农业采摘机多自由度机械臂设计研究

【目的】保证农业采摘设备能够稳固地抓取不规则农作物,提高农业机械化收获效率和质量,促使农业生产向信息化、智能化、高效化的方向不断发展。【方法】设计了一种先进、新型的农业采摘机多自由度机械臂。从机械臂的运行原理入手,分别设计了加固板、加强板、限位板、滑动装置、稳定槽、挡板等组成部分,完成了对机械臂结构的科学化设计,最后仿真验证了机械臂的抓取精度。【结果】该机械臂与移动平台所对应的抓取误差被控制在0.01 mm以下,该机械臂可以实现对目标物体的精确采摘。【结论】该机械臂具有定位精确度高、抓取自由灵活等特点,能够满足农业采摘机对水果、蔬菜等农作物的抓取需求,应用前景广阔。希望本研究能为农业生产人员和农机科研人员提供有益的借鉴和参考。     

全地形智能采摘机器人电路设计

【目的】解决农业采摘机器人控制电路简洁性欠佳、稳定性差、成本高昂的问题,助力农业采摘机器人的推广普及。【方法】课题组对全地形智能农业采摘机器人行走、避障及采摘控制电路进行了设计。该电路包括核心控制器模块,与核心控制器模块输入端连接的超声波测距模块、摄像头模块、压力感知模块和红外测距模块,与核心控制器模块输出端连接的左行走电机驱动电路、右行走电机驱动电路、摄像头旋转电机驱动电路、摄像头俯仰舵机驱动电路、底座旋转电机驱动电路、旋转臂驱动电机驱动电路、摆臂驱动电机驱动电路、手爪旋转电机驱动电路和手爪驱动舵机驱动电路。各个模块有机配合,实现了全地形采摘机器人的智能路径规划和采摘。【结果与结论】本电路结构简单明了,具备高稳定性、高可靠性和强实用性,技术实现方便且成本相对低廉,功能完备且功能扩展性强,便于推广及应用,可搭配收获机械、喷淋设备等,也可投入抢险救灾、科考探测、物流运输等其他领域。     

基于慧鱼组合式智能莲藕采洗分拣一体装置的研究

【目的】目前市场上的挖藕机极易造成莲藕损伤,操作不方便,且效率低、功能单一、自动化程度低。【方法】笔者以现代藕农们对高效低耗的莲藕挖掘机械的迫切需求为出发点,研发了一种多功能智能挖藕机——“与‘藕’相伴”,详细分析了该装置的冲压装置、分拣装置、智能仓储装置等各模块的设计及工作原理。【结果】“与‘藕’相伴”集冲压、采收、传送、清洗、收集、仓储于一体,实现了采藕作业全过程智能化、自动化、无人化。【结论】该装置莲藕采收品质高、操作简单、功能丰富、自动化程度高、工作效率高,大大降低了人工成本,满足了藕民的多元化需求,解决了藕农招工难的问题,减少了对土地和环境的破坏,实现了科技助农,具有广阔的应用前景。     

农业采摘机器人机械臂结构设计

【目的】农业采摘机器人是一种集机械、电子、传感、计算机于一体的多功能农业机械设备,被广泛应用于水果、蔬菜采摘领域。但其在对果实的识别和抓取方面仍存在很大的不足。【方法】机械臂是农业采摘机器人重要的组成部分之一,也是其主要执行机构。笔者根据机械臂结构特点与功能需求,设计了一种六自由度、关节运动灵活且可更换的采摘机器人机械臂,该机械臂通过控制系统调节3个平动关节在工作空间中的位置和角度,从而获得末端执行器能够完成采摘任务所需的最小工作空间,通过六自由度变换得出6个关节在工作空间中坐标系之间运动轨迹关系。该机械臂由视觉模块、驱动模块及控制模块构成。基于D-H参数法对采摘机器人机械臂进行运动学分析,并进行仿真验证。【结果】该机械臂具有较好的定位精度,能够满足农业采摘机器人对果实的抓取要求。     

