苗間鋤草機器人設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計開題報告

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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。除草機器人的研究，這其中機器人機械臂的運動學分析和圖像識別又是比較關(guān)鍵的技術(shù)，以及除草方法的不斷改進更使效率大大提高。相信隨著我國對對農(nóng)業(yè)機器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機器人的研究領(lǐng)域會取得重大的突破。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。人工除草勞動強度大，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)污染的自動化除草機器人十分必要，從長遠來看，將具有很高的經(jīng)濟效益。 力圖使得農(nóng)田除草工作主要由機器人來完成，高效、自動，減少人們的煩瑣勞動；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，保護了環(huán)境。 農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，特別是除草機器人的發(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，除草機器人，將會更加科學。

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)機器人的研究主要涉及機器人田間的自主導(dǎo)航和作業(yè)目標的識別、定位、作業(yè)機構(gòu)設(shè)計兩方面。對于前者，研究的重點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器人，如：田間耕耘、農(nóng)田信息采集機器人等。后者則著重于模式分類以及操作結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制等，或稱機械手系列機器人，如：果蔬采摘、品質(zhì)測定、水果分揀、蔬菜嫁接機器人等。兩者相輔相成，互相滲透，根據(jù)農(nóng)作活動的差異，各有側(cè)重。 美國伊利諾依大學農(nóng)業(yè)與生物工程系研究了應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)采集和計算雜草分布特性，進行施用量決策并控制

4、噴頭工作的智能噴霧機。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。這樣噴霧機能以14千米／小時的速度行進，目標分辨準確率為91％。 澳大利亞科研人員研發(fā)出一種智能化農(nóng)田施藥機械，它在田間移動時，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。這種只針對雜草的噴灑方式使除草劑的花費只有常規(guī)噴灑的l／lO，甚至更低，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的污染。 2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 除草機器人可以代替人類進行除草活動，減輕農(nóng)民的勞動強度，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)備的自動化和智能化。國外較

5、早開展了除草機器人研究；在國內(nèi)，南京林業(yè)大學陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機器人，設(shè)計了由主體、機械臂、輪子和攝像頭組成的自動施藥除草機器人。通過機器視覺檢測出雜草，利用機械臂進行“直接施藥方法’’除草，大大減少了化學除草劑使用量，從而有效地減少了環(huán)境污染。 東北林業(yè)大學研制了林木球果采集機器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹，強度大、安全性差、生產(chǎn)率低，對母樹損傷較大的問題。 中國農(nóng)業(yè)大學開展了蔬菜自動嫁接技術(shù)研究，實現(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。機器人采用獨特嫁接方法，自動完成嫁接作業(yè)，速度達600棵

6、／小時，成功率95％以上。 2.2 基本內(nèi)容 （1）利用solidwork建模和機械臂優(yōu)化設(shè)計，確定了機械臂的工作形式，制作了與機器人本體相適應(yīng)的四關(guān)節(jié)機械臂。 （2）完成苗間鋤草機器人的模型并進行初步模擬實驗，使機器人可以沿著幼苗前進并基本去除其間的雜草，達成設(shè)計目的。 2.3 研究方案 （1）確定苗間鋤草機器人總體的初步設(shè)計方案。 （2）制定機械臂的初步模型。 （3）確定機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）除草機器人的模擬實驗和分析

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

8、除草機器人的研制處于初級階段，國內(nèi)尚沒有這方面的報道，本文初次研究了基于圖像識別的導(dǎo)航技術(shù)與雜草識別技術(shù)相結(jié)合的除草機器人，并制作了除草機器人樣機；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器人深入研究，制作了除草機器人樣機，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，試驗取得了成功。 (2)設(shè)計了適合完成田間除草功能的多關(guān)節(jié)機械臂，并實現(xiàn)了基本的除草控制，試驗成功。 5 參考文獻 1.?陳勇，侯學貴，胡娜.?除草機器人機械臂的逆向求解與控制郭偉斌[J].農(nóng)業(yè)工程學報,20

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