畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題論證審批表
學(xué)生姓名
學(xué)號
年級專業(yè)及班級
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化（7）班
指導(dǎo)教師及職稱
開題時間
年 月 日
畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目
山茶采摘機(jī)械人總體設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻(xiàn)等）（宋體五號，行間距單倍行距。）
研究意義
機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn)。機(jī)器人集成了計(jì)算機(jī)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息和傳感技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展成果，代表高技術(shù)的發(fā)展前沿，是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向。21世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要?dú)v史時期。我國是一個農(nóng)業(yè)大國，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，農(nóng)業(yè)裝備的機(jī)械化、智能化是發(fā)展的必然趨勢。隨著計(jì)算機(jī)和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)器人已逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型，其作用在于能夠降低工人勞動強(qiáng)度和塵產(chǎn)費(fèi)用、提高勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量、保證果實(shí)適時采收，岡而具有很大的發(fā)展?jié)摿Α?
國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
收獲作業(yè)的自動化和機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代的美國(1968 年)， 采用的收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動震搖式， 其缺點(diǎn)是果實(shí)易損， 效率不高， 特別是無法進(jìn)行選擇性的收獲。從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始，隨著電子技術(shù)和 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技 術(shù)的日益成熟，以日本為代表的西方發(fā)達(dá)國家，包括荷蘭、美國、法國、英國、 以色列、西班牙等國家，在收獲采摘機(jī)器人的研究上做了大量的工作，試驗(yàn)成功 了多種具有人工智能的收獲采摘機(jī)器人，如番茄采摘機(jī)器人、葡萄采摘機(jī)器人、 黃瓜收獲機(jī)器人、西瓜收獲機(jī)器人、甘藍(lán)采摘機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人等。
1 機(jī)器人可能成為美國農(nóng)場的重要組成部分
由于美國政府采取了更加嚴(yán)格的邊境管理政策， 一些依靠外來移民勞動力的 農(nóng)場主正將他們的視野轉(zhuǎn)向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機(jī)器人。 此類機(jī)器人可 以從事從采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作。 目前這類機(jī)器人正處 于全面發(fā)展時期，將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具，目前這些工作仍由手 工完成。 圣地亞哥視覺機(jī)器人技術(shù)發(fā)明者德里克莫里卡瓦認(rèn)為： 新采摘機(jī)器人要依 靠先進(jìn)的運(yùn)算能力和液壓技術(shù)，使機(jī)器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能 力?，F(xiàn)代成像技術(shù)同樣也使機(jī)器能夠識別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜。方法就 是將一臺機(jī)械化掃描機(jī)器送入果園。 裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機(jī)器人能夠生成 一張三維地圖，顯示位置、成熟度和水果質(zhì)量。一臺采摘機(jī)器人按照這些畫面， 使用他們的長機(jī)械臂仔細(xì)地采集成熟了的水果。 加州柑橘研究委員會和華盛頓蘋果委員會合作開發(fā)一種水果采摘機(jī)器人。 上 個月研究人員對原型機(jī)進(jìn)行了檢測， 但是距離真正的廣泛商業(yè)應(yīng)用還有很長的路 要走。 另外， 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校一個葡萄酒專家小組正在研制一種自動采 摘機(jī)器人，目的是使葡萄酒業(yè)實(shí)現(xiàn)更多的機(jī)械化。該新技術(shù)包括一種稱之為近紅 外線分光計(jì)的裝置，它可以在采摘之前檢測葡萄樣品中的糖含量和化學(xué)成分。然 后利用這些數(shù)據(jù)繪制一幅全球定位系統(tǒng)地圖， 收割機(jī)器人可以使用這些地圖進(jìn)行 導(dǎo)航，在葡萄園中采摘特定的理想成熟葡萄串。 位于薩利納斯山谷的拉姆齊黑藍(lán)德公司銷售能夠部分自動使用帶狀鋸或 水刀的機(jī)器人,機(jī)器人從地面收割萵苣，并將萵苣進(jìn)行裝箱，以便清洗和加工。 該公司首席執(zhí)行官弗蘭克梅肯納奇稱， 拉姆齊黑藍(lán)德公司開發(fā)的一種新機(jī)器 模型已接近完工，這種新機(jī)器人可以采摘、清洗、取心和對萵苣和其他綠色蔬菜 進(jìn)行打包。
