苗間鋤草機器人設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計【SW三維仿真+5張CAD圖紙+說明書】
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1 研究目的意義
1.1 研究目的
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)急需發(fā)展，各種人工的生產(chǎn)已經(jīng)不能滿足需要。除草機器人的研究，這其中機器人機械臂的運動學(xué)分析和圖像識別又是比較關(guān)鍵的技術(shù)，以及除草方法的不斷改進(jìn)更使效率大大提高。相信隨著我國對對農(nóng)業(yè)機器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機器人的研究領(lǐng)域會取得重大的突破。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力家大大提高。
1.2 研究意義
農(nóng)田雜草直接與莊稼爭奪營養(yǎng)、水分和陽光，影響作物生長，減少作物產(chǎn)量。人工除草勞動強度大，效率低，使用除草劑，可有效抑制雜草，但污染環(huán)境。開發(fā)高效地去除雜草、降低以致消除生態(tài)污染的自動化除草機器人十分必要，從長遠(yuǎn)來看，將具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。
力圖使得農(nóng)田除草工作主要由機器人來完成，高效、自動，減少人們的煩瑣勞動；有選擇地、精確地施用除草劑，避免傷及作物；與傳統(tǒng)的噴霧施藥方法相比，大幅減少除草劑的用量，保護(hù)了環(huán)境。
農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，特別是除草機器人的發(fā)展是我們國家農(nóng)業(yè)高效產(chǎn)業(yè)化走向更多的土地，從各種角度將我們都有很大的動力和空間把我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展的更加現(xiàn)代化，除草機器人，將會更加科學(xué)。
2 研究的現(xiàn)狀、基本內(nèi)容及方案
2.1 研究現(xiàn)狀
2.1.1 國外研究現(xiàn)狀
目前農(nóng)業(yè)機器人的研究主要涉及機器人田間的自主導(dǎo)航和作業(yè)目標(biāo)的識別、定位、作業(yè)機構(gòu)設(shè)計兩方面。對于前者，研究的重點在于信息獲取以及作業(yè)規(guī)劃與自治控制方面，或可粗略地稱為行走系列機器人，如：田間耕耘、農(nóng)田信息采集機器人等。后者則著重于模式分類以及操作結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制等，或稱機械手系列機器人，如：果蔬采摘、品質(zhì)測定、水果分揀、蔬菜嫁接機器人等。兩者相輔相成，互相滲透，根據(jù)農(nóng)作活動的差異，各有側(cè)重。
美國伊利諾依大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系研究了應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)采集和計算雜草分布特性，進(jìn)行施用量決策并控制噴頭工作的智能噴霧機。該系統(tǒng)能在3．7米×0．43米范圍內(nèi)分辨出作物、雜草和土壤，并在O．24秒內(nèi)做出噴霧決策。這樣噴霧機能以14千米／小時的速度行進(jìn)，目標(biāo)分辨準(zhǔn)確率為91％。
澳大利亞科研人員研發(fā)出一種智能化農(nóng)田施藥機械，它在田間移動時，能借助專門的電子傳感器來區(qū)分莊稼和雜草，一旦發(fā)現(xiàn)雜草便噴灑除草劑。這種只針對雜草的噴灑方式使除草劑的花費只有常規(guī)噴灑的l／lO，甚至更低，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的污染。
2.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
除草機器人可以代替人類進(jìn)行除草活動，減輕農(nóng)民的勞動強度，也可以減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)量，提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動化和智能化。國外較早開展了除草機器人研究；在國內(nèi)，南京林業(yè)大學(xué)陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機器人，設(shè)計了由主體、機械臂、輪子和攝像頭組成的自動施藥除草機器人。通過機器視覺檢測出雜草，利用機械臂進(jìn)行“直接施藥方法’’除草，大大減少了化學(xué)除草劑使用量，從而有效地減少了環(huán)境污染。
東北林業(yè)大學(xué)研制了林木球果采集機器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹，強度大、安全性差、生產(chǎn)率低，對母樹損傷較大的問題。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了蔬菜自動嫁接技術(shù)研究，實現(xiàn)了幼苗的精確定位、快速抓取、良好切削，解決了蔬菜幼苗柔嫩、易損和生長不一致等難題。機器人采用獨特嫁接方法，自動完成嫁接作業(yè)，速度達(dá)600棵／小時，成功率95％以上。
2.2 基本內(nèi)容
（1）利用solidwork建模和機械臂優(yōu)化設(shè)計，確定了機械臂的工作形式，制作了與機器人本體相適應(yīng)的四關(guān)節(jié)機械臂。
（2）完成苗間鋤草機器人的模型并進(jìn)行初步模擬實驗，使機器人可以沿著幼苗前進(jìn)并基本去除其間的雜草，達(dá)成設(shè)計目的。
2.3 研究方案
