毕业设计(论文)-山茶采摘平台设计研究(含全套CAD图纸) .doc
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1、全日制普通本科生毕业设计全日制普通本科生毕业设计 山茶采摘平台设计研究山茶采摘平台设计研究 DESIGN AND RESEARCH OF THE CAMELLIA PICKING PLATFORM 由于部分原因,说明书已删除大部分,完整版说明书,由于部分原因,说明书已删除大部分,完整版说明书, CADCAD 图纸等,联系图纸等,联系 153893706153893706 学生姓名:学生姓名: 学学 号:号: 年级专业及班级:年级专业及班级: 2008 级级机械机械设计设计制造及其自制造及其自动动 指导老师及职称:指导老师及职称: 学学 部:部: 理工学部理工学部 提交日期:2012 年 5 月
2、 全日制普通本科生 毕业论文(设计)诚信声明 本人郑重声明:所呈交的本科毕业论文是本人在指导老师的指导下, 进行研究工作所取得的成果,成果不存在知识产权争议。除文中已经注 明引用的内容外,本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的 作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确 的说明并表示了谢意。同时,本论文的著作权由本人与湖南农业大学东 方科技学院、指导教师共同拥有。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 作者签名: 年 月 日 目 录 摘 要 .1 关键词 .1 1 前言 1 1.1 研究意义与目的 2 1.2 国内外研究现状 2 2 山茶采摘平台创意设计与方案
3、 6 2.1 机器人一般组成 6 2.2 山茶采摘平台设计方案 6 2.3 研制概要 7 3 采摘平台机械设计 7 3.1 底盘的设计 7 3.1.1 基于 45全向轮的分析7 3.1.2 一种山地行走系统用全向履带 .10 3.2 升降机构的设计 .11 4 采摘平台电路硬件电路设计 .13 4.1 系统原理框图 .13 4.2 采摘主控制板结构及说明 .13 4.2.1 最小系统14 4.2.2 主控制板实物图 .14 4.3 电源模块 .15 4.4 伺服电机驱动电路 .16 4.5 按键电路 .20 5 主控制板程序设计 .21 5.1 系统主程序流程图 .21 5.2 PWM 的产生
4、21 5.2.1 软件生成 PWM21 5.2.2 硬件生成 PWM23 6 系统的调试 .25 7 总 结 25 参考文献 25 致 谢 26 附录 27 1 山茶采摘平台设计研究山茶采摘平台设计研究 摘 要:随着国内外采摘机器人的兴起,21 世纪是农业机械化向智能化方向发展的重要历 史时期,机械作业已逐步进入农业生产领域。本文研究设计了能减轻人工劳动强度和提高工作效 率的山茶采摘平台,平台由主控模块、行走模块(全向履带)和升降模块组成。系统以 STM32 为 核心控制器,通过对伺服电机的控制可实现采摘平台的行走控制和升降控制。本文结合由铝型材 制作的采摘平台的实物模型对系统的设计进行了分析
5、和总结。 关键词:机器人;农业机械化;采摘平台;全向履带 Design and research of the camellia picking platform Abstract: With the rise of the picking robot at home and abroad, the 21st century is an important historical period of the mechanization of agriculture to the intelligent direction, the robot has gradually entered the
6、field of agricultural production. This study design can reduce labor intensity and improve the efficiency of the camellia picking platform, This picking platform by walking module(Omni-track), lifting module and main control module. The system use the STM32 as the core controller. The control of ser
