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

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(guó)對(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的高度重視，我國(guó)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(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力家大大提高。 1.2 研究意義 農(nóng)田雜草直接與莊稼爭(zhēng)奪營(yíng)養(yǎng)、水分和陽(yáng)光，影響作物生長(zhǎng)，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(kāi)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)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(lái)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(guó)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(guó)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)。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(guó)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(lèi)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(cè)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(guó)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(jué)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噴頭工作的智能?chē)婌F機(jī)。該系統(tǒng)能在37米×043米范圍內(nèi)分辨出作物、雜草和土壤，并在O24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(zhuān)門(mén)的電子傳感器來(lái)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llO，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(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 除草機(jī)器人可以代替人類(lèi)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(guó)外較早開(kāi)展了除草機(jī)器人研究；在國(guó)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(guò)機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)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(shù)，強(qiáng)度大、安全性差、生產(chǎn)率低，對(duì)母樹(shù)損傷較大的問(wèn)題。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)開(kāi)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(zhǎng)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 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(wèn)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(guó)際上除草機(jī)器人的研制處于初級(jí)階段，國(guó)內(nèi)尚沒(méi)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(guò)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(kāi)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(kāi)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),2009(4): 108-112 2. 陳勇,鄭加強(qiáng), 郭偉斌. 除草機(jī)器人機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析與控制J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2007,38(8): 105-108 3. 侯學(xué)貴,陳勇,郭偉. 除草機(jī)器人田間機(jī)器視覺(jué)導(dǎo)航J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(3)：106-108 4. 陳勇,田磊,鄭加強(qiáng). 基于直接施藥方法的除草機(jī)器人J. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(10): 91-93 5. 李東升 張蓮潔. 國(guó)內(nèi)外除草技術(shù)研究現(xiàn)狀J. 森林工程,2002,18(1)：17-18 6. 彭滿升,張振偉,孫國(guó)志. 小麥出口:河南與澳大利亞差距何在J. 農(nóng)村·農(nóng)業(yè)·農(nóng)民,2004 (7):202-205 7,胡懷中, 李嘉, 胡軍.一種機(jī)器人觸視覺(jué)圖像配準(zhǔn)方法的研究 J.小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng),2005,25(6);1057-1060 8, 楊晶東,楊敬輝,洪炳镕.移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)圖像特征提取與匹配算法J. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2009(9);3526-3529,3533 9,楊杰, 張銘鈞, 尚云超.一種移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)圖像特征提取及分割方法J.機(jī)器人,2008,30(4);311-317 0,董會(huì)英,岳宏.基于雙閾值的移動(dòng)機(jī)器人視覺(jué)圖像分割 J.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,37(3);16-20 11,Dur, Erdogan.Optical flow-based obstacle detection and avoidance behaviors for mobile robots used in unmaned planetary explorationJ.RAST 2009 - Proceedings of 4th International Conference on Recent Advances Space Technologies,2009(4);638-647. 12,Hayashi, Kinoshita, Tomoyuki2.Development of an indoor navigation system for a monocular-vision-based autonomous mobile robotJ.Artificial Life and Robotics ,2009,14(3);324-328.