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塔里木大學(xué)
畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
課題名稱 蘋果采摘機的設(shè)計
學(xué)生姓名 郭曉東
學(xué) 號 8031212327
所屬學(xué)院 機械電氣化工程學(xué)院
專 業(yè) 農(nóng)業(yè)機械化及其自動化
班 級 農(nóng) 機 16-3
指導(dǎo)教師 李傳峰
起止時間 2015.11.15-2016.5.28
機械電氣化工程學(xué)院教務(wù)辦制
填 表 說 明
一、學(xué)生撰寫《開題報告》應(yīng)包含的內(nèi)容：
1、本課題來源及研究的目的和意義；
2、本課題所涉及的問題在國內(nèi)（外）研究現(xiàn)狀及分析；
3、對課題所涉及的任務(wù)要求及實現(xiàn)預(yù)期目標的可行性分析；
4、本課題需要重點研究的、關(guān)鍵的問題及解決的思路；
5、完成本課題所必須的工作條件及解決的辦法；
6、完成本課題的工作方案及進度計劃；
7、主要參考文獻（不少于7篇）。
二、本報告必須由承擔畢業(yè)論文（設(shè)計）課題任務(wù)的學(xué)生在接到“畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書”的兩周內(nèi)獨立撰寫完成，并交指導(dǎo)教師審閱。
三、開題報告要求手寫體，字數(shù)在3000字以上，由學(xué)生在本報告冊內(nèi)填寫，頁面不夠可自行添加A4紙張。
四、每個畢業(yè)論文（設(shè)計）課題須提交開題報告一式三份，一份學(xué)生本人留存，一份指導(dǎo)教師存閱，一份學(xué)生所在學(xué)院存檔，備檢備查。
一、本題來源及研究的目的和意義
1.1 課題的來源：自選題
1.2 研究的目的
隨著中國農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，果園業(yè)也得到了很大的發(fā)展。由于果園占地面積相對狹小，而且果樹之間的間距很小，果樹生長性狀復(fù)雜，這就給對果園的果類采摘等帶來了巨大的麻煩。為了節(jié)約人們的體力勞動，設(shè)計一種蘋果等果類無損采摘機械裝置是非常必要的，專門應(yīng)用于果類采摘?？膳榔隆⒃焦?、階梯性強。廣泛適用于平原、山區(qū)、丘陵、溫室等區(qū)域種植的果樹果類采摘收獲。
1.3 研究的意義
我國是世界第一大蘋果果消費國，也是世界第一大蘋果生產(chǎn)國。蘋果種植業(yè)的迅速發(fā)展提升了果園機械的市場需求。采摘作業(yè)所用勞動力占整個生產(chǎn)過程所用勞動力的33%～50%，目前我國的蘋果果采摘絕大部分還是以人工采摘為主。蘋果采摘作業(yè)比較復(fù)雜，季節(jié)性很強，若使用人工采摘，不僅效率低、勞動量大，而且容易造成果實的損傷，如果人手不夠不能及時采摘還會導(dǎo)致經(jīng)濟上的損失。使用采摘機械不僅提高采摘效率，而且降低了損傷率，節(jié)省了人工成本，提高了果農(nóng)的經(jīng)濟效益，因此提高蘋果采摘作業(yè)機械化程度有重要的意義。
蘋果采摘機械在果園規(guī)?；l(fā)展和規(guī)范化管理的地區(qū)應(yīng)用更能突顯其顯著特點。用機械代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人力操作完成蘋果采摘作業(yè)，既能減輕工人的勞動強度，提高功效，還可降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益，同時又能搶農(nóng)時，減少損失，為果樹生長發(fā)育創(chuàng)造良好環(huán)境，促進果品優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。
二、 本課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及背景
1.國外果園采摘機械的發(fā)展現(xiàn)狀