7、vomotor can be achieved walking and lifting of the picking platform. The design of the physical model produced by the aluminum picking platform system was analyzed and summarized in this paper. Key words: Robot; mechanization of agriculture; picking platform; Omni-track 1 前言 机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化
8、程度的重要标志和体现。 机器人涉及多学科交叉综合;人工智能、机器人技术、通信技术、传感器技术、仿生 学、机构学、信息及编程技术、计算机学、材料学、电子技术、传动技术、接口技术、 电机拖动学、精密机械技术、自动控制理论、伺服传动技术等诸多领域的技术集成, 代表高技术的发展前沿,是当前科技研究的热点方向。21 世纪是农业机械化向智能化 方向发展的重要历史时期。我国是一个农业大国,要实现农业现代化,农业装备的机 械化、智能化是发展的必然趋势。随着计算机和自动控制技术的迅速发展,机器人已 逐步进入农业生产领域。采摘机器人作为农业机器人的重要类型,其作用在于能够降 2 低工人劳动强度和生产费用、提高劳动
9、生产率和产品质量、保证果实适时采收,使其 具有很大的发展潜力1。 1.1 研究意义与目的 农业是国民经济的基础, 这是不以人们意志为转移的客观经济规律。农业生产力 发展的水平和农业劳动生产率的高低, 决定了农业为其他部门提供剩余产品和劳动力 的数量, 进而制约着这些部门的发展规模和速度。近年来,采摘作业的效率提高问题 已成为农业经济发展需突破的瓶颈问题之一,目前在国内,果实采摘的成本普遍比较 高,效率也低,人工采摘成为制约各地生产效率提高的一个瓶颈。在各地的采摘作业 基本上还是手工完成,随着人口的老龄化和农业劳动力的减少,农业生产成本也将提 高。因此推广发展机械化收获采摘技术和研究具有重要的意
10、义 。 现今国内外有某些公司已经解决了机器采茶的问题,但是由于该机器结构复杂, 核心机构和工作部件需要进口,价格昂贵。而且该机的易损部件也是核心零部件还不 能国产化,导致使用成本大大提高,所以国内的机械化采茶的效率还很低,中小型茶 农也很难购买该类机器,即使有能力购买采摘机,高昂的使用维护成本会使茶农的种 植收益大打折扣。针对这种状况,本文主要以山茶采摘平台作为研究对象,目标是提 高采摘工作效率,降低茶农成本,提高利润2。 山茶采摘平台行走控制系统设计的目的是用先进的机械化来替代繁重且低效益的 农业生产方式,使农民采摘作业的更高效、更科学化、更省力。利用山茶采摘平台行 走控制系统实现对果实成熟
11、时采摘的机械化,智能化。极大地提高了采摘的工作效率, 降低了人工作业的工作强度。 1.2 国内外研究现状 收获作业的自动化和机器人的研究始于 20 世纪 60 年代的美国(1968 年),采用的 收获方式主要是机械震摇式和气动震摇式,其缺点是果实易损,效率不高,特别是无 法进行选择性的收获。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、计算机图像处理技术和人工智能技术的日益成熟,以日 本为代表的西方发达国家,包括荷兰、美国、法国、英国、以色列、西班牙等国家, 在收获采摘机器人的研究上做了大量的工作,试验成功了多种具有人工智能的收获采 摘机器人,如番
12、茄采摘机器人、葡萄采摘机器人、黄瓜收获机器人、西瓜收获机器人、 甘蓝采摘机器人和蘑菇采摘机器人等。 (1) 机器人可能成为美国农场的重要组成部分 由于美国政府采取了更加严格的边境管理政策,一些依靠外来移民劳动力的农场 3 主正将他们的视野转向一种正在发展中的新一代摘果机器人。此类机器人可以从事从 采集酿酒用的葡萄直至清洗和摘取莴苣心的工作。 目前这类机器人正处于全面发展 时期,将成为收获精致水果和蔬菜的基本工具,目前这些工作仍由手工完成。圣地亚 哥视觉机器人技术发明者德里克莫里卡瓦认为:新采摘机器人要依靠先进的运算能力 和液压技术,使机器手臂和手指具有近似于人手灵敏度的能力。现代成像技术同样也
