开放式近地面蔬收获机器人及其关键技术研究项目可行性研究报告Word下载.docx

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5.2主要设备选择15

第六章主要原材料、能源供应18

6.1主要原材料供应18

6.2能源供应18

第七章土建及公用工程方案19

7.1厂址选择19

7.2总图及运输32

7.3土建工程33

7.4主要公用工程34

第八章环境保护、节能及劳动安全35

8.1厂址环境条件35

8.2项目生产对环境的影响35

8.3环境保护初步方案35

8.4节能36

8.5安全卫生的措施37

第九章投资估算与资金筹措38

9.1投资估算与融资方案38

9.2　融资方案40

第十章财务评价41

10.1基础数据与参数选取41

10.2销售收入41

10.3成本费用估算42

10.4财务评价48

10.5财务评价结论49

第十一章项目招投标及建设进度计划50

11.1招标方案依据50

11.2招标范围50

11.3招投标组织50

11.4项目招标组织的步骤51

11.5项目进行招标的内容51

11.6项目实施进度52

第十二章结论与建议53

12.1可行性研究结论53

12.2建议54

1．项目概述

开发农业机器人是21世纪农业机械自动化和智能化的发展趋势之一。

用于采摘、收获、修剪、耕耘、嫁接和农产品分级等方面的各具特色的农业机器人已在许多国家得以研究和开发应用。

但这些农业机器人只是具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下，间接地增加了成本。

因此，研究具有通用性、适应性强、可扩展的和低成本的开放式农业机器人是农业机器人走向实用普及的重要举措之一。

将农业机器人应用于农业生产，不仅需要能提高劳动生产率，合理利用劳动力资源，而且还能改善农业的生产环境，提高作业质量等。

但是，农业机器人所具有的作业对象的娇嫩性和不确定性、作业环境的非结构性、作业动作的复杂性、操作对象与价格的特殊性等特点，需要农业机器人具有高度的智能系统，实现最佳的作业内容与作业方法；

需要其结构简单，价格合理，便于操纵与推广使用；

需要其具有较强的适应性，符合农业生产的多样性与作业对象的多变性等要求。

目前，农业机器人的实现方式主要体现为2种，一种是利用现有的工业机器人实现具体的农业生产作业，另一种是研制专用机电系统的农业机器人来实现具体的农业人生产作业。

而已经开发出来的农业机器人主要分为两大类，一类为行走系列机器人，其主要目标是自助行走，边行走变作业，技术比较成熟，此类机器人有自行走耕耘机器人、施肥机器人、和除草机器人等；

另一类为机械手系列机器人，其作业对象是果实、家畜等离散个体，由于作业对象的基本形态特征和力学特征的不用，对机器人的目标识别技术和机械手的控制技术有很高的要求，此类机器人主要有嫁接机器人、采摘机器人和移栽（育苗）机器人等。

但这些机器人由于仅仅是为解决专门农业生产中的自动化与智能化而研制的，因而只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于季节性问题导致农业机器人使用效率低下，间接地增加了农业生产成本。

国内外对适用于农作物不同生产任务的开放式机器人的研究较少，仅有

等与

等开展了相关工作的研究。

尽管研究不多，但这类机器人的开发，特别是针对具有类似工作条件、易于操作转换的开放式农业机器人而言具有广阔前景。

笔者主要针对近地面果蔬的除草、喷药、喷水和采摘等作业任务，分析开放式农业机器人的特性要求与关键技术。

本项目的研究具有先进性和综合性的特点，将在末端执行器的更换和开放式系统的研究上取得重要突破，具有重要的理论与应用价值。

项目研究内容将直接应用于农业生产领域，项目研究成果将有力促进我国农业现代化的科技水平与发展进程。

2.必要性、可行性和重大意义

2．1必要性

（1）我国是一个农业大国，虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，农业劳动力必将逐步向社会其它产业转移，可以预计进入21世纪后，我国将面临着比世界任何国家都要严重的人口老龄化问题，农业劳动力将严重短缺。