（1）確定苗間鋤草機器人總體的初步設(shè)計方案。
（2）制定機械臂的初步模型。
（3）確定機器人各部分的零件選擇。
（4）基于solidwork 的三維建模，以及模型的生成。
（5）除草機器人的模擬實驗和分析
3 預(yù)期結(jié)果和創(chuàng)新點
本課題設(shè)計、制作了除草機械臂，初步研究了末端執(zhí)行器控制系統(tǒng)。除草機器人在室內(nèi)進(jìn)行了大量的除草和導(dǎo)航試驗，試驗表明機器人能可靠地自主行走并準(zhǔn)確地定位雜草。
具體完成了以下幾個方面的工作：
(1)進(jìn)行了除草機械臂的優(yōu)化設(shè)計、實物制作并著重分析其運動學(xué)問題，使機械臂可以可以大體上完成苗間雜草的去除。
(2)初步實現(xiàn)了除草機器人鋤草部分單片機控制系統(tǒng)，制作了控制系統(tǒng)。
(3)進(jìn)行了大量機器人控制調(diào)試與試驗，證實了機械臂和機器人運行的正確性和有效性，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果，取得了初步的成功。
目前，國際上除草機器人的研制處于初級階段，國內(nèi)尚沒有這方面的報道，本文初次研究了基于圖像識別的導(dǎo)航技術(shù)與雜草識別技術(shù)相結(jié)合的除草機器人，并制作了除草機器人樣機；另外，本研究提出了在切割過程中涂抹農(nóng)藥的施藥除草新技術(shù)。
本課題的研究有下列創(chuàng)新：
(1)開展了直接物理方法的除草機器人深入研究，制作了除草機器人樣機，開發(fā)了有效的控制軟件，并完成了軟硬件的聯(lián)合調(diào)試，試驗取得了成功。
(2)設(shè)計了適合完成田間除草功能的多關(guān)節(jié)機械臂，并實現(xiàn)了基本的除草控制，試驗成功。
5 參考文獻(xiàn)
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2.?陳勇,鄭加強,?郭偉斌.?除草機器人機械臂運動分析與控制[J].?農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2007,38(8):?105-108?
3.?侯學(xué)貴,陳勇,郭偉.?除草機器人田間機器視覺導(dǎo)航[J].?農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2008,39(3)：106-108?
4.?陳勇,田磊,鄭加強.?基于直接施藥方法的除草機器人[J].?農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2005,36(10):?91-93?
5.?李東升?張蓮潔.?國內(nèi)外除草技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].?森林工程,2002,18(1)：17-18?
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畢業(yè)設(shè)計
題 目
苗間鋤草機器人設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計
學(xué)生姓名
學(xué) 號
系 部
專 業(yè)
班 級
指導(dǎo)教師
二〇一五年X月
摘要
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)急需發(fā)展，各種人工的生產(chǎn)已經(jīng)不能滿足需要。除草機器人的研究，這其中機器人機械臂的運動學(xué)分析和圖像識別又是比較關(guān)鍵的技術(shù)，以及除草方法的不斷改進(jìn)更使效率大大提高。相信隨著我國對對農(nóng)業(yè)機器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機器人的研究領(lǐng)域會取得重大的突破。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力家大大提高。
本文設(shè)計一款苗間鋤草機器人，其包括機器人行走機構(gòu)、無線功能模塊、除草機構(gòu)、電源模塊、視覺模塊等組成。本苗間鋤草機器人利用其視覺處理模塊可實現(xiàn)全自動自行移動除草工作，同時利用其無線功能模塊可實現(xiàn)遙控除草工作。除草機構(gòu)可上線擺動工作，適應(yīng)不同的工況。本文首先確認(rèn)除草機器人方案，完成關(guān)鍵部件設(shè)計計算，然后利用三維SOLIDWORKS完成苗間鋤草機器人的三維建模，并導(dǎo)出二維工程圖，最后利用SOLIDWORKS對苗間鋤草機器人進(jìn)行運動仿真。
關(guān)鍵詞：苗間鋤草機器人，行走機構(gòu)，視覺模塊，運動仿真，三維建模
Abstract
With the rapid development of agricultural production, agricultural production technology need development, all kinds of artificial production has been unable to meet the needs. Study on weeding robot, the kinematics analysis and recognition robot manipulator is the key technology, continuous improvement and weeding method more improve the efficiency. I believe that with the country attaches great importance to the agricultural robot, in our country agricultural weeding robot research field will make breakthroughs. China's agricultural production capacity greatly increased home.
