè)課程0.587課程設計專業(yè)課程1.090機械制造基礎（一）專業(yè)課程3.581機械制造基礎（二）專業(yè)課程3.083電工學（一）專業(yè)課程3.084機械設計基礎（一）專業(yè)課程3.5823.申請人入校以來獲獎情況獲獎名稱獲獎等級獲獎時間授獎單位優(yōu)秀團員院級2013.11機械電氣工程學院優(yōu)秀學生會干事院級2014.04機械電氣工程學院4.項目組其他成員（不包括導師）姓名學號專業(yè)、年級所在學院分工簽名12機制機械電氣工程學院搜集資料注：此表用A3紙打印一式三份，批準后由教務處、學院及申請人各保存一份。項目編號由教務處統(tǒng)一編號。二、申請人

3、對研究項目簡要說明（一）立論依據（項目的研究意義、擬研究問題的國內外現(xiàn)狀分析、所涉及的學科領域、科學價值）1、項目的研究意義在果實生產作業(yè)中，收獲采摘約占整個作業(yè)量的40%。采摘作業(yè)質量的好壞直接影響到果實的儲存、加工和銷售，從而最終影響市場價格和經濟效益。由于采摘作業(yè)的復雜性，采摘自動化程度仍然很低。目前國內果實采摘作業(yè)基本上還是手工完成。隨著人口的老齡化和農業(yè)勞動力的減少，勞動效率下降，農業(yè)生產成本也將提高。因此，發(fā)展機械化收獲技術，研究開發(fā)果實采摘機器人，對提高勞動效率，降低勞動成本，增加經濟效益，具有重要的意義。21世紀，農村勞動力逐漸向社會其他行業(yè)轉移，世界各國面臨人口老齡化的問題，

4、勞動力的不足將成為事實，尤為重要的是室外的環(huán)境較差，收獲作業(yè)的勞動強度大，因此研究機器人特別是果實采摘機器人具有重要的意義。機械手是能夠模仿人的手臂某些動作功能，用來按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可以代替人的繁重勞動以實現(xiàn)生產的機械化和自動化，能在有害環(huán)境下操作以保護人身安全，因而廣泛應用于農業(yè)、機械制造、冶金、電子、輕工和原子能等部門。在農業(yè)方面，機械手在生物生產自動化領域發(fā)揮著重要的作用，是各種農業(yè)采摘、收獲機器人重要的執(zhí)行部件，得到了廣泛的研究和關注。2、國內外現(xiàn)狀及分析收獲作業(yè)的自動化和機器人的研究始于20世紀60年代的美國（1968年），采用的收獲方式主要是機械

5、震搖式和氣動震搖式，其缺點是果實易損，效率不高，特別是無法進行選擇性的收獲。隨著計算機圖像處理技術、工業(yè)機器人技術以及人工智能控制等技術的發(fā)展和日趨成熟，所以在以后20多年的時間里，日本及歐美等國家相繼研究了采摘蘋果、柑橘、番茄、葡萄和西瓜等的智能機器人。我國采摘機器人的研究起步雖然比較晚，但目前也逐步發(fā)展起來，如中國農業(yè)大學的張鐵中等人對草莓收獲機器人進行了試驗性的研究，東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，上海交通大學正在進行黃瓜采摘機器人的研究等。目前，比較典型的有番茄采摘機器人、草莓采摘機器人、葡萄采摘機器人及林木球果采摘機器人等。2.1國內研究現(xiàn)狀在國內，果蔬采摘機器人的研究

6、剛剛起步。東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人，主要由5自由度機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成，采摘時，機器人停在距離母樹35m處，操縱機械手回轉馬達對準母樹。然后，單片機控制系統(tǒng)控制機械手大、小臂同時柔性升起達到一定高度，采摘爪張開并擺動，對準要采集的樹枝，大小臂同時運動，使采摘爪沿著樹枝生長方向趨近1.52m,然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，大小臂帶動采集爪按原路向后返回,梳下枝上球果，完成一次采摘。這種機器人效率是500kg/天，是人工的3050倍。而且，采摘時對母樹的破壞較小，采凈率高。另外，郭峰等運用彩色圖像處理技術和神經網絡理論，開發(fā)了草莓揀選機器人，采用氣動驅

7、動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學的應義斌等完成了水果自動分級機器人的研究開發(fā)。趙杰文等研究了基于HIS顏色特征的田間成熟番茄識別技術，該方法對田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識別效果。梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機械手運動學特性進行了番茄收獲機械手運動學優(yōu)化與仿真試驗，取得了較好的效果。2.2國外研究現(xiàn)狀(1) 番茄采摘機器人日本的果蔬采摘機器人研究始于1980年，Kawamura等人開展了番茄采摘機器人的研究。他們利用紅色的番茄與背景(綠色)的差別，采用機器視覺對果實進行判別，研制了番茄采摘機器人。該機器人有5個自由度，對果實實行三維定位。由于不是全自由度的機械手，操作空間受到了