基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统的研发

【目的】传统模式下的农田灌溉通常采用人工方式对农田进行灌溉,随意性较强,水资源利用率低,为了有效解决上述问题,提高农业水资源利用率,实现传统农业向智能农业的转变。【方法】笔者结合物联网技术,从传感器信息采集模块设计、终端控制模块设计以及无线传输模块设计、上位机设计等方面进行研究,设计了一款基于物联网技术的农田滴灌远程控制系统。【结果】该农田滴灌远程控制系统在应用过程当中能够保持正常运行,满足不同类型环境的需求,尤其适用花园、温室蔬菜大棚等封闭的环境,有效降低了人力成本,充分满足了农田区域化的灌溉需要。【结论】该农田滴灌系统实现了对农田中的电磁阀启停控制以及节水灌溉任务,保障了农作物能够在适宜的环境中生长,推动了农业增产增收,实现了智能化精准农业,应用前景广阔。     

基于慧鱼组合式智能多元一体化大葱机的研究

【目的】我国大葱机功能单一、自动化程度低,大葱多采用传统手工收割方式,存在工作效率低、劳动强度大、成本高、品质不稳定等问题。【方法】笔者以现代大葱种植农民对高效低耗的大葱农用机械的迫切需求为出发点,研究设计了一款集松土、收割、捆绑、传送、切割、装运、播种、浇水为一体的新能源多元一体化智能大葱机——“葱”慧机,并详细阐述了“葱”慧机的智能控制系统、行走装置、收取装置等结构设计。【结果】该“葱”慧机具有操作自动化、功能模块化、智能化、低碳环保等特点,能够实现高效收取播种、智能捆绑、可控切割,极大地降低了农民的劳动强度,且使用便捷、效率高。【结论】该“葱”慧机可以收取类似大葱的作物,只需调整环境参数、判别要素和执行顺序,便可以应用于不同的作业对象、作业环境或执行不同的功能,具有广阔的市场前景与推广价值。     

菠萝田间收获装备现状及其短板技术分析

【目的】传统菠萝产业的田间采收任务主要依靠人工完成,其高强度、低效率的作业形式直接引发了供应延迟、产销失衡和价格波动等现象,导致整体产业链面临着严峻的市场危机。为了对菠萝收获关键技术开展通用性研究和突破,解决目前“无机可用”的紧迫问题。【方法】课题组通过文献调查法、案例研究法归纳了国内外菠萝采收装备现状,结合当下先进技术和前沿手段,综合分析了国内相关研究的技术短板和科研体系存在的问题,总结归纳了亟待集中力量突破的技术重点。【结果与结论】在此基础上,结合当前研究、技术状况及现存问题,指出菠萝田间机械化收获应打破技术壁垒,提高采摘收获装备的可靠性,扩大田间运输装备的覆盖面,加强与农业生产实际需求的结合,以实现菠萝产业的持续增长和繁荣,为相关农业工程技术的创新与研发提供参考。     

一种树生水果采摘机器人的结构设计

【目的】像苹果、梨子、桃子这类树高3 m左右的树生水果的采摘仍主要采用传统的手工作业方式,劳动强度大、劳动成本高,人工采摘作业不仅效率低下还具有一定的危险性。而目前研究开发的农业采摘机器人多采用刚性关节型机械臂,难以满足某些地方果树生长密集、枝条随机生长等情况的采摘需要,为了解决这些问题,亟需设计一款柔性采摘机械臂。【方法】课题组根据仿生学原理,模仿大象鼻子的运动机理,设计了一种拉绳驱动的仿象鼻柔性采摘机械臂,并基于该机械臂设计了一种树生水果采摘机器人。采用三维数字化软件SolidWorks对树生水果采摘机器人进行三维建模,树生水果采摘机器人的整体结构主要由机械爪部分、机械臂部分、收集装置部分、车身部分组成。【结果】机械爪部分可以夹裹目标果实;机械臂部分可实现多自由度、较大幅度的柔顺弯曲运动,用于实现机械爪在抓取、采摘过程中所需的各种柔性运动,配合可升降的收集装置部分,能有效缩短机械臂的运动行程,进一步提高采摘效率;车身部分带有水果收集箱,采摘后的水果能暂时储存在车身部分中。【结论】该采摘机器人具有工作空间更大、灵活性更强、安全性更高等优点,可以满足枝条密集、作业空间狭窄环境下的采摘作...     

