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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 基于智能機(jī)械臂的大蒜自動(dòng)播種機(jī)的設(shè)計(jì)
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 大蒜是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，已連續(xù)多年居我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品出口第一位。長(zhǎng)久以來(lái)大蒜播種完全依賴于人工播種，在研播種機(jī)無(wú)法解決蒜種正立問(wèn)題且種子堵塞、損傷問(wèn)題嚴(yán)重，均未得到推廣使用，我國(guó)迫切需要研究和開(kāi)發(fā)大蒜播種機(jī)械。本研究主要運(yùn)用單片機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和機(jī)械臂，有效的保證大蒜種子朝向提高發(fā)芽率，保證大蒜的蒜形和產(chǎn)量 ,實(shí)現(xiàn)大蒜播種的自動(dòng)化，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、降低勞動(dòng)強(qiáng)度、增加農(nóng)民收入具有重要意義。
- 詳細(xì)介紹：
- 本作品采用單片機(jī)控制智能機(jī)械臂自動(dòng)完成大蒜播種過(guò)程，機(jī)械臂自動(dòng)夾取大蒜種子后自動(dòng)移動(dòng)到播種區(qū)進(jìn)行插播種子，有效的解決了播種時(shí)正立問(wèn)題，可以調(diào)整種子的插入深度和株距，保證了大蒜的發(fā)芽率、蒜形和產(chǎn)量。本項(xiàng)目首創(chuàng)性的將智能機(jī)械臂運(yùn)用到大蒜播種機(jī)中，打破了目前國(guó)內(nèi)研制大蒜播種機(jī)滯留純機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了播種機(jī)械智能化、自動(dòng)化。 作品系統(tǒng)設(shè)計(jì)： 一、機(jī)械臂是一種模擬人臂的機(jī)械裝置，具有多自由度，可以完成復(fù)雜的三維動(dòng)作。機(jī)械臂動(dòng)作靈活可靠，工作效率和質(zhì)量非常高，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著極其主要的作用，同時(shí)在國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和加工中得到大量應(yīng)用。本研究采用的是六自由度機(jī)械臂，它可以完成抓取、移動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和翻轉(zhuǎn)等復(fù)雜動(dòng)作。機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)裝置是動(dòng)作精密度很高的舵機(jī),可以精確地驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)完成復(fù)雜的動(dòng)作要求，因而控制機(jī)械臂能夠完成復(fù)雜的大蒜播種過(guò)程。 二、舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，是機(jī)器人、機(jī)電系統(tǒng)和航模的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。舵機(jī)的控制信號(hào)是PWM信號(hào)，信號(hào)的周期為20ms；通過(guò)改變PWM信號(hào)的占空比控制舵機(jī)運(yùn)動(dòng)的不同位置，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。根據(jù)舵機(jī)控制所需的PWM寬度為0.5ms—2.5ms，周期為20ms。本研究采用T0產(chǎn)生0.5—2.5msPWM控制信號(hào)，T1設(shè)定動(dòng)作延時(shí)時(shí)間使舵機(jī)有序平穩(wěn)的完成動(dòng)作。通過(guò)設(shè)定T0、T1的工作模式和編譯控制程序，單片機(jī)控制舵機(jī)精確地運(yùn)動(dòng)。 三、本研究以52系列單片機(jī)作為控制芯片的主要研究對(duì)象。52系列單片機(jī)有8大部分組成，其為CPU、片內(nèi)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)I/O接口、可編程串行口、特殊功能寄存器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器和中斷系統(tǒng)。它具有指令控制簡(jiǎn)單、運(yùn)算速度快、工作可靠穩(wěn)定、能耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。本研究主要運(yùn)用單片機(jī)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制器—舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 本研究中主要運(yùn)用到單片機(jī)的T0和T1計(jì)時(shí)器產(chǎn)生控制舵機(jī)PWM信號(hào)，6個(gè)I/O分別連接6個(gè)舵機(jī)控制信號(hào)端口，RXD、TXD串行口與上位機(jī)通信。 四、控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 根據(jù)控制系統(tǒng)功能需要，外圍電路包括三大部分： (1)單片機(jī)功能匹配電路，使單片機(jī)正常工作和選擇合適的機(jī)器周期時(shí)間。 (2)串行口通信電路，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，下載控制程序和收集舵機(jī)工作在不同位置的數(shù)據(jù)。 (3)電源電路，為控制系統(tǒng)和機(jī)械臂提供電源。 