畢業(yè)論文（設(shè)計）開題論證審批表 學(xué)生姓名 學(xué)號 年級專業(yè)及班級 機械設(shè)計制造及其自動化（7）班 指導(dǎo)教師及職稱 開題時間 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）題目 山茶采摘機械人總體設(shè)計 文獻綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻等）（宋體五號，行間距單倍行距。） 研究意義 機器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現(xiàn)。機器人集成了計算機、控制論、機構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當前科技研究的熱點方向。21世紀是農(nóng)業(yè)機械化向智能化方向發(fā)展的重要歷史時期。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，要實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢。隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機器人已逐步進入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。采摘機器人作為農(nóng)業(yè)機器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動強度和塵產(chǎn)費用、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實適時采收，岡而具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 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。從 20 世紀 80 年代中期開始，隨著電子技術(shù)和 計算機技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機器人技術(shù)、計算機圖像處理技術(shù)和人工智能技 術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達國家，包括荷蘭、美國、法國、英國、 以色列、西班牙等國家，在收獲采摘機器人的研究上做了大量的工作，試驗成功 了多種具有人工智能的收獲采摘機器人，如番茄采摘機器人、葡萄采摘機器人、 黃瓜收獲機器人、西瓜收獲機器人、甘藍采摘機器人和蘑菇采摘機器人等。 1 機器人可能成為美國農(nóng)場的重要組成部分 由于美國政府采取了更加嚴格的邊境管理政策， 一些依靠外來移民勞動力的 農(nóng)場主正將他們的視野轉(zhuǎn)向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機器人。 此類機器人可 以從事從采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作。 目前這類機器人正處 于全面發(fā)展時期，將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具，目前這些工作仍由手 工完成。 圣地亞哥視覺機器人技術(shù)發(fā)明者德里克莫里卡瓦認為： 新采摘機器人要依 靠先進的運算能力和液壓技術(shù)，使機器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能 力?，F(xiàn)代成像技術(shù)同樣也使機器能夠識別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜。方法就 是將一臺機械化掃描機器送入果園。 裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機器人能夠生成 一張三維地圖，顯示位置、成熟度和水果質(zhì)量。一臺采摘機器人按照這些畫面， 使用他們的長機械臂仔細地采集成熟了的水果。 加州柑橘研究委員會和華盛頓蘋果委員會合作開發(fā)一種水果采摘機器人。 上 個月研究人員對原型機進行了檢測， 但是距離真正的廣泛商業(yè)應(yīng)用還有很長的路 要走。 另外， 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校一個葡萄酒專家小組正在研制一種自動采 摘機器人，目的是使葡萄酒業(yè)實現(xiàn)更多的機械化。該新技術(shù)包括一種稱之為近紅 外線分光計的裝置，它可以在采摘之前檢測葡萄樣品中的糖含量和化學(xué)成分。然 后利用這些數(shù)據(jù)繪制一幅全球定位系統(tǒng)地圖， 收割機器人可以使用這些地圖進行 導(dǎo)航，在葡萄園中采摘特定的理想成熟葡萄串。 位于薩利納斯山谷的拉姆齊黑藍德公司銷售能夠部分自動使用帶狀鋸或 水刀的機器人,機器人從地面收割萵苣，并將萵苣進行裝箱，以便清洗和加工。 該公司首席執(zhí)行官弗蘭克梅肯納奇稱， 拉姆齊黑藍德公司開發(fā)的一種新機器 模型已接近完工，這種新機器人可以采摘、清洗、取心和對萵苣和其他綠色蔬菜 進行打包。 2 日本的果蔬采摘機器人 自 1983 年第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和 開發(fā)歷經(jīng) 20 多年，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、 西瓜和葡萄等智能機器人。目前，日本在水果采摘機器人領(lǐng)域中研究頗豐，其研 究出的采摘機器人主要有以下幾類。 2.1 西紅柿采摘機器人 日本 Kondo—N 等人研制的西紅柿收獲機器人，由機械手、末端執(zhí)行器、視 覺傳感器和移動機構(gòu)等組成。西紅柿一簇可長 4-6 個果實，各個果實不一定是同 時成熟，并且果實有時被葉莖擋住，收獲時要求機械手活動范圍大，能避開障礙 物，所以機器人的采摘機械手設(shè)計成具有 7 自由度，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進 行采摘。末端執(zhí)行器由兩個機械手指和一個吸盤組成；視覺傳感器主要由彩色攝 像機來尋找和識別成熟果實，利用雙目視覺方法對目標進行定位；移動機構(gòu)采用 4 輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動行走。采摘時，移動機構(gòu)行走一定的距離后，就進行圖 像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測出果實相對機械手坐標系的位置信息，判斷西紅柿是 否在收獲的范圍之內(nèi)，若可以收獲，則控制機械手靠近并摘取果實，吸盤把果實 吸住后，機械手指抓住果實，然后通過機械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實。 