The design of a weeding robot in this paper, including the robot, wireless module, power supply module, weeding mechanism, visual module etc.. The weeding robot using the visual processing module can realize the automatic self moving weeding work, while using its wireless remote control module can realize the function of weeding. Weeding mechanism can work on-line swing, adapt to different working conditions. This paper first confirms the weeding robot program, complete the key components of the design calculation, 3D modeling and 3D SOLIDWORKS to complete the weeding robot, and the output of engineering drawing, finally using SOLIDWORKS motion simulation for weeding robot.
Keywords: weeding robot, walking mechanism, vision module, motion simulation, 3D modeling
目錄
摘要 i
Abstract ii
第一章 引言 5
1.1 課題研究的目的及意義 5
1.1.1課題研究的目的 5
1.1.2 課題研究的意義 5
1.2苗間鋤草機器人國內(nèi)外的現(xiàn)狀 5
1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀 5
1.2.2國外研究現(xiàn)狀 6
1.3 國內(nèi)外可移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.4 移動機器人的關(guān)鍵技術(shù) 7
1.5 課題設(shè)計思路 9
1.6 課題設(shè)計結(jié)構(gòu) 9
第二章 苗間鋤草機器人的總體設(shè)計方案 10
2.1苗間鋤草機器人的組成及各部分關(guān)系概述 10
2.2 苗間鋤草機器人驅(qū)動方案的確認(rèn) 10
2.2.1 液壓驅(qū)動 10
2.2.2 氣壓驅(qū)動 10
2.2.3 電動機驅(qū)動 11
2.2.4 驅(qū)動方案的確認(rèn) 11
2.3 總體方案擬定 11
第三章 苗間鋤草機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 13
3.1機器人行走驅(qū)動方案的選擇 13
3.2驅(qū)動電機的選擇 14
3.3機器人底盤的設(shè)計 17
3.4 機器人車輪的設(shè)計 17
3.5鋤草刀片的設(shè)計 18
3.6 輔助輪階梯軸的有限元分析 19
3.6.1 階梯軸零件的三維建模 19
3.6.2 確定材料 19
3.6.3 添加夾具 20
3.6.4 施加載荷 21
3.6.5 生成網(wǎng)格 21
3.6.6 運算求解 22
3.6.7 分析結(jié)果輸出 22
第四章 苗間鋤草機器人三維造型的設(shè)計 25
4.1 Solidworks軟件簡介 25
4.2 零件建模 27
4.2.1階梯軸三維建模的形成 27
4.2.2 底盤的三維建模形成 27
4.2.3其他零件的三維模型造型 27
4.3零件裝配 28
4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換 30
第五章 苗間鋤草機器人的仿真 33
5.1機構(gòu)仿真的作用 33
5.2機構(gòu)仿真類型 33
5.3機構(gòu)運動仿真步驟 33
5.4 機構(gòu)功能 33
5.5 本章小結(jié) 34
第六章 結(jié)論 35
6.1 本論文所取得的結(jié)果 35
6.2 技術(shù)展望 35
參考文獻(xiàn) 36
致謝 38
第一章 引言
1.1 課題研究的目的及意義
1.1.1課題研究的目的
隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)急需發(fā)展，各種人工的生產(chǎn)已經(jīng)不能滿足需要。除草機器人的研究，這其中機器人機械臂的運動學(xué)分析和圖像識別又是比較關(guān)鍵的技術(shù)，以及除草方法的不斷改進(jìn)更使效率大大提高。相信隨著我國對對農(nóng)業(yè)機器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機器人的研究領(lǐng)域會取得重大的突破。我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力家大大提高。
1.1.2 課題研究的意義
農(nóng)田雜草直接與莊稼爭奪營養(yǎng)、水分和陽光，影響作物生長，減少作物產(chǎn)量。人工除草勞動強度大，效率低，使用除草劑，可有效抑制雜草，但污染環(huán)境。開發(fā)高效地去除雜草、降低以致消除生態(tài)污染的自動化除草機器人十分必要，從長遠(yuǎn)來看，將具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。
