0025-水果采摘機械手結構設計【CAD圖+SW三維模型+文獻翻譯+說明書】
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開題報告
題目名稱
水果采摘機器手結構設計
學生姓名
專 業(yè)
班 級
1、 選題的目的意義
隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展,智能機器人已經(jīng)在許多領域得到日益廣泛的應用。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,由于作業(yè)對象的復雜、多樣,使得新概念農(nóng)業(yè)機械一一農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)具有了巨大經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景,符合社會發(fā)展的需求。
目前,在我國農(nóng)業(yè)增長中農(nóng)業(yè)科技進步對農(nóng)業(yè)增長的貢獻率已達到45%以上,超過了土地、勞動力以及物資投入要素的貢獻份額。新階段“科教興農(nóng)’’的目標是力求通過5-8年的不懈努力,農(nóng)業(yè)科技進步貢獻率達到55%以上,科學技術成為農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展的主要推動力。但是,我國農(nóng)業(yè)機械化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的貢獻率僅為17%,與發(fā)達國家存在很大的差距,加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程,實施“精確”農(nóng)業(yè),廣泛應用農(nóng)業(yè)機器人,以提高資源利用率和農(nóng)業(yè)產(chǎn)出率,降低勞動強度,提高經(jīng)濟效率將是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢。同時,國內的水果采摘作業(yè)基本上都是手工進行的。而21世紀,農(nóng)業(yè)勞動力將逐漸向社會其它產(chǎn)業(yè)轉移,世界各國面臨著人口老齡問題,勞動力不足將逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實。隨著老齡化和勞動力的減少,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也相應的提高,更重要的是溫室作業(yè)環(huán)境下勞動舒適度較差,收獲作業(yè)勞動強度大,研究農(nóng)業(yè)機器人特別是果實收獲機器人具有重要意義。
番茄內含有糖、有機酸、礦物質和多種維生素等營養(yǎng)成分,屬于營養(yǎng)豐富的“水果蔬菜”,是廣泛栽培的重要果菜種類。據(jù)20世紀90年代中期統(tǒng)計,世界番茄的總產(chǎn)量為4900萬噸/年,其中美國750萬噸/年,中國680萬噸/年。隨著設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展和作業(yè)機械化的要求,對番茄種植模式要求也越來越高,尤其是在可控環(huán)境的溫室中種植面積迅速增長,因此種植、管理和收獲的勞動量也越大,研究開發(fā)果實收獲機器人,實現(xiàn)機械化、自動化與智能化收獲是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程的重要課題。
據(jù)統(tǒng)計,番茄的機械化采收與人工采收相比,具有很強的優(yōu)越性。表1.1列舉了機械化采收與人工采收在費用,速度,損失等方面的對比情況。
表1.1番茄機械化采收與人工采收對比
表中我們可以明顯的看到番茄機械化采收與人工采收在各方面對比的優(yōu)勢,我們只要設計合理的末端執(zhí)行器,盡量降低采收損失,番茄采收機械化必將具有廣闊的發(fā)展前景。
二、國內外研究綜述
1.國外研究狀況
從1983年第一臺番茄采摘機器人在美國誕生以來,采摘機器人的研究和開發(fā)已經(jīng)歷經(jīng)了近20年。日本和歐美等發(fā)達國家相繼立項研究用于采摘蘋果、番茄、葡萄等水果的智能機器人。到1997年,國外開發(fā)的一系列果品蔬菜收摘機器人均研制出了樣機。在農(nóng)業(yè)機器人的研究方面,法國是最早研究水果收獲機器人的國家之一。荷蘭收獲機器人的研究工作也走在很多國家的前面,但研究的果蔬種類并不多。日本于20世紀80年代初期已開始農(nóng)業(yè)領域的機器人研究,1984年Kyoto大學研究番茄收獲機械手以來,日本在農(nóng)業(yè)機器人研究方面一直居各國之首。農(nóng)業(yè)機器人在日本、美國、荷蘭等發(fā)達國家己經(jīng)應用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程,其中嫁接機器人已在日本一些公司商品化,以動物為作業(yè)對象的機器人都已分別在澳大利亞和荷蘭一些公司商品化,機械手類型的機器人在日本的幾個農(nóng)機公司和電氣公司進入到商品化生產(chǎn)前的最后研發(fā)階段。
