苗間鋤草機器人設計及優(yōu)化設計【SW三維仿真+5張CAD圖紙+說明書】
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1 研究目的意義
1.1 研究目的
隨著農業(yè)生產的快速發(fā)展，農業(yè)生產技術急需發(fā)展，各種人工的生產已經不能滿足需要。除草機器人的研究，這其中機器人機械臂的運動學分析和圖像識別又是比較關鍵的技術，以及除草方法的不斷改進更使效率大大提高。相信隨著我國對對農業(yè)機器人的高度重視，我國在農業(yè)除草機器人的研究領域會取得重大的突破。我國的農業(yè)生產能力家大大提高。
1.2 研究意義
農田雜草直接與莊稼爭奪營養(yǎng)、水分和陽光，影響作物生長，減少作物產量。人工除草勞動強度大，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器人十分必要，從長遠來看，將具有很高的經濟效益。
力圖使得農田除草工作主要由機器人來完成，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；與傳統的噴霧施藥方法相比，大幅減少除草劑的用量，保護了環(huán)境。
農業(yè)機器人的發(fā)展，特別是除草機器人的發(fā)展是我們國家農業(yè)高效產業(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業(yè)發(fā)展的更加現代化，除草機器人，將會更加科學。
2 研究的現狀、基本內容及方案
2.1 研究現狀
2.1.1 國外研究現狀
目前農業(yè)機器人的研究主要涉及機器人田間的自主導航和作業(yè)目標的識別、定位、作業(yè)機構設計兩方面。對于前者，研究的重點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器人，如：田間耕耘、農田信息采集機器人等。后者則著重于模式分類以及操作結構設計與控制等，或稱機械手系列機器人，如：果蔬采摘、品質測定、水果分揀、蔬菜嫁接機器人等。兩者相輔相成，互相滲透，根據農作活動的差異，各有側重。
美國伊利諾依大學農業(yè)與生物工程系研究了應用機器視覺系統采集和計算雜草分布特性，進行施用量決策并控制噴頭工作的智能噴霧機。該系統能在3．7米×0．43米范圍內分辨出作物、雜草和土壤，并在O．24秒內做出噴霧決策。這樣噴霧機能以14千米／小時的速度行進，目標分辨準確率為91％。
澳大利亞科研人員研發(fā)出一種智能化農田施藥機械，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只有常規(guī)噴灑的l／lO，甚至更低，不僅節(jié)約了生產成本，還減少了對環(huán)境的污染。
2.1.2 國內研究現狀
除草機器人可以代替人類進行除草活動，減輕農民的勞動強度，也可以減少農業(yè)從業(yè)人口數量，提高農業(yè)設備的自動化和智能化。國外較早開展了除草機器人研究；在國內，南京林業(yè)大學陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機器人，設計了由主體、機械臂、輪子和攝像頭組成的自動施藥除草機器人。通過機器視覺檢測出雜草，利用機械臂進行“直接施藥方法’’除草，大大減少了化學除草劑使用量，從而有效地減少了環(huán)境污染。
東北林業(yè)大學研制了林木球果采集機器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹，強度大、安全性差、生產率低，對母樹損傷較大的問題。
中國農業(yè)大學開展了蔬菜自動嫁接技術研究，實現了幼苗的精確定位、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。機器人采用獨特嫁接方法，自動完成嫁接作業(yè)，速度達600棵／小時，成功率95％以上。
2.2 基本內容
（1）利用solidwork建模和機械臂優(yōu)化設計，確定了機械臂的工作形式，制作了與機器人本體相適應的四關節(jié)機械臂。
（2）完成苗間鋤草機器人的模型并進行初步模擬實驗，使機器人可以沿著幼苗前進并基本去除其間的雜草，達成設計目的。
2.3 研究方案
（1）確定苗間鋤草機器人總體的初步設計方案。
（2）制定機械臂的初步模型。
（3）確定機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）除草機器人的模擬實驗和分析
3 預期結果和創(chuàng)新點
本課題設計、制作了除草機械臂，初步研究了末端執(zhí)行器控制系統。除草機器人在室內進行了大量的除草和導航試驗，試驗表明機器人能可靠地自主行走并準確地定位雜草。
具體完成了以下幾個方面的工作：
(1)進行了除草機械臂的優(yōu)化設計、實物制作并著重分析其運動學問題，使機械臂可以可以大體上完成苗間雜草的去除。
(2)初步實現了除草機器人鋤草部分單片機控制系統，制作了控制系統。
(3)進行了大量機器人控制調試與試驗，證實了機械臂和機器人運行的正確性和有效性，達到了預期的結果，取得了初步的成功。
目前，國際上除草機器人的研制處于初級階段，國內尚沒有這方面的報道，本文初次研究了基于圖像識別的導航技術與雜草識別技術相結合的除草機器人，并制作了除草機器人樣機；另外，本研究提出了在切割過程中涂抹農藥的施藥除草新技術。
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器人深入研究，制作了除草機器人樣機，開發(fā)了有效的控制軟件，并完成了軟硬件的聯合調試，試驗取得了成功。
(2)設計了適合完成田間除草功能的多關節(jié)機械臂，并實現了基本的除草控制，試驗成功。
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