（2）在农业生产项目中，许多环节如水果、蔬菜的采摘与挑选等都是劳动密集型工作，再加上农业季节性强的特点，使得果蔬采摘既耗时又费力，且效率低下，采摘成本占整个生产成本的很大部分。

（3）现在各国已研发出各种不同功能的农业机器人，但这些机器人大都只具有特定的功能，适应于特定的环境，通用性差，不便于对系统进行扩展和改进，并且由于农业季节性问题导致农业机器人的使用效率低下，间接的增加了成本，这也是农业机器人无法普及的主要原因。

（4）目前，已在应用的农业机器人均以CCD摄像机作为视觉传感器，易受自然环境的干扰，可靠性不高；

此外，因为现代控制算法的封闭式局限，使得农业机器人控制较为复杂，加上农民的文化素质普遍较低，所以可操作性较低。

（5）现有的农业机器人大都是专用的机电系统，而专用机电系统存在着通用性、可扩展性差的问题，如用采摘西瓜的机器人采摘苹果，那么从末端执行器、机械部分、控制部分至传感器部分都要换，这意味着又重设计了一个新的机电系统。

使得农业机器人的开发周期较长，成本较高，不利于推广和普及。

这些问题严重影响着农业生产现代化的工作进程，劳动力的日益萎缩，劳动生产率一直无法快速提高，都是我国农业发展亟待解决的重点问题，给农业机器人的推广和普及带来极大的障碍。

这些问题同时严重的阻碍农业机器人研究工作的高速发展，致使国民经济增长受到极大拖累。

因此，开展开放式农业机器人的关键技术研究，解决现有系统存在的问题，是十分必要的。

2．2可行性

（1）21世纪，随着工业现代化进程不断加快，农业现代化也取得了长足进步，国家“十二五规划”表明了我国要进一步实现现代化的决心，开发农业机器人已是农业现代化的必然趋势。

国家已设置现代农业产业化与农业科技攻关专项，加快发展现代农业，提高农业综合生产能力，完善现代农业体系。

为农业机器人的研发提供了政策和资金的保证。

（2）现代农业机器人大多是在已有的工业机器人技术基础之上，配以农业特殊性要求的专用系统的技术结晶。

本实验室对各种工业机器人已进行多年的深入研究，具备了大量的关键技术知识储备，尤其在多关节联动控制和多视觉信息融合控制上具有相当完善的成果，这也是多功能农业机器人开发的最主要也最关键的技术。

（3）本项目提出的多功能收获机器人系统是建立在前期大量调研的基础之上，主要针对近地面果蔬收获所面临的各种实际问题。

同时，充分考虑了多种末端执行器的更换和多视觉信息融合控制的要求，设计了具体可行的研究方案，将多种末端执行器的更换与机器人多视觉信息融合控制实现真正意义上的有机结合提供必要依据。

（4）项目研究目标和研究内容的构建既参考了实际应用背景的需要，也充分结合了项目研究者自身的技术优势，做到有的放矢，有力放矢。

项目研究目标明确，专注于构建多种末端执行器与多视觉控制相结合的智能控制系统，研究开放式农业机器人的若干关键问题。

研究内容虽然具有很大的挑战性，但课题组在要解决的多项关键技术上都有相似工作积累，经过深入的研究，完全可以实现预期目标。

综上所述，本项目的研究方案是切实可行的，具有创新性和前瞻性，研究团队具有良好的理论与技术积累，具有良好的前期工作基础，可以保证本项目树立完成，并取得预期的研究成果。

2．3重大意义

开展开放式农业机器人的关键技术研究，解决末端执行器更换的问题，改进现有系统的性能，具有如下的重大意义：

（1）随着工业现代化进程的不断加快，必然要求农业现代化的同步，进而要求解决农业中存在的大量消耗劳动力的现状，所以研发具有高科技，智能化的农业机器人势在必行。

（2）具有可更换多种末端执行器的机器人可以实现“一机多用”，增加了机器人的多功能性和性价比，从而降低成本，这将大大增强农民的购买力，为农业机器人的推广和普及奠定基础。