力圖使得農(nóng)田除草工作主要由機器人來完成，高效、自動，減少人們的煩瑣勞動；有選擇地、精確地施用除草劑，避免傷及作物；與傳統(tǒng)的噴霧施藥方法相比，大幅減少除草劑的用量，保護(hù)了環(huán)境。
農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展，特別是除草機器人的發(fā)展是我們國家農(nóng)業(yè)高效產(chǎn)業(yè)化走向更多的土地，從各種角度將我們都有很大的動力和空間把我國的農(nóng)業(yè)發(fā)展的更加現(xiàn)代化，除草機器人，將會更加科學(xué)。
通過本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計過程中綜合大學(xué)所學(xué)基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)知識和技能去分析和解決一般工程技術(shù)問題的能力；進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生分析問題、創(chuàng)造性地解決實際問題的能力。
1.2苗間鋤草機器人國內(nèi)外的現(xiàn)狀
1.2.1國內(nèi)的研究現(xiàn)狀
除草機器人可以代替人類進(jìn)行除草活動，減輕農(nóng)民的勞動強度，也可以減少農(nóng)業(yè)從業(yè)人口數(shù)量，提高農(nóng)業(yè)設(shè)備的自動化和智能化。國外較早開展了除草機器人研究；在國內(nèi)，南京林業(yè)大學(xué)陳勇等率先提出了基于直接施藥方法的除草機器人，設(shè)計了由主體、機械臂、輪子和攝像頭組成的自動施藥除草機器人。通過機器視覺檢測出雜草，利用機械臂進(jìn)行“直接施藥方法”除草，大大減少了化學(xué)除草劑使用量，從而有效地減少了環(huán)境污染。
東北林業(yè)大學(xué)研制了林木球果采集機器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹，強度大、安全性差、生產(chǎn)率低，對母樹損傷較大的問題。
中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了蔬菜自動嫁接技術(shù)研究，實現(xiàn)了幼苗的精確定位、快速抓取、良好切削，解決了蔬菜幼苗柔嫩、易損和生長不一致等難題。機器人采用獨特嫁接方法，自動完成嫁接作業(yè)，速度達(dá)600棵／小時，成功率95％以上。?
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
目前農(nóng)業(yè)機器人的研究主要涉及機器人田間的自主導(dǎo)航和作業(yè)目標(biāo)的識別、定位、作業(yè)機構(gòu)設(shè)計兩方面。對于前者，研究的重點在于信息獲取以及作業(yè)規(guī)劃與自治控制方面，或可粗略地稱為行走系列機器人，如：田間耕耘、農(nóng)田信息采集機器人等。后者則著重于模式分類以及操作結(jié)構(gòu)設(shè)計與控制等，或稱機械手系列機器人，如：果蔬采摘、品質(zhì)測定、水果分揀、蔬菜嫁接機器人等。兩者相輔相成，互相滲透，根據(jù)農(nóng)作活動的差異，各有側(cè)重。
美國伊利諾依大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物工程系研究了應(yīng)用機器視覺系統(tǒng)采集和計算雜草分布特性，進(jìn)行施用量決策并控制噴頭工作的智能噴霧機。該系統(tǒng)能在3．7米×0．43米范圍內(nèi)分辨出作物、雜草和土壤，并在O．24秒內(nèi)做出噴霧決策。這樣噴霧機能以14千米／小時的速度行進(jìn)，目標(biāo)分辨準(zhǔn)確率為91％。
澳大利亞科研人員研發(fā)出一種智能化農(nóng)田施藥機械，它在田間移動時，能借助專門的電子傳感器來區(qū)分莊稼和雜草，一旦發(fā)現(xiàn)雜草便噴灑除草劑。這種只針對雜草的噴灑方式使除草劑的花費只有常規(guī)噴灑的l／lO，甚至更低，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的污染。
1.3 國內(nèi)外可移動機器人的發(fā)展現(xiàn)狀
移動機器人是機器人學(xué)中的一個重要分支。早在60年代，就己經(jīng)開始有關(guān)于移動機器人的研究。關(guān)于移動機器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對于水下機器人，則是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動器的控制，以使機器人達(dá)到期望的行為。第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃，對于后者，有更多的方面要考慮，如傳感融合，特征提取，避碰及環(huán)境映射。因此，移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。由于對移動機器人的研究，提出了許多新的或挑戰(zhàn)性的理論與工程技術(shù)課題，引起越來越多的專家學(xué)者和工程技術(shù)人員的興趣，更由于它在軍事偵察、掃雷排險、核、化污染等危險與惡劣壞境以及民用中的物料搬運上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。國外在移動機器人方面的研究起步較早，不管是在應(yīng)用還是在研究方面，日本和美國都處于遙遙領(lǐng)先的地位。美國國家科學(xué)委員會曾預(yù)言:"20世紀(jì)的核心武器是坦克。21世紀(jì)的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其中2000年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊，并走向戰(zhàn)場”。為此，從80年代開始，美國國防高級研究計劃局(DARPA)專門立項，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕。
