1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 温室采摘车的机电液一体化设计 1 引言 随着科学技术的发展，现代农业必将走上 专业化、集约化和规模化生产的发展道路。而温室采摘车就是随着其发展而诞生的产物之一。果蔬的采摘比较复杂，季节性很强，若使用人工采摘，不仅效率低、劳动量大，而且容易造成果实的损伤，如果人手不够不能及时采摘还会导致经济上的损失。使用采摘机械不仅提高采摘效率，而且降低了损伤率，节省了人工成本，提高了果农的经济效益，所以提高采摘机械化程度有重要的意义。 温室采摘机械主要有振摇式、撞击式和切割式三种类型 。振摇式是利用外力使树体或树枝发生振动或振摇，使果实产生加速度，在连结最弱处与果枝分
2、离而掉落。撞击式是撞击部件直接冲撞果枝干或敲打牵引果枝的棚架振落果实。切割式是将用刀具将树枝或果柄切断使果实与果树分离的方式，又分为机械切割式和动力切割式。 本文主要结合 课本上所学过的机电一体化、自动控制理论、液压与气压传动以及机械设计的知识来完成对该课题的设计。 2 研究意义 温室采摘机器人是一种以农产品为操作对象，兼有模拟人类智能感知和四肢行动功能 、 可重复编程的柔性自动化或者半自动化设备 。 随着工业机器人技术的高速发展，农 业机器人也随着迅速发展，它的作用可以简单归纳为以下几点 : 缓解农业劳动力的不足 ; 替代人类从事脏 、 累 、 辛苦的劳动 ; 替代人类从事机械式的单调劳动
3、; 获得高品质 、 高附加值的农产品 ; 实现植物工厂内的无菌化生产 。 所以，在未来农业生产全过程信息化中，农业机器人将起到举足轻重的作用 1 。 我国是一个农业大国，要实现农业现代化，农业装备的机械化 、 智能化是发展的必然趋势 。 随着计算机和自动控制技术的迅速发展，机器人已逐步进入到农业生产领域中 。 农业机器人不同于工业机器人，它对生产作业的要求较高，都是劳动密集型作 业，再加上季节的要求，保证收获质量就成为关键的问题 。 温室采摘作业是蔬果生产链中最耗时 、 最费力的一个环节 。 采摘作业的季节性强，劳动强度大，费用高 。 目前，国内蔬果采摘作业基本上都是靠人工完成的，采摘效率低，
4、费用占成本的比例约为 50%70%。 随着温室大面积的推广与种植，研究温室采摘车更具有重要的意义 2。 3 国外采摘机械的研究应用现状 近年来，发达国家 “农业设施 “已向 “工厂化农业 “过渡。如荷兰的计算机自控连栋大型温室。以色列的半自动连栋塑料大棚以及法国、日本等国家的封闭式循环流水鱼类养殖车间。 目前国外对采 摘机械的研究是以采摘机器人为主。在 70年代末期，随着计算机和自动控制技术的迅速发展，美国首先开始研究各种农业机器人。机器人采摘示意图草图 1所示。自 1983年第一台采摘机器人在美国诞生以来，历经了 20 多年的研究和试验，以日本为代表的发达国家，包括美国、法国、荷兰、英国、西
5、班牙等国相继试验成功了多种采摘机器人，如苹果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果实采摘的具有人工智能的机器人 34。 表一描述了部分国家的果蔬采摘机器人的研究进展。 表一 部分国家的果蔬采摘机器人的研究进展统计 国别 商业化阶段 样机阶段 研究 阶段 日本 甘蓝、葡萄、番茄、黄瓜、樱桃、西红柿 甘蓝、需茄、茄子、硝瓜、甜橙草莓 荷兰 萝卜、蘑菇 番茄、芦笋 黄瓜、葡萄 法国 葡萄、檄榄、苹果、甜橙 英国 蘑菇 定期收获水果的攀岩机器人 美国 椰菜、甜橙、柑橘 图 1 机器人采摘示意图 对于采摘机械手的设计是个难点， 日本首先是京都大学 Noboru Kawamura 等人在 80 年代中期研制了五自由