表1.2為部分國家果蔬收獲機器人的研究進展統(tǒng)計情況。番茄收獲機器人屬于機械手系列。番茄收獲機器人是多用途機器人,通過改變末端執(zhí)行器與控制程序,不僅可以采摘普通番茄,還可以采摘櫻桃番茄。
表1.2 國內外果蔬收獲機器人研究進展統(tǒng)計
如圖1.1是日本的N.Kondo等人研制的番茄收獲機器人,由機械手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器、移動機構和控制部分組成。用彩色攝像機作為傳感器尋找和識別成熟果實。利用7自由度的工業(yè)機器人。為了不損傷果實,機械手的末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器,中間有壓力傳感器,把果實吸住后,利用機械手的腕關節(jié)把果實擰下。行走機構有4個車輪,能在田間自動行走,利用機器人的光傳感器和設置在地頭土埂的反射板,可檢測是否到達土埂,到達后自動停止,轉動后再繼續(xù)前進。圖1.2所示為番茄采摘機械手。
圖1.1番茄采摘機器人 圖1.2番茄采摘機器手
圖1.3為日本的N.Kondo等人研制的黃瓜收獲機器人,采用三菱六自由度工業(yè)機器人,利用CCD攝像機,根據(jù)黃瓜比其葉莖對紅外光的反射率高的原理來識別黃瓜和葉莖。收獲時,先把黃瓜抓住,用接觸傳感器找出柄,然后剪斷。
圖1.4為西瓜采摘機器人,日本Kyoto大學研制出一個5自由度液壓驅動的機器人用于收獲西瓜,它包括機器手、末端執(zhí)行器、視覺傳感器和行走裝置。
圖1.3 黃瓜采摘機器人
圖1.4西瓜采摘機器人
2.國內研究狀況
在中國,農(nóng)業(yè)機器人研究也逐漸起步。中國農(nóng)業(yè)大學率先在我國研制出自動嫁接機器人,并先后研制成功了自動嫁接法、自動旋切貼合法等嫁接技術。并獲得發(fā)明專利,填補了我國自動化嫁接技術的空白,形成了我國具有自主知識產(chǎn)權的自動化嫁接技術。嫁接機器人能夠完成砧木、穗木取苗、接合、固定、排苗等嫁接過程的自動化作業(yè),大大提高了作業(yè)效率和質量,減輕了勞動強度,可用于黃瓜、西瓜、甜瓜苗的自動嫁接。
吉林工業(yè)大學與吉林農(nóng)業(yè)研究所研制的鋤草機器人,裝有攝像機和圖像處理計算機。能快速準確地分辨出蔬菜苗、雜草和土壤之間的差別,還能在種植行間自動行走。上海交通大學的曹其新等人研發(fā)了草莓揀選機器人樣機。該樣機具有學習功能,作業(yè)時可根據(jù)示教揀選對象的標準樣本,改變或調整機器人揀選草莓的種類,并可一機多用,即使是沒有專業(yè)知識的操作人員,也能很容易地掌握其操作方法門。
東北林業(yè)大學的陸懷民研制了林木球果采摘機器人如圖1.2,主要由5自由度機械手、行走機構、液壓驅動系統(tǒng)和單片機控制系統(tǒng)組成,如圖1.3所示。采摘時,機器人停在距離母樹3~5m處.操縱機械手回轉馬達對準母樹。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,然后采摘爪的梳齒央攏果枝,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500kg/天,是人工的30~50倍。而且,采摘時對母樹的破壞較小,凈采率高。另外,我國一些科研院所也正在對移動機器人定位、導航等方面進行研究。但均處于研究開發(fā)階段。
圖1.2 實物圖 圖1.3示意圖
分析國內外農(nóng)業(yè)機器人研究進展與應用現(xiàn)狀可知,國外已經(jīng)研制了各種農(nóng)業(yè)機器人,技術比較成熟,部分農(nóng)業(yè)機器人己有初步應用,但我國農(nóng)業(yè)機器人技術研究處于起步階段。與日本、美國等發(fā)達國家差距較大。開發(fā)各類農(nóng)業(yè)機器人,適應農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能化發(fā)展的趨勢,是當代農(nóng)業(yè)工程領域的重要研究課題。
三、畢業(yè)設計(論文)所用的方法
1. 參考國內外機械手專利或文獻進行參考設計;
2. 學習機器人知識,模仿人類采摘水果動作進行類比設計;
3. 運用機械原理機械設計中結構設計的方法對機械手的結構進行設計和選型;
4. 利用三維建模的方式對機械手零件進行建模與裝配;
設計步驟:
搜索相關資料——熟悉機械設計方法——整體結構粗略構思與設計——整合資料精確設計——繪制三維零件圖——完成零件三維裝配——撰寫說明書、打印圖紙——畢業(yè)設計論文答辯;
四、主要參考文獻與資料獲得情況
參考文獻:
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機化研究,2003(4),1-4
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工程科學報,2003,19(1),20-24
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學學報,1999,33(7),880-883
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(6),52-58
五、指導教師審批意見
指導教師簽名 年 月 日
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