畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題論證審批表 學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) 年級(jí)專業(yè)及班級(jí) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化（7）班 指導(dǎo)教師及職稱 開題時(shí)間 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目 山茶采摘機(jī)械人總體設(shè)計(jì) 文獻(xiàn)綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻(xiàn)等）（宋體五號(hào)，行間距單倍行距。） 研究意義 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人集成了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)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(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向。21世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要?dú)v史時(shí)期。我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和塵產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時(shí)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(dòng)化和機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代的美國(1968 年)， 采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式， 其缺點(diǎn)是果實(shí)易損， 效率不高， 特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，隨著電子技術(shù)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(dá)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(jī)器人的研究上做了大量的工作，試驗(yàn)成功 了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人，如番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、 黃瓜收獲機(jī)器人、西瓜收獲機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人等。 1 機(jī)器人可能成為美國農(nóng)場(chǎng)的重要組成部分 由于美國政府采取了更加嚴(yán)格的邊境管理政策， 一些依靠外來移民勞動(dòng)力的 農(nóng)場(chǎng)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(jī)器人。 此類機(jī)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(jī)器人正處 于全面發(fā)展時(shí)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(jī)器人技術(shù)發(fā)明者德里克莫里卡瓦認(rèn)為： 新采摘機(jī)器人要依 靠先進(jìn)的運(yùn)算能力和液壓技術(shù)，使機(jī)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(jī)器能夠識(shí)別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜。方法就 是將一臺(tái)機(jī)械化掃描機(jī)器送入果園。 裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機(jī)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(tái)采摘機(jī)器人按照這些畫面， 使用他們的長機(jī)械臂仔細(xì)地采集成熟了的水果。 加州柑橘研究委員會(huì)和華盛頓蘋果委員會(huì)合作開發(fā)一種水果采摘機(jī)器人。 上 個(gè)月研究人員對(duì)原型機(jī)進(jìn)行了檢測(cè)， 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(gè)葡萄酒專家小組正在研制一種自動(dòng)采 摘機(jī)器人，目的是使葡萄酒業(yè)實(shí)現(xiàn)更多的機(jī)械化。該新技術(shù)包括一種稱之為近紅 外線分光計(jì)的裝置，它可以在采摘之前檢測(cè)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(jī)器人可以使用這些地圖進(jìn)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(lán)德公司銷售能夠部分自動(dòng)使用帶狀鋸或 水刀的機(jī)器人,機(jī)器人從地面收割萵苣，并將萵苣進(jìn)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(lán)德公司開發(fā)的一種新機(jī)器 模型已接近完工，這種新機(jī)器人可以采摘、清洗、取心和對(duì)萵苣和其他綠色蔬菜 進(jìn)行打包。 2 日本的果蔬采摘機(jī)器人 自 1983 年第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)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(xiàng)研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、 西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。目前，日本在水果采摘機(jī)器人領(lǐng)域中研究頗豐，其研 究出的采摘機(jī)器人主要有以下幾類。 2.1 西紅柿采摘機(jī)器人 日本 Kondo—N 等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視 覺傳感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成。西紅柿一簇可長 4-6 個(gè)果實(shí)，各個(gè)果實(shí)不一定是同 時(shí)成熟，并且果實(shí)有時(shí)被葉莖擋住，收獲時(shí)要求機(jī)械手活動(dòng)范圍大，能避開障礙 物，所以機(jī)器人的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)成具有 7 自由度，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn) 行采摘。末端執(zhí)行器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤組成；視覺傳感器主要由彩色攝 像機(jī)來尋找和識(shí)別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位；移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用 4 輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動(dòng)行走。采摘時(shí)，移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一定的距離后，就進(jìn)行圖 像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測(cè)出果實(shí)相對(duì)機(jī)械手坐標(biāo)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(jī)械手靠近并摘取果實(shí)，吸盤把果實(shí) 吸住后，機(jī)械手指抓住果實(shí)，然后通過機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。 