2 日本的果蔬采摘機(jī)器人
自 1983 年第一臺西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來，采摘機(jī)器人的研究和 開發(fā)歷經(jīng) 20 多年，日本和歐美等國家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、 西瓜和葡萄等智能機(jī)器人。目前，日本在水果采摘機(jī)器人領(lǐng)域中研究頗豐，其研 究出的采摘機(jī)器人主要有以下幾類。
2.1 西紅柿采摘機(jī)器人
日本 Kondo—N 等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人，由機(jī)械手、末端執(zhí)行器、視 覺傳感器和移動機(jī)構(gòu)等組成。西紅柿一簇可長 4-6 個果實(shí)，各個果實(shí)不一定是同 時成熟，并且果實(shí)有時被葉莖擋住，收獲時要求機(jī)械手活動范圍大，能避開障礙 物，所以機(jī)器人的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)成具有 7 自由度，能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn) 行采摘。末端執(zhí)行器由兩個機(jī)械手指和一個吸盤組成；視覺傳感器主要由彩色攝 像機(jī)來尋找和識別成熟果實(shí)，利用雙目視覺方法對目標(biāo)進(jìn)行定位；移動機(jī)構(gòu)采用 4 輪結(jié)構(gòu)，能在壟間自動行走。采摘時，移動機(jī)構(gòu)行走一定的距離后，就進(jìn)行圖 像采集，利用視覺系統(tǒng)檢測出果實(shí)相對機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息，判斷西紅柿是 否在收獲的范圍之內(nèi)，若可以收獲，則控制機(jī)械手靠近并摘取果實(shí)，吸盤把果實(shí) 吸住后，機(jī)械手指抓住果實(shí)，然后通過機(jī)械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí)。
2.2 草莓采摘機(jī)器人
Kondo-N 等人還針對草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和傳統(tǒng)模式)研制 出了相應(yīng)的采摘機(jī)器人。高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來越多地采用。 該機(jī)器人采用 5 自由度采摘機(jī)械手，視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)器人類似，末端執(zhí) 行器采用真空系統(tǒng)加螺旋加速切割器。收獲時，由視覺系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間 位置，接著采摘機(jī)械手移動到預(yù)定位置，末端執(zhí)行器向下移動直到把草莓吸入； 由 3 對光電開關(guān)檢測草莓的位置，當(dāng)草莓位于合適的位置時，腕關(guān)節(jié)移動，果梗 進(jìn)入指定位置，由螺旋加速驅(qū)動切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗，完成采摘。
2.3 黃瓜采摘機(jī)器人
黃瓜采摘機(jī)器人，采用 6 自由度的機(jī)械手，能在傾斜棚支架下工作，這種支 架栽培方式是專門為機(jī)械化采摘而設(shè)計(jì)。黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè)，便于黃瓜與 莖葉分離，使檢測與采摘更容易。在攝像機(jī)前加了濾波片，根據(jù)黃瓜的光譜反射 特性來識別黃瓜。其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測器、切割器和機(jī)械手指。采摘時 由機(jī)械手指抓住黃瓜后，果梗探測器尋找果梗，然后切割器切斷果梗。
2.4 功能葡萄采摘機(jī)器人
葡萄采摘機(jī)器人采用 5 自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手， 末端的臂可以在葡萄架下水 平勻速運(yùn)動。視覺傳感器一般采用彩色攝像機(jī)，采用 PSD 三維視覺傳感器效果更 好些，可以檢測成熟果實(shí)及其距離信息的三維信息。在開放式的種植方式下，由 于采摘季節(jié)太短，單一的采摘功能使得機(jī)器人的使用效率太低，因此開發(fā)了多種 末端執(zhí)行器，如分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器、裝在機(jī)械手末端的噴嘴等。 用于葡萄采摘的末端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀，采摘時，用機(jī)械手指抓住果房， 用剪刀剪斷穗柄。 除了以上介紹的幾種類型的采摘機(jī)器人，日本還開發(fā)了用于柑橘采摘、蘑菇 和西瓜收獲等的機(jī)器人。目前，果蔬采摘機(jī)器人的智能水平還很有限，離實(shí)用化 和商品化還有一定的距離。主要存在的問題，一是果實(shí)的識別率和采摘率不高， 損傷率較高；二是果實(shí)的平均采摘周期較長；三是采摘機(jī)器人制造成本較高；隨 著傳感器及計(jì)算機(jī)視覺等技術(shù)的發(fā)展， 果蔬采摘機(jī)器人的研究還需在以下幾個方 面進(jìn)行努力：一是要找到一種可靠性好、精度高的視覺系統(tǒng)技術(shù)，能夠檢測出所 有成熟果實(shí)， 精確對其定位； 二是提高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)柔性和靈巧性， 成功避障，提高采摘的成功率，降低果實(shí)的損傷率；三是要提高采摘機(jī)器人的通 用性，提高機(jī)器人的利用率。