2.2 草莓采摘機器人 Kondo-N 等人還針對草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和傳統(tǒng)模式)研制 出了相應(yīng)的采摘機器人。高架栽培模式由于適合機器人作業(yè)被越來越多地采用。 該機器人采用 5 自由度采摘機械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機器人類似，末端執(zhí) 行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，由視覺系統(tǒng)計算采摘目標的空間 位置，接著采摘機械手移動到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器向下移動直到把草莓吸入； 由 3 對光電開關(guān)檢測草莓的位置，當草莓位于合適的位置時，腕關(guān)節(jié)移動，果梗 進入指定位置，由螺旋加速驅(qū)動切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。 2.3 黃瓜采摘機器人 黃瓜采摘機器人，采用 6 自由度的機械手，能在傾斜棚支架下工作，這種支 架栽培方式是專門為機械化采摘而設(shè)計。黃瓜果實在傾斜棚的下側(cè)，便于黃瓜與 莖葉分離，使檢測與采摘更容易。在攝像機前加了濾波片，根據(jù)黃瓜的光譜反射 特性來識別黃瓜。其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測器、切割器和機械手指。采摘時 由機械手指抓住黃瓜后，果梗探測器尋找果梗，然后切割器切斷果梗。 2.4 功能葡萄采摘機器人 葡萄采摘機器人采用 5 自由度的極坐標機械手， 末端的臂可以在葡萄架下水 平勻速運動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機，采用 PSD 三維視覺傳感器效果更 好些，可以檢測成熟果實及其距離信息的三維信息。在開放式的種植方式下，由 于采摘季節(jié)太短，單一的采摘功能使得機器人的使用效率太低，因此開發(fā)了多種 末端執(zhí)行器，如分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器、裝在機械手末端的噴嘴等。 用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機械手指和剪刀，采摘時，用機械手指抓住果房， 用剪刀剪斷穗柄。 除了以上介紹的幾種類型的采摘機器人，日本還開發(fā)了用于柑橘采摘、蘑菇 和西瓜收獲等的機器人。目前，果蔬采摘機器人的智能水平還很有限，離實用化 和商品化還有一定的距離。主要存在的問題，一是果實的識別率和采摘率不高， 損傷率較高；二是果實的平均采摘周期較長；三是采摘機器人制造成本較高；隨 著傳感器及計算機視覺等技術(shù)的發(fā)展， 果蔬采摘機器人的研究還需在以下幾個方 面進行努力：一是要找到一種可靠性好、精度高的視覺系統(tǒng)技術(shù)，能夠檢測出所 有成熟果實， 精確對其定位； 二是提高機械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計柔性和靈巧性， 成功避障，提高采摘的成功率，降低果實的損傷率；三是要提高采摘機器人的通 用性，提高機器人的利用率。 3 荷蘭的黃瓜采摘機器人 1996 年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(MAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機器 2 人。該研究在荷蘭 2 hm 的溫室里進行，黃瓜按照標準的園藝技術(shù)種植并把它 培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實， 并探測它的位置。機械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。采摘通過 末端執(zhí)行器來完成，它由手爪和切割器構(gòu)成。機械手安裝在行走車上，行走車為 機械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。機械手有 7 個自由度，采用三菱公司 (Mitsubishi) RV—E26 自由度機械手，另外在底座增加了一個線性滑動自由度。 收獲后黃瓜的運輸由一個裝有可卸集裝箱的自走運輸車完成。 整個系統(tǒng)無人工干 預(yù)就能在溫室工作。試驗結(jié)果為工作速度 10 s/根，在實驗室中效果良好，但由 于制造成本和適應(yīng)性的制約，還不能滿足商用的要求。 4 英國的蘑菇采摘機器人 英國 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機器人，它可以自動測量蘑菇的位置、 大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機械手包括 2 個氣動移動關(guān)節(jié)和 1 個步進電 機驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器；視覺傳感器采用 TV 攝 像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在 75% 左右，采摘 速度為 617 個/s，生長傾斜是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機 器手姿態(tài)動作來提高成功率和采用多個末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問 題。 5 國內(nèi)研究進展 在國內(nèi)，果蔬采摘機器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)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(gòu)、液壓驅(qū)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 3～5m，操縱機械手回轉(zhuǎn)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 1.5～2m，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 500 kg/天，是人工 的 30～50 倍。而且，采摘時對母樹的破壞較小，采凈率高。 