浅析农业机械化在种植沃柑中的作用

【目的】传统的沃柑种植模式效率低、劳动强度大,而且难以保证产品质量和安全,限制了沃柑产业的发展。而引入农业机械化技术有利于提高沃柑生产的自动化和智能化程度,已成为推动沃柑产业发展的关键因素。【方法】笔者介绍了沃柑种植的基本情况以及沃柑机械化技术的发展现状,从沃柑机械化栽培、机械化施肥、机械化灌溉、机械化采摘和机械化加工等方面探讨了农业机械化技术在沃柑生产中的具体应用,分析了沃柑种植机械化作业的优点和不足,并提出了发展沃柑种植机械化的政策支持与发展建议。【结果】1）通过深入挖掘农业机械化在沃柑种植中的潜力,可以提高农业生产效率,降低生产成本,改善劳动条件,促进沃柑产业转型升级和可持续发展,推动农业现代化和智能化进程。2）沃柑种植中的机械化作业已经相对完善,但是在采收方面仍然存在着很大的挑战,需要继续研发和推广新的采收机械设备。     

基于“智能农业云”项目的智慧农业发展新模式研究

【目的】提高农业生产效率和经营水平,促进农业精细化、智能化、集约化与科学化生产,实现生产、生态和生活三者共同利益之间的协同。【方法】课题组采用实地调研法和统计分析法对智慧农业市场规模和行业特征进行分析,剖析了以智慧农业与电商运营相结合的“智能农业云”项目。“智能农业云”项目以智慧农业为核心,实现生物、信息和装备技术的耦合发展,现代化、智慧化和生态化的相互融合,效率效果并重。通过人工智能、大数据、云计算,对农业生产方式进行调整,大幅提升农业生产效率,实现产前生产资料衔接、产中生产要素配置、产后产品供需对接,一体化调配各个环节;通过土壤、水、氧气等生产环境与农产品生长的物质系统的循环,构建智慧农业发展的新途径,实现资源高效利用与生态功能持续提升的农业良性发展。【结果】该项目实现了农产品的数字化物流,提高了农业现代化水平,有利于促进传统农业向现代农业转型升级。既满足了农户足不出户就可以管理耕地的要求,又保障了消费者对蔬果的新鲜度需求,应用前景广阔。     

往复式桑叶采摘机设计及采摘效益分析

以实现机械采摘桑叶为目的,设计一款能自动实现桑叶采摘的往复式桑叶采摘机。桑叶采摘机包括往复式桑叶采摘装置、桑枝定位装置和行走装置。为了使桑叶采摘机能够准确地完成桑枝定位、顺利地进行桑叶采摘,桑枝定位装置对桑枝进行定位,行走装置带动桑叶采摘机运动至工作位置,之后由往复式桑叶采摘装置进行桑叶采摘。通过查阅文献和调查,确定桑树的生长情况,结合往复式桑叶采摘机的运动进行机械采摘桑叶的效益分析,得到机械采桑效率为422.4kg/h,采摘6.67hm2桑园所需费用为2 093元。     

一种果树攀爬仿尺蠖机器人设计

【目的】利用机器人完成农业高大果树采摘,以便短时间、高效率、低成本地完成采摘任务,进而满足智能农业建设需求,课题组设计了一种果树攀爬仿尺蠖机器人。【方法】仿尺蠖机器人由曲柄滑块机构、弹簧单向锁紧机构、齿轮减速装置三部分构成,夹持装置是两对靠弹簧机构夹紧的“X”型夹持器,齿轮减速装置减速后连接到凸轮和曲柄,曲柄连杆机构使机器人躯干产生伸缩动作,三部分机构互相配合实现机器人爬升。与此同时,设计了传动装置动力参数,计算了曲柄滑块的速度和加速度,并利用动力学仿真软件ADAMS验证了仿尺蠖机器人结构的可行性和运动的平稳性。【结果】仿真结果表明,该结构设计可以实现机器人在30 mm～35 mm变化直径的果树直杆上进行爬行,能够保证果树攀爬的稳定性。【结论】在进行爬升的基础上简化了电动机驱动机构,与多电机机器人相比,结构较为紧凑,有利于提高结构可靠性。     

农业温室大棚温湿度监控系统设计与应用

【目的】传统意义上的环境监控系统大都采用分散监控和维护的方式,不仅浪费物力、财力和人力,而且系统的可靠性相对较差,亟需解决这些问题。【方法】笔者提出了一种基于嵌入式技术的智能化农业温室大棚环境监控系统,该监控系统通过采用下位机和上位机两个独立的子系统,能够实现对农业温室大棚内部环境的多点网络式监控,应季节变化配置监控系统监测参数。【结果】温度调试模块、湿度采集模块运行良好,上位机界面显示正常,能够实现实时智能化的监督与控制。【结论】创新设计后的农业温室大棚温湿度监控系统不仅可以降低系统监控成本,给设备维护管理者提供便捷,提高其工作效率,还可以应用于其他任何需要环境监控的领域,有助于推进农业生产智能化进程。     