8、限制，而且堅硬的機械爪容易造成果實的損傷。日本岡山大學的Kon-don等人研制的番茄采摘機器人，由機械手、末端執(zhí)行器、行走裝置、視覺系統(tǒng)和控制部分組成，用彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺系統(tǒng)，尋找和識別成熟果實。由于番茄的果實經常被葉莖遮擋，為了能夠靈活避開障礙物，采用具有冗余度的7自由度機械手。為了不損傷果實，其末端執(zhí)行器設計有2個帶有橡膠的手指和1個氣動吸嘴，把果實吸住抓緊后，利用機械手的腕關節(jié)把果實擰下。行走機構有4個車輪，能在田間自動行走，利用機器人上的光傳感器和設置在地頭土埂的反射板，可檢測是否到達土埂，到達后自動停止，轉向后再繼續(xù)前進。該番茄米摘機器人從識別到米摘完成的速度大約是1

9、5s/個，成功率在70%左右，成熟番茄未采摘的主要原因是其位置處于葉莖相對茂密的地方，機器手無法避開葉莖障礙物。因此需要在機器手的結構、采摘工作方式和避障規(guī)劃方面加以改進，以提高采摘速度和采摘成功率，降低機器人自動化收獲的成本，才可能達到實用化。(2) 葡萄采摘機器人日本岡山大學研制出了一種用于果園棚架栽培模式的葡萄收獲機器人。其機械部分是一個具有5個自由度的極坐標機械手，具有4個旋轉關節(jié)(其中腰部1個、肩部1個、腕部2個)和1個棱柱型的直動關節(jié)。這種結構使得機器人在葡萄架下行走時能夠有效地工作，旋轉關節(jié)可以用不同的速度旋轉，直動關節(jié)可以采用簡單的控制方法來獲得較高的速度。腕部的2個旋轉關節(jié)非

10、常有用，它可以保證末端執(zhí)行器水平和垂直接近葡萄，即使葡萄束傾斜也可以達到目的。而且，為了提高使用率，更換不同的末端執(zhí)行器，還可以完成噴霧、套袋和剪枝等作業(yè)。（3）草莓采摘機器人KondoN等人針對草莓越來越多采用高架栽培模式，研制出了5自由度的采摘機器人，草莓采摘機器人的視覺系統(tǒng)與番茄采摘機器人相似，末端執(zhí)行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時,3對光電開關檢測草莓的位置，視覺系統(tǒng)計算空間位置，控制機械手移動到預定位置，末端執(zhí)行器將草莓吸入；當草莓位于合適的位置時，腕關節(jié)移動，果梗進入指定位置，螺旋加速驅動切割器旋轉切斷果梗，完成采摘。綜上所述，目前果實采摘機器人的研究正在成為機器人的新興領

11、域，而采摘機器人作為農業(yè)機器人的重要應用具有很大的發(fā)展?jié)摿?。日后的果實采摘機器人的研究工作會朝著以下方向發(fā)展：1）必須能夠準確地識別和定位成熟果實，并且引導末端執(zhí)行器準確接近目標；2）研制靈巧、不傷果實的采摘機器人末端執(zhí)行器；3）米摘機器人的行走機構必須適應田間的復雜環(huán)境；4）視覺系統(tǒng)要迅速識別定位果實，控制系統(tǒng)和機械手臂系統(tǒng)必須做到迅速摘取；5）增強機器人系統(tǒng)的通用性；相信在不久的將來，在不斷克服種種技術的阻礙后，采摘機器人會更廣闊的應用于農業(yè)生產中。3、所涉及的學科領域、科學價值本研究主要涉及的學科領域為機構運動和動力分析，機構的機械設計和動力系統(tǒng)設計。利用現(xiàn)代機械設計理論和方法,例如采用

12、三維實體造型技術、虛擬樣機技術和優(yōu)化理論等可以大大縮短設計周期，而且可以進行機構的運動學和動力學仿真，優(yōu)化機器人結構。機器人動力系統(tǒng)的設計和執(zhí)行元件的選型。綜合運用所學的機械設計理論，作圖軟件和分析軟件，培養(yǎng)學生解決實際問題的綜合能力，培養(yǎng)解決科學問題的一般方法。（二）研究目標、主要內容、主要方法、擬解決的關鍵問題、預期目標及其研究成果和形式1、研究目標（1）設計果實采摘機器人的采摘機構；（2）設計果實采摘機器人的動力系統(tǒng)；2、主要研究內容和方法機械結構直接決定機器人運動的靈活性和控制的復雜性。采摘機器人必須緊湊，行走、轉彎靈活。當前，大部分的采摘機器人借用的工業(yè)機械手，體積較大，成本高。在滿