2.2 草莓采摘機(jī)器人 Kondo-N 等人還針對(duì)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(jī)器人。高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來越多地采用。 該機(jī)器人采用 5 自由度采摘機(jī)械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)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(shí)，由視覺系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間 位置，接著采摘機(jī)械手移動(dòng)到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器向下移動(dòng)直到把草莓吸入； 由 3 對(duì)光電開關(guān)檢測(cè)草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí)，腕關(guān)節(jié)移動(dòng)，果梗 進(jìn)入指定位置，由螺旋加速驅(qū)動(dòng)切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。 2.3 黃瓜采摘機(jī)器人 黃瓜采摘機(jī)器人，采用 6 自由度的機(jī)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(jī)械化采摘而設(shè)計(jì)。黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè)，便于黃瓜與 莖葉分離，使檢測(cè)與采摘更容易。在攝像機(jī)前加了濾波片，根據(jù)黃瓜的光譜反射 特性來識(shí)別黃瓜。其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測(cè)器、切割器和機(jī)械手指。采摘時(shí) 由機(jī)械手指抓住黃瓜后，果梗探測(cè)器尋找果梗，然后切割器切斷果梗。 2.4 功能葡萄采摘機(jī)器人 葡萄采摘機(jī)器人采用 5 自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手， 末端的臂可以在葡萄架下水 平勻速運(yùn)動(dòng)。視覺傳感器一般采用彩色攝像機(jī)，采用 PSD 三維視覺傳感器效果更 好些，可以檢測(cè)成熟果實(shí)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(jī)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(jī)械手末端的噴嘴等。 用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀，采摘時(shí)，用機(jī)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(jī)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(jī)器人。目前，果蔬采摘機(jī)器人的智能水平還很有限，離實(shí)用化 和商品化還有一定的距離。主要存在的問題，一是果實(shí)的識(shí)別率和采摘率不高， 損傷率較高；二是果實(shí)的平均采摘周期較長；三是采摘機(jī)器人制造成本較高；隨 著傳感器及計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的發(fā)展， 果蔬采摘機(jī)器人的研究還需在以下幾個(gè)方 面進(jìn)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(cè)出所 有成熟果實(shí)， 精確對(duì)其定位； 二是提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)柔性和靈巧性， 成功避障，提高采摘的成功率，降低果實(shí)的損傷率；三是要提高采摘機(jī)器人的通 用性，提高機(jī)器人的利用率。 3 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)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(jī)器 2 人。該研究在荷蘭 2 hm 的溫室里進(jìn)行，黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)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(jī)器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí)， 并探測(cè)它的位置。機(jī)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(jī)械手安裝在行走車上，行走車為 機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。機(jī)械手有 7 個(gè)自由度，采用三菱公司 (Mitsubishi) RV—E26 自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度。 收獲后黃瓜的運(yùn)輸由一個(gè)裝有可卸集裝箱的自走運(yùn)輸車完成。 整個(gè)系統(tǒng)無人工干 預(yù)就能在溫室工作。試驗(yàn)結(jié)果為工作速度 10 s/根，在實(shí)驗(yàn)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(jī)器人 英國 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可以自動(dòng)測(cè)量蘑菇的位置、 大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括 2 個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和 1 個(gè)步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)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(gè)/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(jī) 器手姿態(tài)動(dòng)作來提高成功率和采用多個(gè)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(jìn)展 在國內(nèi)，果蔬采摘機(jī)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(jī)器人，主要由 5 自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片 機(jī)控制系統(tǒng)組成。采摘時(shí)機(jī)器人停在距離母樹 3～5m，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)準(zhǔn) 母樹。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度， 采摘爪張開并擺動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng)，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(dòng)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(jī)器人效率是 500 kg/天，是人工 的 30～50 倍。而且，采摘時(shí)對(duì)母樹的破壞較小，采凈率高。 