13、 使机器能够识别和挑选各种品质的水果和蔬菜。方法就是将一台机械化扫描机器送入 果园。装备有数字成像技术设备的机器人能够生成一张三维地图,显示位置、成熟度 和水果质量。一台采摘机器人按照这些画面,使用他们的长机械臂仔细地采集成熟了 的水果。加州柑橘研究委员会和华盛顿苹果委员会合作开发一种水果采摘机器人。上 个月研究人员对原型机进行了检测,但是距离真正的广泛商业应用还有很长的路要走。 另外,加州州立大学弗雷斯诺分校一个葡萄酒专家小组正在研制一种自动采摘机器人, 目的是使葡萄酒业实现更多的机械化。该新技术包括一种称之为近红外线分光计的装 置,它可以在采摘之前检测葡萄样品中的糖含量和化学成分。然后利用
14、这些数据绘制 一幅全球定位系统地图,收割机器人可以使用这些地图进行导航,在葡萄园中采摘特 定的理想成熟葡萄串。位于萨利纳斯山谷的拉姆齐黑蓝德公司销售能够部分自动使用 带状锯或水刀的机器人,机器人从地面收割莴苣,并将莴苣进行装箱,以便清洗和加 工。该公司首席执行官弗兰克梅肯纳奇称,拉姆齐黑蓝德公司开发的一种新机器模型 已接近完工,这种新机器人可以采摘、清洗、取心和对莴苣和其他绿色蔬菜进行打包。 (2) 日本的果蔬采摘机器人 自 1983 年第一台西红柿采摘机器人在美国诞生以来,采摘机器人的研究和开发 历经 20 多年,日本和欧美等国家相继立项研究采摘苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡 萄等智能机器人。
15、目前,日本在水果采摘机器人领域中研究颇丰,其研究出的采摘机 器人主要有以下几类。 西红柿采摘机器人 1 日本 KondoN 等人研制的西红柿收获机器人,由机械手、末端执行器、视觉传 感器和移动机构等组成。西红柿一簇可长 4-6 个果实,各个果实不一定是同时成熟, 并且果实有时被叶茎挡住,收获时要求机械手活动范围大,能避开障碍物,所以机器 人的采摘机械手设计成具有 7 自由度,能够形成指定的采摘姿态进行采摘。末端执行 器由两个机械手指和一个吸盘组成;视觉传感器主要由彩色摄 像机来寻找和识别成 熟果实,利用双目视觉方法对目标进行定位;移动机构采用 4 轮结构,能在垄间自动 4 行走。采摘时,移动机
16、构行走一定的距离后,就进行图像采集,利用视觉系统检测出 果实相对机械手坐标系的位置信息,判断西红柿是否在收获的范围之内,若可以收获, 则控制机械手靠近并摘取果实,吸盘把果实吸住后,机械手指抓住果实,然后通过机 械手的腕关节拧下果实。 草莓采摘机器人 2 Kondo-N 等人还针对草莓的不同栽培模式(高架栽培模式和传统模式)研制出了相 应的采摘机器人。高架栽培模式由于适合机器人作业被越来越多地采用。该机器人采 用 5 自由度采摘机械手,视觉系统与西红柿采摘机器人类似,末端执行器采用真空系 统加螺旋加速切割器。收获时,由视觉系统计算采摘目标的空间位置,接着采摘机械 手移动到预定位置,末端执行器向下
17、移动直到把草莓吸入;由 3 对光电开关检测草莓 的位置,当草莓位于合适的位置时,腕关节移动,果梗进入指定位置,由螺旋加速驱 动切割器旋转切断果梗,完成采摘。 黄瓜采摘机器人 3 黄瓜采摘机器人,采用 6 自由度的机械手,能在倾斜棚支架下工作,这种支架栽 培方式是专门为机械化采摘而设计。黄瓜果实在倾斜棚的下侧,便于黄瓜与茎叶分离, 使检测与采摘更容易。在摄像机前加了滤波片,根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。 其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。采摘时由机械手指抓住黄瓜后, 果梗探测器寻找果梗,然后切割器切断果梗。 功能葡萄采摘机器人 4 葡萄采摘机器人采用 5 自由度的极坐标机械手,
18、末端的臂可以在葡萄架下水平匀 速运动。视觉传感器一般采用彩色摄像机,采用 PSD 三维视觉传感器效果更好些,可 以检测成熟果实及其距离信息的三维信息。在开放式的种植方式下,由 于采摘季节 太短,单一的采摘功能使得机器人的使用效率太低,因此开发了多种末端执行器,如 分别用于采摘和套袋的末端执行器、装在机械手末端的喷嘴等。 用于葡萄采摘的末 端执行器有机械手指和剪刀,采摘时,用机械手指抓住果房,用剪刀剪断穗柄。除了 以上介绍的几种类型的采摘机器人,日本还开发了用于柑橘采摘、蘑菇和西瓜收获等 的机器人。目前,果蔬采摘机器人的智能水平还很有限,离实用化和商品化还有一定 的距离。主要存在的问题,一是果实