6、度关节型机械手，但这种机械手的工作空间并没有包含所有果实的位置，而且机械手末端执行器的可操作度也低。与此同时韩国研制的苹果采摘 机器人采用了极坐标机械手，旋转关节可左右移动，丝杆关节可以上下移动，从而工作空间可达 3m。机械手的模型大体如图 2所示。 20 世纪90 年代，日本岗山大学 Naoshi Kondo 等人在番茄采摘机器人上设计出了具有 7 个自由度的能够指定采摘姿态的机械手。自由度越高，其机械手的运动越灵活，计算机的也就控制越复杂。对于果蔬采摘的另一难点，机器人寻找辨位的视觉系统的设计也在 20世纪 90年代拉开了序幕，日本岗山大学 Naoshi Kondo 等人在番茄、草莓采摘机
7、器人上用彩色摄像头和图像处理卡组成的视觉识别系统来寻找和识别成熟果实，利用双目视觉方法对目标进行定位。该系统从识别到采摘完成的速度大约是 15 秒 /个，成功率在 70%左右。日本国立农业研究中心的 Murakami 等人在甘蓝、茄子采摘机器人中采用 CCD 视觉识别系统，工作中利用人工神经网络（ NN 算法）提取果实的二维图象，采用模板匹配的方法识别合格的果实。试验表明，采摘成功率为 43-62.5%，工作速度为 55-64.1秒 /个 5。综合看，影响成功率和效率的主要原因是外部因素的不确定性，如光照的不稳定、叶子的遮挡等。2007 年美国加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员 会合作研发一种
8、水果采摘机器人。设计出的机器人依靠先进的运算能力和液压技术，使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力，应用现代成像技术使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。机械手的示意图如图所示 6。 图 2 机械手的末端执行器 4 国内采摘机械发展现状 设施农业是依靠科技进步而形成的高新技术产业，是传统农业向现代农业发展的重要转折。但我国设施农业起步较晚，发展缓慢，尤其是机械化作业水平低下。与发达国家相比存在很大差距，如人均管理面积仅相当于荷兰的 1 4、日本的 1 5和美国的 1 300，而且作业质量 差，产出不尽如人意，平均单产约为荷兰的 1 3-1 47。机械化水平低成为制约我国设施农业发展的瓶
9、颈。 我国从 20 世纪 70 年代开始研究果园采摘机械，先后研制出与手扶拖拉机配套的机械振动式山楂采果机、气囊式采果器和手持电动采果器。后两者实际上还是人工作业用的辅助机械，虽然在保护果实不受损伤方面做得较好，但是其效率还是太低。 80 年代后，开始研究和制造切割型采摘器，果园采摘也从人工使用剪刀采摘发展到使用机械装置采摘。 90年代开始，市场的因素带动了果树种植的热潮，众多中小种植户的需求带动了简易采摘器的市场。 图 3 水果采摘器 其后气动剪枝机、辅助升降平台等机具相继进入了市场。国内气动剪著名厂商有台湾郁馨公司的 ST-360型气动剪。 1992 年浙江金华农机所研究了由拖拉机操作的用
10、于采摘水果的升降机，上升高度可达 7m。 2007年新疆机械研究院研制了我国第一台多功能果园作业机，即 LG-1 型多功能果园作业机。该作业机的研制成功标志着我国果园单一的采摘机械进入到了多功能作业机械时代 8。 我国对于机械手和视觉系统的研究也是目前比较重视的一块。浙江大学的梁喜凤 9等为分析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。浙江大学的应义斌等人完成了水果自动分级机器人的研究开发 10。我国农业大学将双目视觉技术运用于草莓采摘机器人上，提出利用成熟草莓轮廓信息进行 Hough变换的成熟草莓识别算法 11，运用 Bayes分类判别模型对温室黄瓜果
11、实进行模式识别与分割的算法，该算法能从自然背景中较好识别出黄瓜果实 12。该算法还可以对温室草莓，西红柿，茄子等水果蔬菜进行识别，具有较强的通用性。中国农业大学主要致力于果实采摘机器人图像识别的研究13。 果蔬采摘机器人操作者是农民，不是具有机 电知识的工程师，因此要求果蔬采摘机器人必须具有高可靠性和操作简单的特点；另外，农业生产以个体经营为主，如果价格太高，就很难普及。上述多种因素很大程度上限制了智能型的采摘机械的推广和使用。根据国情和设施农业的特点，发现目前国内农业市场急需针对日光温室、单栋大棚和小型连栋温室的植保机械的产品，比如小型采摘及运输机械。性能可靠、结构简单、价格低廉、操作灵活的
