开题报告-水果采摘机器人的设计.docx

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1、填写要求一、开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作开始后4周内完成，经指导教师签署意见及教研室主任审核同意后生效。二、开题报告必须按学校统一设计的文档标准格式用计算机打印或用黑墨水笔工整书写，禁止打印在其他纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见。意见栏除手写签名处须亲笔签名之外，其他都可以电子档的形式填写并提交至毕业设计（论文）管理系统备案。三、学生查阅资料的参考文献理工类不得少于10篇，经管文类不少于12篇（不包括辞典、手册）。毕业设计（论文）开题报告一、本课题的目的及意义本研究是一款遥控操作的自动

2、行走水果采摘机器人的结构设计。众所周知，机器人可代替或协助人类完成各种枯燥的、危险的、有毒的、有害的重复性的工作。随着科学技术的发展，机器人在应用领域的研究正不断被关注，机器人技术的应用范围在逐渐扩大。作为机器人技术应用的一个重要方面，各种农业机器人正不断被开发出来，在农业日益走向工业化的今天，他们被期望能替代人类完成繁重的农业劳作，提高农业劳作的科学性，可控性，节省人力和物力，增强劳作效能。采摘机器人是农业机器人研究的一个重要分支。在果蔬生产作业中，采摘收获环节约占整个作业量的40%,传统的人工采摘方式基本上属于劳动密集型作业，劳动强度大，受天气影响和日照时间限制，不仅劳动效率低下，劳作质量

3、无法保证，而且采摘过程中的安全隐患也不容忽视。这些问题伴随着人口老龄化进程的加深正不断加剧。果蔬采摘机器人的研究与开发可视为科学家和技术工作者为了解决这些问题而作的勇敢探索。水果采摘机器人的出现解决目前水果采摘面临的困境，实现了农田收获自动化，能够适应环境的变化，保证工作的效率，符合水果产业发展的需求。采摘机器人在水果产业中的应用可以保证水果适时采摘、提高水果采摘质量，并且随着农业向产业化发展的进程中，具有广阔的市场前景。二、国内外研究现状分析采摘作业的自动化和机器人研究始于20世纪60年代的美国，从20世纪80年代中期开始，随着电子技术和计算机技术的发展，特别是工业机器人技术、计算机图像处理

4、技术和人工智能技术的日益成熟，以日本为代表，荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等发达国家，在采摘机器人的研究上作了很多尝试，各种果树采摘机器人陆续被开发出来，如番茄采摘机器人、苹果采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、和蘑菇采摘机器人等。日本冈山大学的KondoN等人1991年研究了一种番茄采摘机器人，机器人利用机器视觉对果实进行判别，采用五自由度垂直多关节机械臂和能够上下、前后移动的二自由度直动关节，以避让茎叶接近目标果实，吸盘吸住果实后退回，将目标果实和其他果实分离，末端执行器以和吸盘相同的速度前进，使机械手抓住果实，最后通过机器臂的腕关节旋转，将果实摘下网。1990年美国的佛罗

5、里达大学开发了柑橘采摘机器人，这款机器人拥有可实现左右上下和直线运动的三自由度极坐标型液压驱动以及七自由度的机械臂。当末端执行器内置的光源、彩色摄像机检出果实之后，末端执行器就移向果实，末端执行器内置的超声波传感器检测出距离，半圆形环切刀便旋转切断果梗收获橙子四。1989年，日本冈山大学研发了葡萄采摘机器人，该机器人的末端执行器主要由机械手指、切刀以及可前后方向滑动的推拉部组成，从水平方向接近果穗并采收，使其剪断穗轴时尽量不触碰到果穗，以免果实被触碰而造成商品价值降低叫。目前西方发达国家的果蔬采摘机器人的研究与开发在广度和深度两个方面仍在不断探索中，距离大面积应用还有一定的距离。我国对果蔬采摘