基于手势识别的智能农业采摘控制系统设计

【目的】实现通过手势对采摘机器进行远程操控,优化采摘机器控制系统,减少识别与采摘误差。【方法】笔者设计了一种基于手势识别的智能农业采摘控制系统,该系统应用图像滤波算法,提高了采摘机器控制的准确性与高效性。在系统设计中,将手势识别与远程操控机械臂结合,通过高分辨双目摄像机收集手势图像信息并提取特征,将其转化为电机控制命令后发送至控制层,实现了通过手势对机器的远程操控。【结果】图像滤波算法的识别时间仅为0.3 s,远低于其他两种算法的4.1 s与3.5 s;识别准确率高达96%,远高于其他两种算法的94%与92%。【结论】采用图像滤波算法的系统对手势识别的时间更短、识别准确度更高,可有效提高作物成熟判断准确率与采摘效率,具有良好的推广价值。     

果蔬采摘机器手系统设计与控制技术研究现状和发展趋势

鲜食果蔬收获是难以实现机械化作业的生产环节,高效低损采摘也是农业机器人研发领域中的难题,导致目前市场化的自动化果蔬采摘装备生产应用几乎空白。针对鲜食果蔬采摘需求,为改善人工采摘费时费力、效率低下、自动化程度低的问题,近30年来,国内外学者设计了一系列自动化采摘设备,推动了农业机器人技术的发展。在研发鲜食果蔬采摘设备时,首先要确定采收对象和采收场景,针对作物的生长位置、形状和重量、场景的复杂程度、所需自动化程度,通过复杂度预估、力学特性分析、姿态建模等方式,明确农业机器人的设计需求。其次,作为整个采摘动作的核心执行者,采摘机器人的末端执行器设计尤为重要。本文对采摘机器人末端执行器的结构进行了分类,总结了末端执行器的设计流程与方法,阐述了常见的末端执行器驱动方式、切割方案,并对果实收集机构进行了概括。再次,本文概述了采摘机器人的总体控制方案、识别定位方法、避障方法及自适应控制方案、品质分类方法以及人机交互、多机协作方案。为了总体评价采摘机器人的性能,本文还提出了平均采摘效率、长期采摘效率、采收质量、损伤率和漏采率指标。最后,本文对自动化采摘机械的总体发展趋势进行了展望,指明了采摘机器手系统将向着采摘目标场景通用化、结构形式多样化、全自动化、智能化、集群化方向发展的趋势。     

蓝莓植株的振动特性分析与试验研究

【目的】采用机械振动式采摘方式进行蓝莓采摘,获得最佳采摘激振频率,以提高蓝莓采摘效率。【方法】在分析蓝莓植株生长形态后对蓝莓植株进行了物理建模,同时通过有限元仿真软件对蓝莓植株进行了模态分析与谐响应分析,并利用电动振动采摘试验台进行了激振频率为1 Hz、2 Hz、3 Hz的振动试验,获得不同侧枝前1 s～3 s的加速度。【结果】1）蓝莓植株的固有频率与阶数成正比关系,前12阶固有频率为2.08 Hz～5.04 Hz;2）蓝莓植株的各个侧枝加速度不同,同一侧枝的二级枝加速度大于一级枝加速度,所施加的最佳激振频率为1.9 Hz;3）蓝莓植株最佳采摘激振频率为1.8 Hz～1.9 Hz,验证了蓝莓植株最佳激振频率与仿真分析的一致性。【结论】本研究可为机械振动式蓝莓采摘机激振频率范围选择提供理论依据,并为振动式蓝莓采收装置的设计提供理论基础。     