（3）随着现代农业生产的高科技化，具有高投入高产出、无明显季节性、可以连续耕作等特点的设施农业的不断发展和完善，都为农业机器人提供了广阔的市场和应用前提。

3.国内外发展现状及趋势，市场需求分析

3.1国内外发展现状及趋势

目前对农业机器人的研究多处于实验室的试验阶段。

没有得到实际应用。

这成为制约农业机器人进一步研究应用的瓶颈问题。

法国是研究果蔬采摘机器人较早的国家之一，但由于技术、市场和价格等因素的影响，大部分果蔬采摘机器人的研发工作已基本陷入停顿。

美国在自动化收获机器人方面没有一个清晰的战略，研究工作也趋于缓和。

荷兰收获机器人的研究工作走在很多国家的前面，但在果蔬采摘方面的种类并不多。

日本近年来开展了大量收获机器人项目研究，进展很快，但离真正的实现商业化还有段距离。

我国的研究工作正处于上升的阶段，但大部分研究都是针对采摘机器人的某一部分进行的，如视觉、机械臂、末端执行器等。

加快农业现代化发展，尤其是加快农业机械化发展已成为中国当前和今后相当长时期内的重要战略任务，中央和各级政府正在不断加大促进农业机械化发展的扶持力度，同时出台了一系列的农业科技攻关项目。

随着中国农业机械化事业的快速发展，农业机器人技术也必将成为中国未来农业技术装备研发的重要内容，并将取得较好较快的发展。

针对农业机器人的智能化程度问题，现阶段农业工程领域的专家纷纷把研究重心从机械部分转向机器视觉、人工智能方面，力图解决农业机器人的智能问题。

从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已有成熟的解决方案，但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善。

很多任务无法由农业机器人单独完成；

另一方面，即使是农业机器人具备了相当的智能，能够完成某种任务，然而由于其制造成本过高，开发难度极大而难以实际应用。

目前对于农业机器人的研究一般是采用上文提及的两种实现方式：

采用工业机器人和独立设计专用机电系统。

由于当前工业机器人局限于“专用计算机、专用机器人语言、专用微处理器”的封闭式结构。

封闭的控制器结构使工业机器人具有特定的功能、适应于特定的环境，不便于对系统进行扩展和改进，如增加传感器控制等功能模块。

工业机器人的封闭式结构也限制了农业机器人柔性生产能力和智能的扩展。

设计的专用农业机电系统的实现方式同样存在着扩展性、通用性差的问题。

因此，研究具有开放式结构的农业机器人已是当前农业机器人发展的最主要趋势。

开放式结构的思想源于现代化工业生产对机电设备的要求，计算机集成制造、柔性制造和敏捷制造等新的生产模式要求机电设备具有更大的柔性和更强大的编程环境，适应不同的应用场合和多品种小批量的生产。

为了提高机电系统的性能和智能水平，要求控制器具有开放结构和集成各种外部传感器的能力。

开放结构控制器大大提高了系统的柔性、可配置性、可扩展性、交互性、可交换性、可移植性、可伸缩性、可靠性和复用性。

与传统的专用系统相比，开放式机器人控制器的优点主要有：

1）开放式机器人控制器的设计可以由用户或第三方开发人员更换或修改，用户可以根据需要进行机器人控制器改型。

开放式机器人系统的应用范围更广；

2）硬件和软件结构很容易集成传感器、操作接口，新的伺服控制规律等；

3）开放式机器人控制器采用模块化技术，功能模块的复用可以降低开发成本，使得重复性的开发工作大大减少，从而减少了整个系统开发的时间和成本；

4）开放式控制器便于实现平台、操作系统和用户接口的标准化；

5）硬件和软件实现的开放式使得任何符合接口标准的第三方硬件和软件包都可以添加到系统中或替换功能相同的部件，从而刺激系统供应商之间的竞争。

通过竞争，一方面用户可以获得更丰富的硬件和软件资源，降低实现成本。

另一方面也加速了从研究系统向可操作系统的转化，这样缩短了从研究到商品化产品的周期。

开放式结构的农业机器人系统，具有良好的扩展性、通用性和柔性作业的能力。

机器人由机械、传感、控制三大部分组成，通过更换不同自由度的机械部分适应不同类型的农作物（如苹果、黄瓜，西红柿等），更换不同的末端执行器适应不同的作物（如西红柿、黄瓜、草莓等）。