初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實驗系統(tǒng)進(jìn)行驗證。雖然由于80年代對機器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但是卻帶動了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機器人的途徑積累了經(jīng)驗，同時也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。進(jìn)入90年代，隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎(chǔ)上，開拓各個應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没M(jìn)軍。如由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人，是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠(yuǎn)程機器人探險的行走機器人，1994年在斯拍火山的火山口中進(jìn)行了成功的演示。美國NASA研制的火星探測機器人索杰那于1997年登上火星。為了在火星上進(jìn)行長距離探險，又開始了新一代樣機的研制，命名為Rocky，并在Lavic湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的實驗。此外，在民用方面，可移動機器人在國外己被廣泛用于掃除、割草、室內(nèi)傳送、導(dǎo)盲、導(dǎo)游、導(dǎo)購、室內(nèi)外清洗和保安巡邏等各個方面。另外，國外還在高完整性機器人，遙控移動機器人，環(huán)境與移動機器人系統(tǒng)，生態(tài)機器人學(xué)，多機器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內(nèi)在移動機器人方面的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段，主要的研究工作有: 清華大學(xué)智能移動機器人于1994年通過鑒定。涉及到五個方面的關(guān)鍵技術(shù):基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究(準(zhǔn)結(jié)構(gòu)道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃);基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導(dǎo)航控制);路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動機器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬);傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù));智能移動機器人的設(shè)計和實現(xiàn)(智能移動機器人THMR-IH的體系結(jié)構(gòu)、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、自動駕駛系統(tǒng))。此外，還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計、自動化及制造研究中心的自動導(dǎo)航車和服務(wù)機器人、中國科學(xué)院沈陽自動化研究所的自動導(dǎo)引車AGV和防爆機器人、中國科學(xué)院自動化所自行設(shè)計、制造的全方位移動式機器人視覺導(dǎo)航系統(tǒng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制成功的導(dǎo)游機器人等?？傊?，近年來移動式機器人的研究在國內(nèi)也得到很大的重視，并且在某些方面的研究取得豐碩的成果。
1.4 移動機器人的關(guān)鍵技術(shù)
移動機器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運動系統(tǒng)、可靠的導(dǎo)航系統(tǒng)、精確的感知能力，并具有既安全而又友好地與人一起工作的能力。移動機器人的智能指標(biāo)為自主性、適應(yīng)性和交互性。適應(yīng)性是指機器人具有適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境的能力(主要通過學(xué)習(xí))，不但能識別和測量周圍的物體，還有理解周圍環(huán)境和所要執(zhí)行任務(wù)的能力，并做出正確的判斷及操作和移動等能力;自主性是指機器人能根據(jù)工作任務(wù)和周圍環(huán)境情況，自己確定工作步驟和工作方式;交互是智能產(chǎn)生的基礎(chǔ)，交互包括機器人與環(huán)境、機器人與人及機器人之間三種，主要涉及信息的獲取、處理和理解。因此，在移動機器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個方面：