3 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人
1996 年，荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所(MAG)研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器 2 人。該研究在荷蘭 2 hm 的溫室里進(jìn)行，黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并把它 培養(yǎng)為高拉線纏繞方式吊掛生長。該機(jī)器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識黃瓜果實(shí)， 并探測它的位置。機(jī)械手只收獲成熟黃瓜，不損傷其他未成熟的黃瓜。采摘通過 末端執(zhí)行器來完成，它由手爪和切割器構(gòu)成。機(jī)械手安裝在行走車上，行走車為 機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng)初步定位。機(jī)械手有 7 個自由度，采用三菱公司 (Mitsubishi) RV—E26 自由度機(jī)械手，另外在底座增加了一個線性滑動自由度。 收獲后黃瓜的運(yùn)輸由一個裝有可卸集裝箱的自走運(yùn)輸車完成。 整個系統(tǒng)無人工干 預(yù)就能在溫室工作。試驗(yàn)結(jié)果為工作速度 10 s/根，在實(shí)驗(yàn)室中效果良好，但由 于制造成本和適應(yīng)性的制約，還不能滿足商用的要求。
4 英國的蘑菇采摘機(jī)器人
英國 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人，它可以自動測量蘑菇的位置、 大小，并選擇性地采摘和修剪。它的機(jī)械手包括 2 個氣動移動關(guān)節(jié)和 1 個步進(jìn)電 機(jī)驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)；末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器；視覺傳感器采用 TV 攝 像頭，安裝在頂部用來確定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在 75% 左右，采摘 速度為 617 個/s，生長傾斜是采摘失敗的主要原因。如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī) 器手姿態(tài)動作來提高成功率和采用多個末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問 題。
5 國內(nèi)研究進(jìn)展
在國內(nèi)，果蔬采摘機(jī)器人的研究剛剛起步。東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林 木球果采摘機(jī)器人，主要由 5 自由度機(jī)械手、行走機(jī)構(gòu)、液壓驅(qū)動系統(tǒng)和單片 機(jī)控制系統(tǒng)組成。采摘時機(jī)器人停在距離母樹 3～5m，操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對準(zhǔn) 母樹。然后，單片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大、小臂同時柔性升起達(dá)到一定高度， 采摘爪張開并擺動，對準(zhǔn)要采集的樹枝，大小臂同時運(yùn)動，使采摘爪沿著樹枝生 長方向趨近 1.5～2m，然后采摘爪的梳齒夾攏果枝，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(jī)器人效率是 500 kg/天，是人工 的 30～50 倍。而且，采摘時對母樹的破壞較小，采凈率高。 圖 3 林木球果采摘機(jī)器人原理圖 另外，郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，開發(fā)了草莓揀選機(jī)器 人，采用氣動驅(qū)動器將草莓推到不同的等級方向。浙江大學(xué)的應(yīng)義斌等完成了水 果自動分級機(jī)器人的研究開發(fā)。趙杰文等研究了基于 HIS 顏色特征的田間成熟 番茄識別技術(shù)，該方法對田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識別效果。 梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動學(xué)特性進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動 學(xué)優(yōu)化與仿真試驗(yàn)，取得了較好的效果。
主要參考資料
[1] 馮建農(nóng), 柳明. 自主移動機(jī)器人智能導(dǎo)航研究進(jìn)展[J].機(jī)器人,1997,19(6): 468- 478.
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[5] 張茂.機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.
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[7] 求是科技.8051系列單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)完全手冊.人民郵電出版社，2006.