针对不同作物，传感器部分适当地增加和减少。

控制部分保留足够接口，可以控制足够自由度的机械部分和接收传感器的信号。

因此，具有开放式结构的农业机器人开发周期短，降低了成本，增加了利用率，提高了农业机器人的性价比，有利于推广使用。

开放式结构的软件体系为实现人机协同、机机协作等新理论提供了理想平台，也便于智能性的扩展。

人机协同控制技术是解决农业机器人智能发展水平与复杂任务要求之间矛盾的一条有效途径。

人的参与，可以充分考虑和发挥人的经验、能动性以及对意外事件的反应能力，增强机器人处理突发事件以及不精确事件的能力，增强系统的鲁棒性。

机机协作即机器人之间的协同作业，多机器人的协同作业可以显著地提高农业机器人的智能和工作效率。

因此，具有开放式结构的农业机器人系统为解决农业机器人的智能问题提供了有效的途径。

开放式结构农业机器人系统的技术核心部分是其控制系统，因此具有开放式结构的农业机器人系统的根本要求是具有开放式结构的控制系统。

事实上，农业机器人也只有具有开放式结构的控制系统才能保证控制不同农业生产所需的不同机器人机械部分、末端执行器和传感器。

因此，建立符合开放式定义、特征的农业机器人控制系统，保证控制的可靠性、实时性，是关键所在。

3.2市场需求分析

我国果蔬栽培历史悠久，传统栽培管理技术对发展我国果蔬生产起到了基础保证作用。

随着现代高新技术在果蔬生产上的应用，如运用细胞生物学技术实现快速、优质、脱毒育苗，果蔬营养研究，测土配方施肥，果蔬化学控制以及反光地膜增色，果蔬修剪和果实套袋等先进栽培管理技术的推广，对我国果蔬质量的提高起到了重要的促进作用。

但由于我国果蔬生产尚处于分散栽培的小农经济阶段，存在着农民技术素质差，农业设备机械化水平较低，设施管理方法落后，果蔬结构不合理，病虫害防治不力等问题，都给我国果蔬生产带来诸多亟待解决的问题。

自上世纪末期我国设施蔬菜面积位居世界各国首位以来，近年来又取得了飞跃的发展，2010年以蔬菜为主体的设施栽培面积已达698万公顷，比1999年的139万公顷增减了5倍多，温室面积是欧洲、南美洲、东亚、美国总和的8倍多，其中塑料温室面积是上述地区和国家总和的11倍多。

此外，我国还是果品生产大国，物种资源丰富，果品品种达50多种，是世界果树起源最早、种类最多的原产地，堪称“世界园林之母”。

果品是世界农业经济的重要组成部分和人类生存必须的蛋白质、维生素等重要营养来源，也是食品工业的重要基础原料。

近年来国家放开果品购销价格实行多渠道经营，极大地调动了果农的生产积极性。

果品生产超速发展，目前我国果品总产量已跃居世界第一，产值仅次于我国粮食和蔬菜。

我国设施园艺（果蔬）面积已长期稳居世界第一，已成为真正的园艺大国。

但我国果蔬生产的现状是“大而不强”，如我国中低产果园比例较大，据联合国粮农组织统计，我国水果平均每公顷单产7905kg，而美国为31232kg，巴西为34923kg，世界平均单产9518kg。