上世紀40年代以英、美、法為首的西方國家率先開始蘋果等水果的機械化采摘研究，已經(jīng)針對釀造等特殊用途的蘋果實現(xiàn)機械化采摘。然而，人們期待的仿生學(xué)機器人的研究和開發(fā)正在進行當中，當下人工智能技術(shù)尚不能使機器人像真實人一樣完成采摘工作。
目前國外對采摘機械的研究是以采摘機器人為主。華盛頓州立大學(xué)在2013年獲得了美國國家機器人計劃(美國農(nóng)業(yè)部)的54.8萬美元撥款，現(xiàn)在，該項目已經(jīng)制造了一個蘋果采摘機器人原型，將在今年秋天進行測試。
1.1.國外果園采摘機械的發(fā)展現(xiàn)狀
國外蘋果采摘機械采摘主要有振搖式、撞擊式和切割式三種類型。其中，振搖式是利用外力使樹體或樹枝發(fā)生振搖或振動，使蘋果果實產(chǎn)生加速度，在梗連結(jié)最弱處與果枝分離而掉落。撞擊式是撞擊部件直接撞擊果枝或敲打牽引果枝的棚架振落蘋果果實。切割式是將樹枝或果柄切斷使果實與果樹分離的方式，又分為機械切割式和動力切割式。
國外對果園采摘機械的研究始于上世紀40年代初，以美國、法國、英國為首的西方國家較早開展此方面的研究。于40年代中期開始，美國開始研究振搖式采摘機械，用來采摘胡桃、蘋果和杏等水果，到50年代中期，利用振搖果樹方式收獲水果的采摘機械在歐美國家得到了發(fā)展和普遍應(yīng)用，出現(xiàn)了拖拉機驅(qū)動的振搖采摘機。60年代，振搖采摘機械的結(jié)構(gòu)由單一的定沖程推搖機發(fā)展到慣性式振搖機、氣力振搖機、使用動力驅(qū)動橡膠棒沖撞果枝振落果實的撞擊式機械等多種類型的果園采摘機械。當時的機械采摘工作效率普遍較低，采摘的損傷率還較高，也不適用于采收易損傷、完好率要求較高的鮮食用和貯藏的蘋果。60年代中期，美國研究出液壓升降平臺車，配合采摘工具使用，使得采摘效率大大提高。
自60年代后期，歐美一些國家將水果采摘機械與果樹的培育和修剪結(jié)合起來研究，例如修整樹形使之適合機械化作業(yè)。直至70年代出現(xiàn)了各種動力切割式采摘機械，例如油鋸、氣動剪。 日本的果園種植地形與我國南方地形極為相似，許多在平地上使用的果園機械在丘陵地形上并不適用，故此在20世紀90年代初，日本開始研究陡坡地果園的機械化。其中四國農(nóng)業(yè)試驗場研究開發(fā)的采用樞軸式擺動懸掛機構(gòu)作為行走部分的自走式采摘車，配備使用電視攝像機和無線電控制組合。該采摘車的輪距寬，重心低，故爬坡能力強；采用就地車輪正反轉(zhuǎn)機構(gòu)，故回轉(zhuǎn)能力好；采用樞軸懸掛機構(gòu)，因而使機體擺動小、行走穩(wěn)定，適合在坡度15°～30°的地區(qū)使用。
關(guān)于機器人采摘的研究始于70年代末期，隨著計算機和自動控制技術(shù)的迅速發(fā)展，美國首先開始研究各種農(nóng)業(yè)機器人。自1983年第一臺采摘機器人在美國誕生以來，歷經(jīng)20多年的研究和試驗，日本、美國、法國、荷蘭、英國、西班牙等發(fā)達國家，相繼試驗成功了多種采摘機器人，如蘋果、柑桔、番茄、西瓜和葡萄等果實采摘的具有人工智能的機器人。 采摘機器人主要由機械手、末端執(zhí)行器、視覺識別系統(tǒng)和行走裝置等四大系統(tǒng)組成。在80年代中期日本京都大學(xué)研制了五自由度關(guān)節(jié)型機械手，但這種機械手的工作空間并沒有包含所有果實的位置，而且機械手末端執(zhí)行器的可操作度也比較低。與此同時韓國研制的蘋果采摘機器人使用極坐標機械手，旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可左右移動，絲桿關(guān)節(jié)可以上下移動，從而工作空間可達3m。日本崗山大學(xué)在20世紀90年代，設(shè)計出番茄采摘機器人具有7個自由度的能夠設(shè)定采摘姿態(tài)的機械手。
2 我國蘋果采摘機械發(fā)展現(xiàn)狀
目前，我國在人工智能機器人采摘研究領(lǐng)域仍處于起步階段。
我國大部分蘋果果園生產(chǎn)規(guī)模小，種植模式多樣，栽培和管理比較分散，果園的規(guī)?；鸵?guī)范化程度偏低。目前，我國果園機械化基礎(chǔ)差，優(yōu)勢林果產(chǎn)區(qū)雖然已逐步形成規(guī)?；a(chǎn)，但規(guī)范化管理不足，農(nóng)藝未實現(xiàn)標準化，果園機械化水平仍然很低，果園機械無論從數(shù)量上還是品種、質(zhì)量上都難以滿足林果產(chǎn)業(yè)大發(fā)展的需要，在一些果園專有機械上仍處于空白。 2.1我國蘋果采摘機械研究開發(fā)背景
