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苗間鋤草機(jī)器人設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)開題報(bào)告

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1、 1 研究目的意義 1.1 研究目的 隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)急需發(fā)展,各種人工的生產(chǎn)已經(jīng)不能滿足需要。除草機(jī)器人的研究,這其中機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和圖像識(shí)別又是比較關(guān)鍵的技術(shù),以及除草方法的不斷改進(jìn)更使效率大大提高。相信隨著我國對(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的高度重視,我國在農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的研究領(lǐng)域會(huì)取得重大的突破。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力家大大提高。 1.2 研究意義 農(nóng)田雜草直接

2、與莊稼爭奪營養(yǎng)、水分和陽光,影響作物生長,減少作物產(chǎn)量。人工除草勞動(dòng)強(qiáng)度大,效率低,使用除草劑,可有效抑制雜草,但污染環(huán)境。開發(fā)高效地去除雜草、降低以致消除生態(tài)污染的自動(dòng)化除草機(jī)器人十分必要,從長遠(yuǎn)來看,將具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。 力圖使得農(nóng)田除草工作主要由機(jī)器人來完成,高效、自動(dòng),減少人們的煩瑣勞動(dòng);有選擇地、精確地施用除草劑,避免傷及作物;與傳統(tǒng)的噴霧施藥方法相比,大幅減少除草劑的用量,保護(hù)了環(huán)境。 農(nóng)業(yè)機(jī)器人的發(fā)展,特別是除草機(jī)器人的發(fā)展是我們國家農(nóng)業(yè)高效產(chǎn)業(yè)化走向更多的土地,從各種角度將我們都有很大的動(dòng)力和空間把我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展的更加現(xiàn)代化,除草機(jī)器人,將會(huì)更加科學(xué)。

3、2 研究的現(xiàn)狀、基本內(nèi)容及方案 2.1 研究現(xiàn)狀 2.1.1 國外研究現(xiàn)狀 目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究主要涉及機(jī)器人田間的自主導(dǎo)航和作業(yè)目標(biāo)的識(shí)別、定位、作業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。對(duì)于前者,研究的重點(diǎn)在于信息獲取以及作業(yè)規(guī)劃與自治控制方面,或可粗略地稱為行走系列機(jī)器人,如:田間耕耘、農(nóng)田信息采集機(jī)器人等。后者則著重于模式分類以及操作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制等,或稱機(jī)械手系列機(jī)器人,如:果蔬采摘、品質(zhì)測定、水果分揀、蔬菜嫁接機(jī)器人等。兩者相輔相成,互相滲透,根據(jù)農(nóng)作活動(dòng)的差異,各有側(cè)重。 美國伊利諾依大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系研究了應(yīng)用機(jī)器視覺系統(tǒng)采集和計(jì)算雜草分布特性,進(jìn)行施用量決策并控制

4、噴頭工作的智能噴霧機(jī)。該系統(tǒng)能在3.7米×0.43米范圍內(nèi)分辨出作物、雜草和土壤,并在O.24秒內(nèi)做出噴霧決策。這樣噴霧機(jī)能以14千米/小時(shí)的速度行進(jìn),目標(biāo)分辨準(zhǔn)確率為91%。 澳大利亞科研人員研發(fā)出一種智能化農(nóng)田施藥機(jī)械,它在田間移動(dòng)時(shí),能借助專門的電子傳感器來區(qū)分莊稼和雜草,一旦發(fā)現(xiàn)雜草便噴灑除草劑。這種只針對(duì)雜草的噴灑方式使除草劑的花費(fèi)只有常規(guī)噴灑的l/lO,甚至更低,不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本,還減少了對(duì)環(huán)境的污染。 2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 除草機(jī)器人可以代替人類進(jìn)行除草活動(dòng),減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度,也可以減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)量,提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動(dòng)化和智能化。國外較