目前我国苹果每公顷单产为5501kg，而美国为25445kg，世界平均水平产量为8084kg；

我国柑橘每公顷单产只有6248kg，而美国为27962kg，巴西为18682kg。

无论与发达国家还是世界平均水平比，我国水果单产都是很低的。

所以设施园艺的机械化水平和先进的管理方式都将对我国现代化农业产生重要影响。

根据我国果蔬生产现状和市场需求，特别面临着世界果蔬现代化生产的新形势，农业部又制定出了今后5~10年的果蔬发展总体规划。

果蔬生产指导方针是因地制宜调整布局、优化产品结构、面向国际国内两个市场、、加速果蔬的更新换代、发展现代农业生产模式、提高农业设备的机械化等。

农业机器人又是农业现代化中最重要的组成部分，所以农业机器人的发展程度亦代表着农业现代化的程度。

荷兰、日本、以色列、美国等都是农业现代化较早的国家，其设施设备标准化程度、农业机器人的系列化、农业机器人应用技术、新型设施材料开发与应用技术、设施综合环境调控及农业机械化技术等都有较高的水平，对我国发展现代农业生产具有重要的借鉴意义。

尤其是设施内生产管理的机械化与设施环境调控自动化是设施农业生产的重要方面，比如采用开放式农业机器人对农作物进行耕种、除草、喷药、采摘、挑拣等一系列工序，能提高作业的精度和效率、作业者的安全性与舒适性，实现省力化。

因此，我国农业现代化的总体发展目标是：

在种植面积不断扩展的同时，机械化水平、设施档次、管理水平、产量和品质等都能有明显提高，争取把我国由农业大国逐渐向农业强国迈进。

4.基础和条件，与项目相关的前期工作情况

4.1基础和条件

本项目的依托单位为沈阳工业大学。

沈阳工业大学是辽宁省的重点大学，学校在电气工程，机械工程以及材料科学与工程等方面具有相当的技术优势，拥有电机与电气国家二级学科，建有“国家稀土永磁电机工程技术中心”、“教育部特种电机与高压电器”、“教育部稀土永磁应用工程中心”和“科技部镁合金研发中心”四个国家重点实验室和研发中心，辽宁省重点实验室、工程中心和工程实验室10个。

“十一五”以来，科研进款量近10亿元，承担各类科研项目3400余项，科技成果鉴定97项，申请专利994项，获国家科技进步二等奖1项，省部级以上科技奖励114项，被三大检索收录论文3080篇。

学校被评为辽宁省知识产权“兴业强企”示范单位。

极端条件下新型永磁电机理论及其应用技术研究团队成功获批“教育部创新团队”，是辽宁省省属院校第二个国家级创新团队；

“现代电工装备理论与共性技术重点实验室”成功获批辽宁省高校重大科技平台。

科技成果产业化取得长足进展，2006年10月获批国家大学科技园，2008年入园企业达89家，年生产总值超过20亿元。

项目组所属学机械设计及理论为辽宁省一级重点学科，具有良好的实验研究条件，拥有先进的复杂曲面数控制造技术重点实验室、先进在线检测技术验室、先进焊接技术及自动化重点实验室等，配备数控编程室、数控电火花成型机、数控线切割机、三坐标测量机等高性能加工机器和处理实验系统。

这些软硬件实验系统均可用于本项目的基本实验研究。

对于本项目在研究开发过程中所需的其他设备环境，项目组均能根据所需进行设计与购置，完善实验系统，保证研究与开发工作的顺利完成。

项目负责人张禹，沈阳工业大学教授，在职教师。

1994年获大连理工大学机械制造工艺及设备专业学士学位，1999年获东北大学机械制造及其自动化专业硕士学位，2004年获中科院沈阳自动化研究所机械电子工程专业博士学位。

具有丰富的科学研究和项目管理经验，掌握水下滑翔机器人的驱动及运动机理的学科发展前沿，近几年来，一直在智能机器人面部表情、开放式农业机器人、助残-康复机器人、医疗机器人、工业弧焊机器人控制等领域开展研究工作，在多视觉信息融合技术、5自由度机器人的多关节联动控制、开放式控制系统等研究中取得了重要的理论与应用成果，为深入开展本项目的研究奠定了良好基础。