圖 3 林木球果采摘機器人原理圖 另外，郭峰等運用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機器 人，采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學(xué)的應(yīng)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(shù)，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(xué)特性進行了番茄收獲機械手運動 學(xué)優(yōu)化與仿真試驗，取得了較好的效果。 主要參考資料 [1] 馮建農(nóng), 柳明. 自主移動機器人智能導(dǎo)航研究進展[J].機器人,1997,19(6): 468- 478. [2] 方建軍. 采摘機器人開放式控制系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報, 2005,36(5):83-86. [3] 岡本嗣男. 生物農(nóng)業(yè)智能機器人[M ].北京:科學(xué)技術(shù)文獻出版社,1994. [4] 蔡自興. 機器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2000,76. [5] 張茂.機械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機械工業(yè)出版社，2008. [6] 成大先.機械設(shè)計手冊[M].北京:滑雪工業(yè)出版社,1977. [7] 求是科技.8051系列單片機C程序設(shè)計完全手冊.人民郵電出版社，2006. 研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預(yù)期成果、條件保障等）（宋體五號，行間距單倍行距） 研究目的： “山茶采摘平臺設(shè)計研究”設(shè)計的目的是采摘山茶過程中減輕人工的勞動強度，提高工作效率。課題要求設(shè)計山茶采摘平臺，目的是減輕人工的勞動強度，提高工作效率。系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容： [1] 采摘平臺的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計 要求結(jié)合山茶生長區(qū)的地域特點，設(shè)計適合于該地形行走的底盤結(jié)構(gòu)，并且具有較強的負載能力。 [2] 采摘平臺的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 要求結(jié)合山茶樹的外形尺寸特征，設(shè)計具有一定行程的升降系統(tǒng)，實現(xiàn)采摘平臺的上升與下降，以達到方便采摘山茶的目的。 [3] 采摘平臺的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 結(jié)合各單元的機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計對應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)實現(xiàn)對相應(yīng)動作的控制。 研究內(nèi)容： 設(shè)計并制作山茶采摘平臺行走控制系統(tǒng)，能夠提高摘茶的效率，對茶葉的生產(chǎn)起到積極意義，其主要研究內(nèi)容有以下。 [1] 機械子系統(tǒng)的設(shè)計 包括平臺系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，平臺主要由槽鋼焊接而成，由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)可以由電機轉(zhuǎn)向。 [2] 導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計 控制器的輸出路徑跟蹤控制主要是通過控制輪胎的轉(zhuǎn)角來實現(xiàn) [3] CAN總線設(shè)計 為了實現(xiàn)平臺控制部件的智能化合控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。 [4] 轉(zhuǎn)向控制和智能控制系統(tǒng)研究 盡量減少偏差和誤差。 {5} 行走實驗 評估研究的可行性，和可操作性。 研究方法： 以實驗法為主，輔以比較研究法、經(jīng)驗法及查閱文獻資料等方法。 充分借用學(xué)校的電子創(chuàng)新實驗室和相關(guān)實驗室，運用實驗室有關(guān)的機械結(jié)構(gòu)所需的儀器和工具，完成采摘平臺機械實物模型；采用其相關(guān)設(shè)備儀器進行印制電路板的制作和測試，完成控制系統(tǒng)；向老師或他人請教，借鑒其專業(yè)知識或豐富的經(jīng)驗來完善設(shè)計；查閱相關(guān)的文獻資料以及設(shè)計手冊來保障畢業(yè)設(shè)計的順利完成。 預(yù)期成果： [1] 完成采摘平臺實物模型。 [2] 完成1.5萬字的設(shè)計說明書。 [3] 提供系統(tǒng)電氣設(shè)計圖一張（2號圖紙）。 [4] 按機械設(shè)計要求提供對應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)原理圖。 條件保障： [1] 掌握扎實的專業(yè)知識，熟知與本課題相關(guān)的課外知識； [2] 具備獨立查閱資料獲取有效信息的能力； [3] 具備動手實踐以及創(chuàng)新的能力； [4] 學(xué)校設(shè)備齊全的電子創(chuàng)新實驗室； [5] 指導(dǎo)老師的專業(yè)指導(dǎo)。 時間進程安排（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等）（宋體五號，行間距單倍行距） 2011.09.15 - 2011.09.19 選題 2011.09.20 - 2011.09.21 下達任務(wù)書 2011.09.22 –2011.09.26 開題論證 2011.09.27 –2011.10.31 調(diào)研、收集整理資料、制定方案 2011.11.01 - 2012.02.29 系統(tǒng)分析與設(shè)計、實驗、調(diào)試 2012.03.01 - 2012.03.30 系統(tǒng)調(diào)試、結(jié)果分析、制作實物模型、中期考核 2012.04.01 - 2012.05.05 總結(jié)完善課題、撰寫論文初稿、修改定稿、打印 2012.05.06 - 2012.05.12 指導(dǎo)教師評閱、專業(yè)委員會評閱 2012.05.13 - 2012.05.20 答辯與修改 開題論證小組意見 組長簽名： 年 月 日 專業(yè)委員會意見 專業(yè)教研室主任簽名： 年 月 日 注：此表意見欄必須由相應(yīng)責任人親筆填寫。專業(yè)名稱必須是全稱，例如“會計學(xué)專業(yè)”，班序號用阿拉伯數(shù)字“1”、“2”標注。此表如不夠填寫，可另加頁。