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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)動學(xué)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(jìn)更使效率大大提高。相信隨著我國對對農(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(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，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(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)的識別、定位、作業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。對于前者，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(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，減輕農(nóng)民的勞動強(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)備的自動化和智能化。國外較早開展了除草機(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，自動完成嫁接作業(yè)，速度達(dá)600棵／小時，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，國際上除草機(jī)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(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。
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