19、的识别率和采摘率不高,损伤率较高;二是果实 的平均采摘周期较长;三是采摘机器人制造成本较高;随着传感器及计算机视觉等技 术的发展,果蔬采摘机器人的研究还需在以下几个方面进行努力:一是要找到一种可 靠性好、精度高的视觉系统技术,能够检测出所有成熟果实,精确对其定位;二是提 5 高机械手和末端执行器的设计柔性和灵巧性,成功避障,提高采摘的成功率,降低果 实的损伤率;三是要提高采摘机器人的通 用性,提高机器人的利用率。 (3) 荷兰的黄瓜采摘机器人 1996 年,荷兰农业环境工程研究所(MAG)研制出一种多功能黄瓜收获机器 2 人。 该研究在荷兰 2hm 的温室里进行,黄瓜按照标准的园艺技术种植并把
20、它培养为高拉线 缠绕方式吊挂生长。该机器人利用近红外视觉系统辨识黄瓜果实,并探测它的位置。 机械手只收获成熟黄瓜,不损伤其他未成熟的黄瓜。采摘通过 末端执行器来完成, 它由手爪和切割器构成。机械手安装在行走车上,行走车为机械手的操作和采摘系统 初步定位。机械手有 7 个自由度,采用三菱公司(Mitsubishi)RV-E26 自由度机械手, 另外在底座增加了一个线性滑动自由度。 收获后黄瓜的运输由一个装有可卸集装箱 的自走运输车完成。整个系统无人工干预就能在温室工作。试验结果为工作速度 10s/ 根,在实验室中效果良好,但由于制造成本和适应性的制约,还不能满足商用的要求。 (4) 英国的蘑菇采
21、摘机器人 英国 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘机器人,它可以自动测量蘑菇的位置、大小, 并选择性地采摘和修剪。它的机械手包括 2 个气动移动关节和 1 个步进电机驱动的旋 转关节;末端执行器是带有软衬垫的吸引器;视觉传感器采用 TV 摄像头,安装在顶 部用来确定蘑菇的位置和大小。采摘成功率在 75%左右,采摘速度为 617 个/s,生长 倾斜是采摘失败的主要原因。如何根据图像信息调整机器手姿态动作来提高成功率和 采用多个末端执行器提高生产率是亟待解决的问题3。 (5) 国内研究进展 在国内,果蔬采摘机器人的研究刚刚起步。东北林业大学的陆怀民研制了林木球 果采摘机器人,主要由 5 自由度机械
22、手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统 组成。采摘时机器人停在距离母树 35m,操纵机械手回转马达对准母树。然后,单 片机控制系统控制机械手大、小臂同时柔性升起达到一定高度,采摘爪张开并摆动, 对准要采集的树枝,大小臂同时运动,使采摘爪沿着树枝生 长方向趋近 1.52m,然 后采摘爪的梳齿夹拢果枝,大小臂带动采集爪按原路向后返回,梳下枝上球果,完成 一次采摘。这种机器人效率是 500 kg/天,是人工 的 3050 倍。而且,采摘时对母 树的破坏较小,采净率高。另外,郭峰等运用彩色图像处理技术和神经网络理论,开 发了草莓拣选机器人,采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向。浙江大学的应义 斌
23、等完成了水果自动分级机器人的研究开发。赵杰文等研究了基于 HIS 颜色特征的田 6 间成熟番茄识别技术,该方法对田间成熟番茄之间相互分离的情况有很好的识别效果。 梁喜凤等为分析并改善番茄收获机械手运动学特性进行了番茄收获机械手运动学优 化与仿真试验,取得了较好的效果2。 2 山茶采摘平台创意设计与方案 2.1 采摘机器人一般组成 采摘机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。 执行机构即机器人本体,其臂部一般采用空间开链连杆机构,其中的运动副(转动副 或移动副)常称为关节,关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和 运动坐标形式的不同,机器人执行机构可分为直
24、角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和 关节坐标式等类型。 驱动装置是驱使执行机构运动的机构,按照控制系统发出的指令信号,借助于动 力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号,输出的是线、角位移量。机器人使用 的驱动装置主要是电力驱动装置,如步进电机、伺服电机等,此外也有采用液压、气 动等驱动装置。 检测装置的作用是实时检测机器人的运动以及工作情况,根据需要反馈给控制系 统,与设定信息进行比较后,对执行机构进行调整,以保证机器人的动作符合预定的 要求。 控制系统有两种方式。一种是集中式控制,即机器人的全部控制由一台微型计算 机完成。另一种是分散式控制,即采用多台微机来分担机器人的控制,如当采用上、 下
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