研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預(yù)期成果、條件保障等）（宋體五號，行間距單倍行距）
研究目的：
“山茶采摘平臺設(shè)計(jì)研究”設(shè)計(jì)的目的是采摘山茶過程中減輕人工的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。課題要求設(shè)計(jì)山茶采摘平臺，目的是減輕人工的勞動強(qiáng)度，提高工作效率。系統(tǒng)主要包含以下內(nèi)容：
[1] 采摘平臺的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要求結(jié)合山茶生長區(qū)的地域特點(diǎn)，設(shè)計(jì)適合于該地形行走的底盤結(jié)構(gòu)，并且具有較強(qiáng)的負(fù)載能力。
[2] 采摘平臺的升降系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
要求結(jié)合山茶樹的外形尺寸特征，設(shè)計(jì)具有一定行程的升降系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采摘平臺的上升與下降，以達(dá)到方便采摘山茶的目的。
[3] 采摘平臺的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
結(jié)合各單元的機(jī)械結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)對應(yīng)的電氣控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)動作的控制。
研究內(nèi)容：
設(shè)計(jì)并制作山茶采摘平臺行走控制系統(tǒng)，能夠提高摘茶的效率，對茶葉的生產(chǎn)起到積極意義，其主要研究內(nèi)容有以下。
[1] 機(jī)械子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
包括平臺系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，平臺主要由槽鋼焊接而成，由電機(jī)驅(qū)動，轉(zhuǎn)
向系統(tǒng)可以由電機(jī)轉(zhuǎn)向。
[2] 導(dǎo)航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制器的輸出路徑跟蹤控制主要是通過控制輪胎的轉(zhuǎn)角來實(shí)現(xiàn)
[3] CAN總線設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)平臺控制部件的智能化合控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化。
[4] 轉(zhuǎn)向控制和智能控制系統(tǒng)研究
盡量減少偏差和誤差。
{5} 行走實(shí)驗(yàn)
評估研究的可行性，和可操作性。
研究方法：
以實(shí)驗(yàn)法為主，輔以比較研究法、經(jīng)驗(yàn)法及查閱文獻(xiàn)資料等方法。
充分借用學(xué)校的電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)室有關(guān)的機(jī)械結(jié)構(gòu)所需的儀器和工具，完成采摘平臺機(jī)械實(shí)物模型；采用其相關(guān)設(shè)備儀器進(jìn)行印制電路板的制作和測試，完成控制系統(tǒng)；向老師或他人請教，借鑒其專業(yè)知識或豐富的經(jīng)驗(yàn)來完善設(shè)計(jì)；查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料以及設(shè)計(jì)手冊來保障畢業(yè)設(shè)計(jì)的順利完成。
預(yù)期成果：
[1] 完成采摘平臺實(shí)物模型。
[2] 完成1.5萬字的設(shè)計(jì)說明書。
[3] 提供系統(tǒng)電氣設(shè)計(jì)圖一張（2號圖紙）。
[4] 按機(jī)械設(shè)計(jì)要求提供對應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)原理圖。
條件保障：
[1] 掌握扎實(shí)的專業(yè)知識，熟知與本課題相關(guān)的課外知識；
[2] 具備獨(dú)立查閱資料獲取有效信息的能力；
[3] 具備動手實(shí)踐以及創(chuàng)新的能力；
[4] 學(xué)校設(shè)備齊全的電子創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室；
[5] 指導(dǎo)老師的專業(yè)指導(dǎo)。
時間進(jìn)程安排（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實(shí)施進(jìn)度、完成程度等）（宋體五號，行間距單倍行距）
2011.09.15 - 2011.09.19 選題
2011.09.20 - 2011.09.21 下達(dá)任務(wù)書
2011.09.22 –2011.09.26 開題論證
2011.09.27 –2011.10.31 調(diào)研、收集整理資料、制定方案
2011.11.01 - 2012.02.29 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試
2012.03.01 - 2012.03.30 系統(tǒng)調(diào)試、結(jié)果分析、制作實(shí)物模型、中期考核
2012.04.01 - 2012.05.05 總結(jié)完善課題、撰寫論文初稿、修改定稿、打印
2012.05.06 - 2012.05.12 指導(dǎo)教師評閱、專業(yè)委員會評閱
2012.05.13 - 2012.05.20 答辯與修改
開題論證小組意見
組長簽名：
年 月 日
專業(yè)委員會意見
專業(yè)教研室主任簽名：
年 月 日
注：此表意見欄必須由相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。專業(yè)名稱必須是全稱，例如“會計(jì)學(xué)專業(yè)”，班序號用阿拉伯?dāng)?shù)字“1”、“2”標(biāo)注。此表如不夠填寫，可另加頁。