学术研究成果受到国内外同行的广泛关注与好评并发表学术论文12篇。

张禹教授主持完成的主要科研项目获奖有：

“水下滑翔机器人的驱动及运动机理研究”、“基于封闭式浮力驱动系统的自主水下观测平台研制”、“变刚度机器人腰部机构理论与实验研究”、“QYLGB118-45/2000E潜油螺杆泵采油系统研制”等，其中“QYLGB118-45/2000E潜油螺杆泵采油系统研制”获中国机械工业联合会科学技术三等奖、辽宁省科技进步二等奖。

这些有利条件成为项目能够顺利完成的坚实保障。

项目组的人员配备合理，均为工作在科研与开发第一线的骨干教师、技术人员，以及研究生队伍，具有丰富的科研经验和锐意进取的探索精神。

项目申请团队拥有良好的实验研究条件，拥有先进的复杂曲面数控制造技术重点实验室、先进在线检测技术验室、先进焊接技术及自动化重点实验室等。

这些软硬件实验室均可用于本项目的基本实验研究。

4.2相关前期工作情况。

4.2.1申请者发表与本项目有关的主要论著目次和获奖情况

申请人主要论著：

[1]张禹；

李雀屏；

杨国哲；

苏东海.水下滑翔机器人载体外形设计与优化[J].机械设计与制造,2010,10:

148-150.

[2]续长明；

张禹；

许培武.基于太阳能的水下机器人的设计[J].机械制造机器自动化,2011,40（3）:

138-140.

[3]张禹；

石莹；

苏东海.水下滑翔机器人控制系统研究与开发[J].制造业自动化,2009,31（5）:

26-28.

[4]张禹；

田佳平；

田佳鑫；

张秀红.水下滑翔机器人载体结构的有限元分析[J].制造业自动化,2008,21

（1）:

6552-6555.

[5]张禹；

张亮；

何广涛；

苏东海.水下机器人实时仿真平台研究与开发[J].系统仿真学报,2008,30（22）:

457-460.

[6]SuDonghai;

ZhangYu;

ShiYing;

YangKuo.Researchandrealizationoffacialexpressionrobot[C].AdvancedMaterialsResearch,Oct.2012:

6825-6831.

[7]ZhangYu;

Yangkuo;

DengXueying;

ShiYing.Reaserchandrealizationoffacialexpressionrobot[C].AdvancedMaterialsResearch,Apr2012:

7413-7419.

申请人已完成的省级以上科研项目：

[1]国家九五重大科技攻关项目“智能型住宅技术”，项目编号：

95-920-01，1996.1-1997.12，项目负责人。

5.总体目标、考核指标、主要研究内容、实施进度安排

5.1总体目标

本项目以多种末端执行器的更换和开放式控制系统的研发为目标，通过对相关关键技术进行研究，构建出具有国内一流水平的开放性系统研究平台，为多功能农业机器人提供技术支撑。

主要建设目标包括：

（1）研制出可扩展、可升级的开放式机械系统，并优化系统的控制算法，使得机器人具有可更换多种末端执行器的功能，且作业动作更加精确和高效。

（2）设计和制造出多种末端执行器的零部件实体模型和开放式操作系统，对项目研究的理论与技术成果进行展示。

（3）培养出一支团结、协作、善于攻关的教学与科研队伍，增强承担国家级和省级重大项目的能力；

培养一批综合素质高、创新能力强硕士研究生。

（4）取得一批高水平科研成果，申请并获得国家级科研项目，申报若干项国家级和省部级科技成果奖。

（5）发表一批高水平学术论文，出版著作与教材，申报一批国家专利和软件著作权。

5.2考核指标

项目通过对开放式农业机器人的关键技术研究，解决了现有操作系统普遍存在的问题，设计开发一种更加智能和有效的操作系统。

项目考核指标如下：

（1）所研制的农业机器人可简单、有效的更换多种末端执行器，并且能顺利完成相对