13、足機器人性能的前提下，設計簡單、緊湊、輕巧，而且運動平穩(wěn)和靈活避障的機械手，是必須解決的問題。同時，現(xiàn)代機械設計理論和方法也使問題的解決成為可能。例如，采用三維實體造型技術、虛擬樣機技術和優(yōu)化理論等可以大大縮短設計周期，而且可以進行機構的運動學和動力學仿真，優(yōu)化機器人結構。1）米摘機構主要由夾持機構、氣動系統(tǒng)、切割裝置、傳感控制系統(tǒng)四部分組成。設計的手指內部輪廓與球形果輪廓相擬和并在其表面先覆有一定厚度的海綿材料，再用橡膠材料進行包裹，這樣避免了在抓握球形果擦傷果實，同時增加了抓牢球形果所需的摩擦力。對采摘機構的要求： 智能化程度高，保證米摘率和成功率。 要求控制好末端執(zhí)行器的成本，能使廣大用

14、戶接受。 在保證智能化的同時降低控制系統(tǒng)的復雜性，利于農民操作。 要求機構在保證精巧的同時其可靠性、強度要高。 提高通用性，使一種末端執(zhí)行器能采摘多種水果。2）動力裝置通常，機械臂關節(jié)驅動電機有交流伺服電機、直流伺服電機和步進電機三種類型，其中，步進電機不適合用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，所以不予一考慮，而交流伺服電機與直流伺服電機有如下優(yōu)點：交流電機：結構簡單、運行可靠、維修方便、外形尺寸小。能在重載下高速運行、加速性能好、能實現(xiàn)動態(tài)控制。直流電機：1、調速性能好，調速范圍廣，易于平滑調節(jié)2、啟動、制動轉矩大，易于快速啟動、停車。3、易于控制根據設計要就，可以選擇直流電機或交流電機3、擬解決的關鍵問題1

15、）調研目前果實采摘機的運動機理，利用機構動力學原理，分析各種可行傳動方案確定采摘機器人的傳動路線，確定動力源參數(shù)。2）利用CAD、CAE技術進行虛擬樣機裝配，檢查干涉；優(yōu)化各零件參數(shù)。4、預期目標設計出符合要求的機械裝置及控制系統(tǒng)，繪制出整機的結構圖、核心零件的零件圖、系統(tǒng)工作原理圖、控制系統(tǒng)流程圖、完成裝配圖。（三）研究的進度安排2015.12015.3:查閱有關文獻，了解果實采摘機器人國內外研究現(xiàn)狀；2015.2015.5:詳細運動方案設計，論證分析，確定最佳方案；2015.2015.8:設計機械手裝置結構并確定其參數(shù)，繪制機械手裝置相關圖紙；2015.92015.11:確定電機參數(shù)，前期

16、檢查，進行總體設計；2015.112015.12:設計圖、設計說明書整理、修改完善。整理資料，準備結題。（四）研究工作已有基礎條件1、已經學習了機械制造基礎機械設計基礎等專業(yè)基礎課，掌握了四自由度機構運動的一般原理，了解常用傳動部件的特點，自學了機電一體化概論和機構仿真分析軟件，已經查閱了有關采摘機器手的國內外文獻，對本項目所涉及的機構分析方法和作圖方法有一定的了解。2、本項目所涉及的機械設計，傳感器選型和控制系統(tǒng)設計的部分內容，我們可以請教有豐富科研經驗的我院老師，機電學院擁有的機械虛擬綜合測試系統(tǒng)（INV306測試儀、DASP測試分析系統(tǒng)）、單片機測控實驗室，PLC試驗臺為本項目的順利實施提供了有利的實驗條件。8三、申請資助金額和經費預算項目經費資金總額及來源（單位：元）共計（元）申請學校資助（元）院系配套資金（元）自籌經費（元）200015000500預算支出科目支出金額（元）預算根據及理由1.調研費5002圖書、資料費4003實驗材料費5004測試、分析費3005.復印、打印費2006其它100四、指導教師簡況及工作姓名性別女民族漢族黨派年齡最終學歷學位碩士職稱職務無從事專業(yè)機械制造及自動化研究方向機械裝備自動控制所在院系機械工程系電話通訊地址機電學院機械系電子信箱指導教師對課題設計的評價及指導工作方案：該組冋學