12、轻便微型化的机械装备将比智能型采摘机器人更受到普遍欢迎，有良好的市场前景和应用价值。 5 主要研究内容 结合国内外研究状况和国内市场的需求，本课题要求针对温室 立体栽培农作物，设计研制出一种小型移动式可自动连续升降的温室农作物果实收获机械。本课题的研究内容包括搜集和分析国内外有关的资料，获得可靠的设计依据制定出总体方案设计，进行主要工作性能参数的计算和主要部件的选型，根据总体设计中的设计方案，设计各个部件结构总图、零件图、总装配图等加工图纸，绘制液压系统原理图和电气控制原理图等。 设计出一种小型移动式可自动连续升降的温室农作物果实 采摘 机械。 温室采摘机器人的具体要求： 要具备可靠性好 、
13、精度高的视觉系统，以便于能够准确地识别和定位成熟的果实，并引导末端执行器灵活准确地 接近目标 。 要具备柔性和灵巧性都比较好的机械手及末端执行器，能够在作业过程中躲避障碍物，这就要求机械手具有一定的冗余度 。 由于采摘对象为温室果蔬，果实质地柔软易损伤，要求设计末端执行器时，其能准确快速地切除果实，并确保不损坏果实 。 由于作业对象分布的随机性，要求采摘机器人在运动过程中能够不断探测和判断目标，并根据要求采摘果实，这个过程中的数据处理量相当大，要求采摘机器人必须具备实时性高的控制系统，通常采用开放式结构的控制系统 。 研究采摘机器人的主要目的之一是代替人工作业，提高采摘效率；同时，还要注意保证
14、采摘的 成功率，尽量避免采摘到不成熟的果实 。 在结构设计过程中，要进行结构的运动学和动力学分析，应用优化设计的方法来设计机器人的结构，而且结构必须紧凑，以便于能够更灵活地作业 。 由于采摘机器人的操作者是农民，操作过程必须简单，而且要尽可能地降低成本，以确保更好地推广 1415。 参考文献 1 宁志超，崔天时，李广军 . 六自由度果实采摘机械手及其控制系统的设计 J. 农机化研究 ,2010(9): 111117 2 王丽丽， 郭艳玲， 王迪， 刘幻 . 果蔬采摘机器人研究综述 林业机械与木工设备 2009年 1月第 1期 37卷 ： 1016 3 宋健，张铁中，徐丽明等果蔬采摘机器人研究进
15、展与展望 J农业机械学报， 2006，37(5)： 158162 4 冈本嗣男生物农业智能机器人 M北京：科学技术文献出版社， 1994 5 姜丽萍，陈树人果实采摘机器人研究综述 J农业装备技术， 2006, 32(1)： 810 6 E.J. VAN HENTEN, J. HEMMING, B.A.J. VAN TUIJL, J.G. KORNET, J. MEULEMAN, J. BONTSEMA AND E.A. VAN OS Autonomous Robots 13, 2411258, 2002 7 刘西宁，朱海涛，巴合提牧神 LG-1 型多功能果园作业机的研制 J新疆农机化， 200
16、9，(1) ： 4244 8 陈国辉，郭艳玲，朱文龙温室发展现状及我国温室要解决的主要问题林业机械与木工设备 2004， 32(2)： 1l112 9 梁喜风，苗香雯，崔纠荣需茄收获机械手运动学优化与仿真试验农业机械学报 2005，35(7)： 122124 10 梁喜风，王永维 ，苗香雯番茄收获机械手 ：作空间分析与仿真浙江人学学报 (农业与生命科学版 ) 2005， 31(6)： 807181l 11 谢忠勇，张铁中基于 Hough变换的成熟草莓识别算法农业机械学报 2007， (4) 12 袁国勇，张铁中利用 Bayes分类判别模型对温室黄瓜果实的模式识别与分割农机化研究 2006， (7) 13 白衫农林业机器人林业没备与木工设备 2003， 3l(2)： 419 14 徐丽明 .果蔬果实收获机器人的研究现状及关键问题和对策 J .农业工程学报， 2004，20（ 5）： 38142. 15 方建军 .移动式采摘机器人的研究现状与进展 J .农业工程学报， 2004，（ 2）：2731278.2