自20世紀70年代，我國開始研究果園采摘機械，先后開發(fā)了與手扶拖拉機配套的機械振動式山楂采果機、氣囊式采果器和手持電動采果器。后兩者實際上還是人工作業(yè)用的輔助機械，雖然在保護果實不受損傷方面做得較好，但是其效率還是太低。80年代后，開始研究和制造切割型采摘器，果園采摘也從人工使用剪刀采摘發(fā)展到使用機械裝置采摘。電機式采摘器利用果柄引導(dǎo)突片將果柄引向切刀，再用微型電機帶動的切刀作往復(fù)運動把果柄切斷。此外，一種振搖式采摘器，用撥叉伸入果枝用電機擺動撥叉而振落果實。切割式采摘的優(yōu)點是省時省力，對果實的損傷也小。此后有了更多的輔助工具如液壓剪枝升降平臺，可用來提升工人工作位置，利于采摘作業(yè)。
盡管如此，國內(nèi)蘋果采摘機械基本處于空白，蘋果不同于山楂、核桃、棗等，蘋果果皮易在采摘過程中受到損傷，損傷容易造成蘋果氧化變質(zhì)品質(zhì)下降，降低經(jīng)濟效益。
三 本課題需要重點研究的關(guān)鍵的問題及解決的思路
3.1 研究的主要問題：
傳統(tǒng)的果園蘋果收獲基本以人工采摘為主（特殊用途的果類除外），耗時費力，勞動成本高。蘋果從采摘到運輸過程周期較長，不容易保障果品質(zhì)量。本設(shè)計主要致力蘋果無損采摘，以及初步清理，運出果園等收獲環(huán)節(jié)。
3.2 解決思路：
（1）用大功率的發(fā)動機進行裝配及其，保證機器在工作的時間不會因為超載而熄火。
（2）設(shè)計機械手臂，編寫機械手臂工作程序，實現(xiàn)柔性抓取，摘果。
（3）添加視覺捕捉輔助系統(tǒng)，輔助操作員操作機械手臂。
（4）設(shè)計蘋果輸送，初步清洗裝置，將采摘的蘋果進行運輸、清理、裝箱。
（5）設(shè)計多自由度承載升降自走車體，搭載全部采摘設(shè)備、操作人員、駕駛?cè)藛T，及采摘蘋果、果箱等。
（6）保證機器的安全性能。
3.3具體方案：
（1）本次設(shè)計把視覺捕捉系統(tǒng)、智能機器人、蘋果輸送淸選裝置、多自由度式承載裝置相結(jié)合，本設(shè)計的研究對果園的管理非常重要。
（2）該設(shè)計的成型產(chǎn)品是機械手臂、蘋果輸送清洗裝置、行走裝置與升降裝置均通過獨立動力源提供動力，以確保機器工作穩(wěn)定。
（3）產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)蘋果采摘、輸送、清洗，工作臺升降由操作員獨立進行。
（4）前后的工作裝置都可以卸載，當需要什么樣的工作時進行安裝即可。
四 完成本課題需要的工作條件及解決的辦法
（1）查閱有關(guān)資料選擇相關(guān)參數(shù)及材料,設(shè)計機械手臂、行走裝置、輸送清洗裝置、行走裝置等的形狀。
（2）設(shè)計完各零部件后，進行裝配組合，試驗設(shè)計的可靠性。
（3）運用Solidworks軟件，繪制三維零件圖和裝配圖。
（4）運用三維設(shè)計軟件完成整機各零部件的三維建模并進行運動仿真。
五 工作方案及進度計劃
工作方案：
1、設(shè)計并繪制蘋果采摘機總體機架。
2、傳動機構(gòu)的選擇方案及大小設(shè)計。
3、蘋果采摘機主要零部件的設(shè)計。
4、繪制所有零部件并查閱相關(guān)說明，各零部件尺寸要嚙合達到合適效果。
5、組裝裝配圖并生成三維立體模型，觀察效果并加以改進。
進度計劃：
第 一 周：查找相關(guān)資料、熟悉課題內(nèi)容。
第 二 周：撰寫開題報告，并制定總體方案。
第三周至十周：設(shè)計蘋果采摘機試驗裝置的三維實體模型圖，并生成關(guān)鍵部件及裝配圖工程圖。
第 十一 周：對蘋果采摘機進行傳動設(shè)計和機構(gòu)設(shè)計。
第 十二 周：撰寫畢業(yè)論文，修改圖紙中存在的問題。
第十三周：編寫答辯提綱，準備答辯。
第十四周：答辯
六 參考文獻
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學(xué)生簽名
年 月 日
指導(dǎo)教師審閱意見
指導(dǎo)教師簽名
年 月 日