6、机器人的研究起步较晚，与西方发达国家相比较，在技术水平上和开发范围上还存在一定的差距，但也取得了一定的成绩。中国农业大学的张铁中等人对草莓收获机器人进行了实验性的研究，东北林业大学的陆怀民等人开发出了林木球果实采摘机器人，上海交通大学正在进行黄瓜采摘机器人的研究也引起了广泛关注Ul2006年中国农业大学和潍坊学院联合研制了茄子采摘机器人，该机器人由四自由度关节式机械手、DMC运动控制器、数字摄像头以及PC机组成。关节式机械手的4个关节均为旋转关节，分别与人的腰部、肩部、肘部和腕部相对应。对目标果实则采用基于直方图的固定双阈值法对G-B灰度图像进行分割ll2jll3j,通过对图像分割得到果实目标

7、的二值图像，并进行边缘提取、轮廓跟踪和轮廓标记。性能测试结果表明该机器人抓取成功率为89%,平均耗时为37.4si。2007年中国农业大学的汤修映、张铁中研制了六自由度圆柱型黄瓜采摘机器人，该机器人拥有六自由度机械臂，各关节均采用步进电机驱动；视觉系统采用基于RGB模型G分量的图像分割算法，分割成功率为70%左右；末端执行器由一个活动刃口和固定刃口组成。经实验表明，该机器人运动定位精度为2.5mm,末端执行器的采摘成功率达到93.3%U6i7综上所述，国内外对果蔬采摘机器人的研究仍然处于探索阶段，离大面积推广实用还有很大距离，而且被开发出的果蔬采摘机器人的作业对象比较单一，装置的通用性较差。三

8、、本课题研究的主要内容本研究是一款水果采摘机器人的结构设计。完全态的该机器人将由操作者遥控操作，带有自恃能源，拥有自动行走能力。操作者通过机载摄像头，操控机器人完成行走和采摘作业；采摘作业由机械臂末端的两只机械手协作完成，一只机械手实现对果枝的把持操作，另一只机械末端装有机械剪，完成对果实的采摘。本机器人的设计尤为重视采摘作业的通用性，通过对不同种类植株的具体采摘工艺详细调查分析，制定该机器人具体采摘工艺，伸缩机械臂的设计能依据植株的差异调节可采摘高度，设有果枝把持机械手实现对果枝的稳定把持，通用机械剪能对多种类果实的进行采摘，如苹果、荔枝、车厘子等。本研究中的采摘机器人的结构设计主要有以下几

9、方面内容构成：1 .在细分多种果实具体采摘工艺的基础上设计机器人的采摘工艺，完成机器人的总体设计。2 .机器人行走机构的设计。根据本机器人的使用环境需用适当的行走机构方案，并针对本机器人的使用要求完成设计修改。3 .伸缩机械臂的设计。机械臂在一定尺寸范围内能自由伸缩，以实现对差异植株果木高度的最大限度覆盖。4 .把持机械手的设计。该机械手安装于机械臂的末端，能精细动作，以实现对果枝的把持动作。5 .采摘机械手的设计。安装于机械臂的末端的该机械手带有机械剪，能精细动作,以实现对果实的采摘动作。四、拟采用的研究思路（方法、技术路线、可行性论证等）本设计通过查找国内内外的文献资料进行研究，把所需要的

10、文献下载保存并认真研读，总结现阶段国内外已设计开发的采摘机器人的特点，对比多个研究成果，了解其中已解决和尚待解决的问题，分析其成果的优缺点，并结合所学知识在导师指导下完成课题设计。本设计拟采用成熟的技术实现手段，首先通过对人类传统的采摘方式方法的分析研究，提取出具体的适于机械化实现的工艺化手段，并将该工艺手段作具体的工步细化，根据工步规划机械臂及机械手的动作，最后归纳总结这些需要实现的动作完成机械臂及机械手的设计。具体流程如下图：了解国内外采摘机器人的研究现状行走机构的设计机械手的设计制定水果采摘机器人的组成部分伸缩机械臂剪切机械手的设计的设计VIUG三维造型设计并进行零件装配及仿真本人在大学