圖 3 林木球果采摘機(jī)器人原理圖 另外，郭峰等運(yùn)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(jī)器 人，采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等完成了水 果自動(dòng)分級(jí)機(jī)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(shí)別技術(shù)，該方法對(duì)田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識(shí)別效果。 梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng) 學(xué)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)，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(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航研究進(jìn)展[J].機(jī)器人,1997,19(6): 468- 478. [2] 方建軍. 采摘機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005,36(5):83-86. [3] 岡本嗣男. 生物農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人[M ].北京:科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,1994. [4] 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版社, 2000,76. [5] 張茂.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008. [6] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:滑雪工業(yè)出版社,1977. [7] 求是科技.8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊(cè).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(hào)，行間距單倍行距） 研究目的： “山茶采摘平臺(tái)設(shè)計(jì)研究”設(shè)計(jì)的目的是采摘山茶過程中減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。課題要求設(shè)計(jì)山茶采摘平臺(tái)，目的是減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容： [1] 采摘平臺(tái)的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求結(jié)合山茶生長區(qū)的地域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合于該地形行走的底盤結(jié)構(gòu)，并且具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。 [2] 采摘平臺(tái)的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求結(jié)合山茶樹的外形尺寸特征，設(shè)計(jì)具有一定行程的升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采摘平臺(tái)的上升與下降，以達(dá)到方便采摘山茶的目的。 [3] 采摘平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 結(jié)合各單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)動(dòng)作的控制。 研究內(nèi)容： 設(shè)計(jì)并制作山茶采摘平臺(tái)行走控制系統(tǒng)，能夠提高摘茶的效率，對(duì)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(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 包括平臺(tái)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，平臺(tái)主要由槽鋼焊接而成，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn) 向系統(tǒng)可以由電機(jī)轉(zhuǎn)向。 [2] 導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí)現(xiàn) [3] CAN總線設(shè)計(jì) 為了實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(shí)驗(yàn) 評(píng)估研究的可行性，和可操作性。 研究方法： 以實(shí)驗(yàn)法為主，輔以比較研究法、經(jīng)驗(yàn)法及查閱文獻(xiàn)資料等方法。 充分借用學(xué)校的電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室有關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所需的儀器和工具，完成采摘平臺(tái)機(jī)械實(shí)物模型；采用其相關(guān)設(shè)備儀器進(jìn)行印制電路板的制作和測(cè)試，完成控制系統(tǒng)；向老師或他人請(qǐng)教，借鑒其專業(yè)知識(shí)或豐富的經(jīng)驗(yàn)來完善設(shè)計(jì)；查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及設(shè)計(jì)手冊(cè)來保障畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成。 預(yù)期成果： [1] 完成采摘平臺(tái)實(shí)物模型。 [2] 完成1.5萬字的設(shè)計(jì)說明書。 [3] 提供系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)圖一張（2號(hào)圖紙）。 [4] 按機(jī)械設(shè)計(jì)要求提供對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖。 條件保障： [1] 掌握扎實(shí)的專業(yè)知識(shí)，熟知與本課題相關(guān)的課外知識(shí)； [2] 具備獨(dú)立查閱資料獲取有效信息的能力； [3] 具備動(dòng)手實(shí)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(shí)驗(yàn)室； [5] 指導(dǎo)老師的專業(yè)指導(dǎo)。 時(shí)間進(jìn)程安排（各研究環(huán)節(jié)的時(shí)間安排、實(shí)施進(jìn)度、完成程度等）（宋體五號(hào)，行間距單倍行距） 2011.09.15 - 2011.09.19 選題 2011.09.20 - 2011.09.21 下達(dá)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(jì)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試 2012.03.01 - 2012.03.30 系統(tǒng)調(diào)試、結(jié)果分析、制作實(shí)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(píng)閱、專業(yè)委員會(huì)評(píng)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(huì)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(zé)任人親筆填寫。專業(yè)名稱必須是全稱，例如“會(huì)計(jì)學(xué)專業(yè)”，班序號(hào)用阿拉伯?dāng)?shù)字“1”、“2”標(biāo)注。此表如不夠填寫，可另加頁。