五、控制程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試 控制舵機(jī)的數(shù)據(jù)采取每步動(dòng)作一個(gè)數(shù)組的形式，將一組數(shù)據(jù)發(fā)送給舵機(jī)后進(jìn)行延時(shí)，待延時(shí)結(jié)束時(shí)在進(jìn)行下一組的數(shù)據(jù)的發(fā)送，由此循環(huán)。通過(guò)不斷地調(diào)整程序和運(yùn)行試驗(yàn)，編譯成比較完善的控制程序。在本研究中，自動(dòng)播種系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)相對(duì)比較固定，并且要求循環(huán)播種。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，不斷修改進(jìn)機(jī)械臂運(yùn)行中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)控制舵機(jī)數(shù)據(jù)，不斷完善和提高機(jī)械臂的工作性能。 六、自動(dòng)播種裝置的可行性研究 本研究采用的單片機(jī)和機(jī)械臂，其在工業(yè)和農(nóng)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，工作性能穩(wěn)定可靠，效率高。通過(guò)制作試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M，初步達(dá)到了設(shè)計(jì)方案重要的大蒜播種時(shí)種子正立的要求，具有科學(xué)性和可行性。本方案有很不少改進(jìn)的地方和缺陷，但具有很大的創(chuàng)新性，結(jié)合了當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)中廣泛應(yīng)用潮流，同時(shí)對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械研發(fā)具有很高借鑒意義。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 1.設(shè)計(jì)發(fā)明目的和基本思路: （1）大蒜是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物，已連續(xù)多年居我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品出口第一位，但目前大蒜種植完全依賴于人工點(diǎn)播，在研播種機(jī)無(wú)法解決蒜種正立問(wèn)題且種子堵塞、損傷問(wèn)題嚴(yán)重，均未得到推廣使用，嚴(yán)重制約了我國(guó)大蒜產(chǎn)量和質(zhì)量的快速提高。本作品首創(chuàng)性的將智能機(jī)械臂應(yīng)用到大蒜播種中，有效地解決了播種時(shí)種子正立入土的技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)種子損傷極小、株距整齊均勻，提高了播種效率，保障了大蒜的發(fā)芽率和蒜形質(zhì)量，大大提高大蒜的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。 （2）本作品采用單片機(jī)控制智能機(jī)械臂自動(dòng)完成大蒜播種過(guò)程，機(jī)械臂自動(dòng)夾取大蒜種子后自動(dòng)移動(dòng)到播種區(qū)進(jìn)行插播種子，保證了種子正立入土，種子的插播深度和株距都可以控制調(diào)節(jié)，整個(gè)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制。 2.創(chuàng)新點(diǎn) （1）目前在研的各類大蒜播種機(jī)均屬于純機(jī)械設(shè)計(jì)，本作品創(chuàng)新性的運(yùn)用智能機(jī)械臂和單片機(jī)控制系統(tǒng)，打破了大蒜播種機(jī)設(shè)計(jì)研究只停滯機(jī)械的局面。 （2）本作品采用智能機(jī)械臂,可以自動(dòng)完成抓取、移動(dòng)、播種等復(fù)雜動(dòng)作，有效地保證了種子正立入土和精確播種，減少了種子損傷，大大提高了大蒜播種的效率和質(zhì)量。本作品實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的機(jī)械的自動(dòng)化以及精準(zhǔn)化，符合當(dāng)今農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)代化的發(fā)展趨勢(shì)。 3.技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)： 本研究將智能機(jī)械臂應(yīng)用于大蒜播種，在播種質(zhì)量、確保蒜種正立入土、播種精度、播種均勻度、減小種子損傷率等方面都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)播種方式（大蒜點(diǎn)播機(jī)、 壓穴式大蒜栽種機(jī)、多功能大蒜栽種機(jī)）。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 科學(xué)性先進(jìn)性： （1）大蒜種植依賴人工點(diǎn)播，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下。本作品改變了傳統(tǒng)大蒜種植模式，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化播種，保證了種子的正立問(wèn)題，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)效益。 （2）本作品首創(chuàng)性的將智能機(jī)械臂運(yùn)用到大蒜播種機(jī)中，打破了目前國(guó)內(nèi)研制大蒜播種機(jī)滯留純機(jī)械設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀。 （3）智能機(jī)械臂和單片機(jī)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，性能穩(wěn)定可靠，工作效率高，本作品具有科學(xué)性和先進(jìn)性 （4）本作品著重解決了大蒜入土?xí)r的正立問(wèn)題，播種均勻，種子破損率極低，提高了出苗率，保證了蒜形質(zhì)量，大大提高了產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。 （5）本作品操作簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)智能控制。 （6）適應(yīng)性較強(qiáng)?？梢酝ㄟ^(guò)改變程序數(shù)據(jù)，調(diào)整判斷基準(zhǔn)、動(dòng)作順序以及運(yùn)動(dòng)距離，解決了因土壤質(zhì)量、播種密度要求、播種深度要求、大蒜品種的不同導(dǎo)致的無(wú)法作業(yè)問(wèn)題。 （7）本研究方法可以運(yùn)用其他農(nóng)業(yè)機(jī)械中，具有借鑒和推廣價(jià)值和意義。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 無(wú)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無(wú)
作品可展示的形式
- 模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、錄像
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 1.技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì) ①保證了蒜種正立入土和在土壤中正立。 ②播種精度高，蒜種破損率小。 ③種植密度可調(diào)，株行距均勻，播種深度。 ④可移植于其他機(jī)械，具有借鑒價(jià)值。 2.適用范圍： ①適用于不同土質(zhì)和不同品種的大蒜種植，適用性強(qiáng)、范圍廣。 ②可以調(diào)整大蒜的插播深度、株距大小，適用于不同播種要求。 3.市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)： ①我國(guó)大蒜出口貿(mào)易發(fā)展十分迅速，是單項(xiàng)出口額最大的農(nóng)產(chǎn)品?，F(xiàn)在研大蒜播種機(jī)無(wú)法解決蒜種正立入土和在土壤中直立的技術(shù)難題，同時(shí)蒜種損傷、出苗率低，未得到大面積推廣使用。大蒜種植完全依賴人工點(diǎn)播，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，市場(chǎng)迫切需要播種精度高的大蒜播種機(jī)。 ②本作品首創(chuàng)性的運(yùn)用了智能機(jī)械臂，有效地保證了播種時(shí)正立問(wèn)題，極大地減少傷種率，保證了發(fā)芽率和蒜形質(zhì)量，大大提高了播種效率和質(zhì)量，有利于促進(jìn)農(nóng)民的增產(chǎn)增收和大蒜產(chǎn)業(yè)化發(fā)展；同時(shí)也對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)用起到一定的借鑒意義和推廣價(jià)值，符合現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，其前景廣闊。
同類課題研究水平概述
- 我國(guó)現(xiàn)研制大蒜播種機(jī)對(duì)比： 1.大蒜點(diǎn)播技術(shù) 首先用壓穴錐壓穴，然后用機(jī)械傳送蒜種到種穴，在傳送過(guò)程中，蒜種根部朝向處于自由狀態(tài)，蒜種投放到種穴時(shí)，蒜種根部方向完全由落種瞬間朝向及落種位置隨機(jī)確定。這種播種技術(shù)的缺點(diǎn)很明顯，大蒜種植時(shí)的一個(gè)重點(diǎn)要求就是必須保證蒜種根部向下。如果大蒜根部不是向下，就會(huì)延長(zhǎng)發(fā)芽時(shí)間，影響發(fā)芽率、蒜苗生長(zhǎng)方向和蒜形，導(dǎo)致大蒜產(chǎn)量和質(zhì)量嚴(yán)重下降。 2.壓穴式大蒜栽種機(jī) 先用半球面形機(jī)械壓出孔穴，然后將蒜種投放到穴內(nèi)，利用穴內(nèi)球面控制蒜瓣根部朝向,最后覆土。該方式利用種穴形狀和重力作用基本解決了蒜種根部向下的問(wèn)題，但蒜瓣直立度沒(méi)有保證，對(duì)發(fā)芽時(shí)間、蒜苗生長(zhǎng)方向和蒜形產(chǎn)生較大影響，而且機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、龐大，費(fèi)用較高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?。 3.多功能大蒜栽種技術(shù) 播種設(shè)備由動(dòng)力、供料器、根部向下控制器、開(kāi)溝器等組成，先由開(kāi)溝器開(kāi)溝，根部控制器通過(guò)自動(dòng)感應(yīng)調(diào)整蒜種根部朝向，使種子在入土前完成正立，然后通過(guò)傳送裝置將蒜種插入土壤中。該技術(shù)解決了蒜種輸送過(guò)程中要求根部向下的技術(shù)問(wèn)題，但沒(méi)有解決蒜種在土壤中要求直立的難題，且易產(chǎn)生堵塞、種子損傷的現(xiàn)象。雖然提高了播種效率，但依然存在明顯缺陷，所以一直停留在試驗(yàn)田研究階段，沒(méi)有在大面積生產(chǎn)中大規(guī)模推廣和應(yīng)用。 以上大蒜播種機(jī)均為純機(jī)械式設(shè)計(jì)，都未達(dá)到大蒜播種生產(chǎn)要求，未能得到大面積推廣使用。相對(duì)比，本作品首創(chuàng)性的將智能機(jī)械臂應(yīng)用到自動(dòng)大蒜播種裝置中，打破了同類研究滯留在純機(jī)械設(shè)計(jì)的局面；有效地解決了大蒜播種中正立問(wèn)題，種子損傷極小，播種深度和株距可控可調(diào)，大大提高了發(fā)芽率和蒜形質(zhì)量，保障了大蒜的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益。因而，本作品具有科學(xué)性和創(chuàng)新性，對(duì)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)機(jī)械運(yùn)用起到一定的借鑒意義和推廣價(jià)值，運(yùn)用前景廣闊。