11、期间系统的学习了机械设计、机械制造技术基础、UGNX等相关专业课程和金工实习等相应实习课程。UGNXlO.O可实现本机器人的三维设计，完成本机器人的零件装配，可实现拟定的技术路线。在硬件方面，图书馆提供了良好的学习、设计环境，同时拥有大量丰富的文献和资料，能够使用相关指导书、技术手册、图册等专业书籍，在老师的指导下，可以按时完成水果采摘机器人的结构设计。五、研究工作安排及进度1. 2018年11月18日2018年12月21日：选择设计课题，并对所选课题进行初步的研究分析。2. 2018年12月22日2019年1月8日：查阅相关资料，请教导师，对整个设计系统进行构思，撰写开题报告、文献综述、外文

12、翻译等材.料，准备好开题答辩所用PPT,为开题答辩工做准备。3. 2019年1月10日:开题答辩。4. 2019年1月13日-2019年1月31日：综合所查资料，初步构思论文总体大纲。5. 2019年2月1日.2019年2月8日：结合文献资料，撰写论文中的研究背景、目的及意义、国内外研究现状等内容。6. 2019年2月9日.2019年2月16日：伸缩机械臂的结构设计、驱动电机的选择和该部分论文的撰写。7. 2019年2月17日2019年2月24日：把持机械手的结构设计和该部分论文的撰写。8. 2019年2月25日-2019年3月4日：采摘机械手的结构设计和该部分的论文撰写。9. 2019年3月

13、5日2019年3月12日：行走机构的结构设计及该部分论文的撰写。10. 2019年3月13日-2019年3月20日：采摘机器人整体装配及运动仿真。IL2019年3月21日-2019年3月28日：分析运动仿真图像，并优化整体装配。12. 2019年3月29H-2019年4月5日：对设计成果和论文进行修改、完善整理和复查设计过程中的参数与结果，对不合理的地方进行修改。13. 2019年4月6日.2019年5月12日：请教指导老师对设计成果和论文进行最后优化论文。14. 2019年5月13日-2019年5月18日：进行论文查重及修改，制作PPT,打印论文,完成论文的装订事宜，为答辩做准备。15. 2

14、019年5月21B-2019年5月30日：毕业设计论文答辩。六、参考文献目录1韩建海.工业机器人.武汉：华中科技大学出版社，2015:205-209.2KondoN,MonteM.Basicstudyonchrysanthemumcuttingstickingrobot.InProceedingsoftheInternationalSymposiumonAgriculturalMechanizationandAutomationC,1997,1:93-98.3KondoN,TingKC.Roboticsforbio-productionsystemsM.ASAEPublisher,1998.4

15、IidaM,FurubeK,NamakwaK,etal.DevelopmentofwatermelonharvestinggripperJ.JJapanSocAgricMach,1996,58(3):19-26.5ReedJN,MilesSJ,etal.AutomaticmushroomharvestinggripperJ.JAgricEngageRes,2001,78(1):15-23.6蓝峰，苏子昊，黎子明，等.采摘机械的现状及发展趋势J农业化研究，2010,11:249-252.7赵匀，武传宇，胡旭东，等.农业机器人的研究进展及存在问题J农业工程学报,2003,19(1):20-24.8KondoN,MontaM,FujigranT.FrunitharvestingrobottinJapanJ.Adv.SpaceRes,1996,18(12):181-184.9T.Pool,R.C.Harrell,AndEnd-EffectorforroboticremovalofcitrusformthetreeJ,TransactionsoftheASAE,1991,34(2):373378.JOKondoN,MontaM,ShibanoY.AgriculturalrobotingrapeproductionsystemC.IEEEinternational