基于IOT云平台的智慧农业联动系统

【目的】为解决传统农业种植、施肥、灌溉、管理粗放的生产模式,提升农业生产效率,解决劳动强度大、劳动力不足的问题,智慧农业在精细化种植管理方面的研究势在必行。【方法】笔者设计了一款智慧农业管理平台,基于物联网控制技术搭建系统,硬件云端设备采用DAMT0888型多路主控设备,数据交换采用Modbus通信协议,数据传输采用485总线手拉手传输方式;智慧平台显示方式采用多模块云组态式架构,控制台采用DO场景配置;农业主控机模块开发点位支持8路DI输入控制、8路DO输出控制、8路AI传感器信号接入,设备可拓展功能接入4块显示屏幕组建大田、大棚联合监测系统。【结果】该智慧农业系统实现了“农业环境监测+机电联动控制+信息溯源”的农业信息采集一体化,可远程监控室内外空气温湿度、二氧化碳、土壤温湿度、土壤EC值等实时数据,联动控制通风设备、遮阳电机、电磁阀浇灌、卷帘开合电机等电气设备。【结论】系统设计合理,变化曲线实时显示,监测数值实时展现;实现本地控制与联网控制同步,通过益农云、小程序和App等进行远程调控,数据以及设备状态清晰显示,通过触控屏幕操作实现了每一路电气设备的控制,每一组传感器的信息实时查...     

基于作物生长模型的智能灌溉控制系统

【目的】鉴于水资源日益短缺,农田灌溉技术迫切需要进行自动化和智能化改革,开发高效的灌溉控制系统迫在眉睫。【方法】本研究利用主控芯片为STM32f103RCT6的单片机与传感器模块、LoRa模块、GPRS模块等外围电路设计了一款智能灌溉控制系统。该系统可以准确获取作物生长环境信息,包括水分、温度、光照等,而强大的STM32f103RCT6芯片可依据作物生长模型对采集的数据进行分析处理,对作物的需水需肥量做到针对性预判,形成科学的灌溉决策并指导灌溉系统工作,经过系统决策,自适应控制灌溉设备进行精准灌溉。【结果】该智能灌溉控制系统既能够促进作物生长发育,又能提高水肥利用率和作物产量,促进农业增产增收,改善土壤环境,并且控制方式灵活多样,通用性强,经济性好,符合国家绿色发展理念,实现了经济效益和社会效益的双丰收,对发展现代化设施农业具有重要的意义。【结论】此系统的研发,有利于解决农业灌溉水资源浪费严重、智能化水平低的痛点,满足现代农业飞速发展的需求。     

基于PLC的果蔬采摘机械手系统控制设计

【目的】随着人们对绿色安全果蔬需求量的增加以及果蔬种植面积的扩大,及时高效采摘成熟果蔬成为重要研究课题。为实现对成熟果蔬的高效采摘,文章提出了一种基于PLC（可编程逻辑控制器）的果蔬采摘机械手系统。这一系统的设计旨在通过技术手段提高果蔬采摘的效率和及时性。【方法】所设计的系统以PLC控制器为核心,利用程序命令控制机械手的移动、夹持、切割等操作。系统的自动化设计能够完成果蔬的采摘和储存工作,同时提供自动和手动不同的操作功能。为了确保系统高效运行,对果蔬采摘机械手进行了细致的调试和优化。【结果】相对于传统人工采摘方式,基于PLC的果蔬采摘机械手在多方面具有显著优势。该果蔬采摘机械手系统工作效率高,能够实现24 h不间断工作,及时采摘当季果蔬。【结论】高效的工作模式能够为果蔬农户创造更大的经济效益,因此,智能机械手在现代果蔬采摘领域具有巨大的应用潜力和价值。     

基于Gazebo虚拟世界的草莓采摘机器人仿真研究

【目的】提高草莓采摘的自动化水平,解放劳动力并降低采摘成本。【方法】研究小组设计了一种基于曲柄连杆机构的三爪同步夹持式采摘机器人,分析了其主要部件Kinect深度相机、六轴机械臂以及三爪夹持式采摘机械手的结构设计,并在Gezebo虚拟世界中构建了采摘机器人的模型,生成了草莓采摘机器人的末端运动轨迹,完成了该草莓采摘机器人的前期开发试验和算法验证。【结果】该草莓采摘机器人可精准地夹持草莓,减小了采摘过程中对草莓表皮的损伤,同时机械臂末端运动半径最大可达770 mm,完全满足小型辅助采摘设备的基本需求。【结论】Gazebo能真实地还原草莓采摘的自然环境,充分验证了该草莓采摘机器人的可行性,同时还可以在虚拟环境中模拟不同的任务场景,可为六轴机械臂或其他多轴运动机械的运行轨迹设计提供准确的实验数据,并为机器人的实际应用提供指导。