国家级大学生创新创业训练计划项目结题报告书

长安大学大学生创新创业训练计划项目结题报告项目名称：基于深度视觉的果实采摘机器人研究项目级别：国家级项目类别：□创新训练□创业训练□创业实践项目编号：201510710015项目负责人：林绵浩专业班级：机械电子工程所属学院：工程机械学院执行年限：1年电话:E-mail:填表日期：长安大学教务处制基本情况项目名称基于深度视觉的果实采摘机器人研究成果形式研究报告立项时间2015年4月28日完成时间2016年5月10日鉴定时间2016年5月20日项目主要研究人员序号姓名学号专业班级所在学院项目分工1林绵浩201325050306机械电子工程机械学院负责Kinect深度视觉定位系统传感器开发及控制系统部分设计2李加启201325050308机械电子工程机械学院负责电路设计和机械零部件平面绘图3秦望兴201325040715机械设计制造及自动化机械学院负责账目报销及文档处理、ppt等工作4乔依然201325040706机械设计制造及自动化机械学院负责机械系统力学分析及结构分析5黎新子201325040710机械设计制造及自动化机械学院负责机械臂设计proe三维绘图研究过程简介内容提示：创新训练项目：研究过程中财务执行情况；团队成员分工和合作情况；研究报告、研究日记的完整性；项目研究的目的、意义；研究成果的主要内容、重要观点或对策建议；创新特色、实践意义和社会影响；发表论文及获得专利情况等。研究过程中财务执行情况当前项目实施的经费多是导师预支的，为项目的顺利进行提供了很大的支持。同时项目的实验、制作、采购、文本写作等各个方面老师都给予了有效支持，为项目的顺利实施做出了很大的贡献。项目经费做到了使用有记录、合理使用、科学规划。团队成员分工和合作情况队长林绵浩负责Kinect深度视觉定位系统传感器开发及控制系统部分设计，李加启负责电路设计和机械零部件平面绘图，乔依然负责机械系统力学分析及结构分析黎新子负责机械臂设计proe三维绘图，秦望兴负责账目报销及文档处理、ppt等工作。团队成员各司其职，在做完本职工作的同时，互帮互助，相互交流。通过这次项目团队成员不仅提高了科研能力，还在这个集体中培养了责任意识、担当精神、互帮互助等优秀品质。项目研究的目的、意义果蔬采摘是农业生产过程中的必要环节。目前，大多数果蔬采摘作业仍以人工采摘为主。随着我国种植业生产水平与市场消费水平的不断提高，高成本低效率的人工采摘方式已经影响到了我国农业和经济的进一步发展。近年来，我国农业劳动力不断减少，人工采摘的成本不断提高，人工采摘方式开始渐渐无法满足现在的市场需求。另一方面，果蔬采摘作业比较复杂，采摘环境也有很强的多样性。现代的农业生产正向着机械化、自动化的生产方式不断转变。与传统的人工采摘方式相比，果蔬采摘机器人工作速度更快，受环境影响更小，且能够在不同工作条件下保持基本相同的采收效率和采收质量。由人工设定采摘标准后，通过搭载一定的识别功能，果蔬采摘机器人可以十分方便地实现质量等级的划分与产品标准化。由于机械化采收具有成本低、效率高、损失小等多方面的优点，在现有市场条件下具有很强的竞争力和广阔的发展前景。果蔬采摘机器人的研究，对于果蔬种植产业的大批量、标准化生产的实现，对于我国农业现代化的发展与机械化水平的提高都具有非常重要的意义。目前，日本、美国、荷兰等发达国家已将部分农业机器人应用于农业生产当中。日本的一些公司已成功将嫁接机器人商品化，机械手类型的机器人已进入到商品化生产前的最后研发阶段。但总体而言，采摘机器人的研究与开发仍处于试验阶段，距离实用化和商品化还有一定距离。研究主要内容本课题针对果蔬采摘机器人的机械臂部分进行设计与研究，最终完成一个5自由度机械臂的结构设计。具体包括如下内容：机构选型：根据目标作物形态特点和采摘作业要求确定机械手机构型式。并初步确定部分设计参数，包括预计工作空间、臂长、额定负载、驱动方式等。尺寸综合：通过运动学分析和优化设计，确定机械臂各杆件尺寸。工作空间分析：对机械臂的工作空间进行分析。力学分析：分析机械臂各关节部分的受力状态，确定各电机需要的载荷。电机选型：根据分析结果进行电机的选型。零件的设计与装配图绘制：根据所得参数进行具体的零件与结构设计，完成零件图与装配图的绘制。通过该项目的实施，对农业机械尤其是采摘机械的改进与发展具有重要的意义。本项目研究过程中财务严格按照《长安大学大学生创新创业训练计划项目经费使用管理细则》执行，经费由指导老师协助管理，完全用于项目实施。研究报告、研究日记完整。研究总结报告内容提示：预定计划执行情况，项目研究和实践情况，研究工作中取得的主要成绩和收获，研究工作有哪些不足，有哪些问题尚需深入研究，研究工作中的困难、问题和建议。（限定在1000字左右，附件另附）本课题完成了一个果蔬采摘机器人机械臂部分的结构设计，研究重点在于对目标作物的特点进行分析后，通过一系列方法确定了适合番茄等果蔬采摘的机械臂类型与各类参数，以此为依据进行结构设计。并对机械臂的工作空间进行了一定的探讨与分析。在本课题研究过程中，主要得到以下结论：通过机械臂的机构选型过程，选定了5自由度的机械臂形式，并对采摘作业的工作需求进行了分析。对机械臂做了尺寸综合分析，优化了机械臂的特性，使其更能够满足番茄采摘作业的需要。对机械臂的工作空间进行了仿真，分析了其避障与运动性能。完成了受力分析以及电机、传感器的选型，使机械臂在力学性能上能够满足采摘作业需求。对果蔬采摘机器人的机械臂部分进行了具体的结构设计，完成了机械臂部分在机械方面的设计任务。在设计过程中使用MATLAB编写程序辅助仿真与分析，减小了计算量，提高了结果的准确性与直观性。使用SOLIDWORKS，PROE等作图软件进行三维辅助设计，提高了设计效率。目前，本课题所得成果在以下方面仍有待提高：未进行动力学仿真分析，所得结果的运动特性还有待进一步验证。在各零件的加工、配合，以及电气线路的布置等方面存在考虑不周的地方，具体结构仍有进一步优化的空间。由于时间所限，只对机械臂的内部结构进行了设计和一定程度的完善，未进行外壳设计等工作。研究工作过程中遇到的问题：（1）设计机械臂的结构与选用的材料强度以及电机的性能发生了冲突，超过的电机的最大功率，导致运转动力不足。（2）设计结构的过程中没结合实际的加工情况，设计结构难以加工或者费用过高。对零件的加工水平情况以及机构的组成零件的结构与工作过程，标准件的技术指标要求不够了解，导致选购零件材料清单不太明晰或不合理，导致零件有遗漏或多出的情况。四、论文及专利登记表序号姓名论文名称期刊名称期刊级别刊号发表时间本人角色论文类别备注注：1.发表的论文应标明“获得国家级或省级大学生创新创业训练计划项目资助”2.期刊级别注明EI收录、中文核心期刊、省一级期刊、普通四类3.本人角色注明是第几作者4.论文类别包括教育和专业序号专利名称专利（申请号）类别申请人备注注：类别注明是发明、实用新型还是外观设计五、经费使用情况经费合计元，其中，学