5、早開展了除草機(jī)器人研究;在國內(nèi),南京林業(yè)大學(xué)陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機(jī)器人,設(shè)計(jì)了由主體、機(jī)械臂、輪子和攝像頭組成的自動(dòng)施藥除草機(jī)器人。通過機(jī)器視覺檢測出雜草,利用機(jī)械臂進(jìn)行“直接施藥方法’’除草,大大減少了化學(xué)除草劑使用量,從而有效地減少了環(huán)境污染。 東北林業(yè)大學(xué)研制了林木球果采集機(jī)器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹,強(qiáng)度大、安全性差、生產(chǎn)率低,對(duì)母樹損傷較大的問題。 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了蔬菜自動(dòng)嫁接技術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)了幼苗的精確定位、快速抓取、良好切削,解決了蔬菜幼苗柔嫩、易損和生長不一致等難題。機(jī)器人采用獨(dú)特嫁接方法,自動(dòng)完成嫁接作業(yè),速度達(dá)600棵

6、/小時(shí),成功率95%以上。 2.2 基本內(nèi)容 (1)利用solidwork建模和機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì),確定了機(jī)械臂的工作形式,制作了與機(jī)器人本體相適應(yīng)的四關(guān)節(jié)機(jī)械臂。 (2)完成苗間鋤草機(jī)器人的模型并進(jìn)行初步模擬實(shí)驗(yàn),使機(jī)器人可以沿著幼苗前進(jìn)并基本去除其間的雜草,達(dá)成設(shè)計(jì)目的。 2.3 研究方案 (1)確定苗間鋤草機(jī)器人總體的初步設(shè)計(jì)方案。 (2)制定機(jī)械臂的初步模型。 (3)確定機(jī)器人各部分的零件選擇。 (4)基于solidwork 的三維建模,以及模型的生成。 (5)除草機(jī)器人的模擬實(shí)驗(yàn)和分析

7、 3 預(yù)期結(jié)果和創(chuàng)新點(diǎn) 本課題設(shè)計(jì)、制作了除草機(jī)械臂,初步研究了末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)。除草機(jī)器人在室內(nèi)進(jìn)行了大量的除草和導(dǎo)航試驗(yàn),試驗(yàn)表明機(jī)器人能可靠地自主行走并準(zhǔn)確地定位雜草。 具體完成了以下幾個(gè)方面的工作: (1)進(jìn)行了除草機(jī)械臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)、實(shí)物制作并著重分析其運(yùn)動(dòng)學(xué)問題,使機(jī)械臂可以可以大體上完成苗間雜草的去除。 (2)初步實(shí)現(xiàn)了除草機(jī)器人鋤草部分單片機(jī)控制系統(tǒng),制作了控制系統(tǒng)。 (3)進(jìn)行了大量機(jī)器人控制調(diào)試與試驗(yàn),證實(shí)了機(jī)械臂和機(jī)器人運(yùn)行的正確性和有效性,達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果,取得了初步的成功。 目前,國際上

8、除草機(jī)器人的研制處于初級(jí)階段,國內(nèi)尚沒有這方面的報(bào)道,本文初次研究了基于圖像識(shí)別的導(dǎo)航技術(shù)與雜草識(shí)別技術(shù)相結(jié)合的除草機(jī)器人,并制作了除草機(jī)器人樣機(jī);另外,本研究提出了在切割過程中涂抹農(nóng)藥的施藥除草新技術(shù)。 本課題的研究有下列創(chuàng)新: (1)開展了直接物理方法的除草機(jī)器人深入研究,制作了除草機(jī)器人樣機(jī),開發(fā)了有效的控制軟件,并完成了軟硬件的聯(lián)合調(diào)試,試驗(yàn)取得了成功。 (2)設(shè)計(jì)了適合完成田間除草功能的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂,并實(shí)現(xiàn)了基本的除草控制,試驗(yàn)成功。 5 參考文獻(xiàn) 1.?陳勇,侯學(xué)貴,胡娜.?除草機(jī)器人機(jī)械臂的逆向求解與控制郭偉斌[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),20

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