1.機器人結(jié)構(gòu).機器人機械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計，是根據(jù)實際需要進(jìn)行的。在機器人機構(gòu)方面，結(jié)合機器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，研究人員開展了豐富而富有創(chuàng)造性的工作。當(dāng)前，對足式步行機器人、履帶式和特種機器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實驗階段，而輪式機器人由于其控制簡單、運動穩(wěn)定和能源利用率高等特點，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展從阿波羅登月計劃中的月球車到美國最近推出的碩士論文輪式機器人控制問題的研究NASA行星漫游計劃中的六輪采樣車，從西方各國正在加緊研制的戰(zhàn)場巡邏機器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機器人，都有力地顯示出移動機器人正在以其具有使用價值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機器人發(fā)展的方向之一。
2.體系結(jié)構(gòu).機器人的智能系統(tǒng)具有以下特點:信息密集，多層次的信息與知識表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識分布存儲等。所以，它是一個高智能、多系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)工程，不是單元技術(shù)的簡單連接，系統(tǒng)的總功能是各種分系統(tǒng)在多層次的協(xié)調(diào)和分工中集成，因此，機器人的總體集成技術(shù)是一個核心問題，其主要內(nèi)容是機器人的體系結(jié)構(gòu)研究。體系結(jié)構(gòu)的研究，主要針對有意識行為和反射行為而展開的，如何將兩者相統(tǒng)一，是目前的一個研究熱點。早期的移動機器人研究都是在室內(nèi)進(jìn)行的，其體系結(jié)構(gòu)，一般只能在“積木世界”中運行。德國為在自動化工廠中運行的自動導(dǎo)引車AGV設(shè)計了一種分層體系結(jié)構(gòu)。德國還開發(fā)了一種具有很高水平的移動機器人系統(tǒng)KAMRO，其體系結(jié)構(gòu)基本上采用NASREM模型的思想。美國MIT的人工智能實驗室提出了包容體系結(jié)構(gòu)思想，并建立了一系列新型的移動機器人。包容體系結(jié)構(gòu)采用所一謂“感知一動作”·結(jié)構(gòu)，也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。實驗表明，包容體系結(jié)構(gòu)在處理動態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動物的低級反射行為方面具有很多優(yōu)點。目前，這種基于行為控制的體系結(jié)構(gòu)還處于理論探討階段，很多工作有待深入。
3.移動機器人路徑規(guī)劃技術(shù).移動機器人的路徑規(guī)劃就是給定機器人及其工作環(huán)境信息，按照某種優(yōu)化指標(biāo)，尋求有界輸入使系統(tǒng)在規(guī)定的時間內(nèi)從起始點轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點。機器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對這一問題的研究仍十分活躍，許多學(xué)者做了大量的工作。其主要研究內(nèi)容按機器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動態(tài)己知環(huán)境和動態(tài)不確定環(huán)境，按機器人獲取環(huán)境信息的方式不同可分為基于模型的路徑規(guī)劃和基于傳感器的路徑規(guī)劃。運動規(guī)劃是移動機器人的一個重要問題，對于自由運動的機器人，即機器人的運動不受約束，運動規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計算一條路徑加以解決，這樣的一條路徑與工作空間內(nèi)的一條可行的自由路徑相對應(yīng)。但是移動機器人運動受到非完整性約束，并不是任意路徑都一定是可行的。在復(fù)雜動態(tài)的環(huán)境中，還要考慮運動中的避障問題，因此，移動機器人的運動規(guī)劃是一個比較復(fù)雜的問題。尚有許多的問題有待研究。
4.導(dǎo)航與定位。移動機器人根據(jù)運動行為方式分為自主和半自主式，根據(jù)應(yīng)用的環(huán)境有室內(nèi)和室外機器人之分。在移動機器人的應(yīng)用中，精確的位置知識是一個基本問題。有關(guān)位置的測量，可分為兩大類:相對和絕對位置測量。使用的方法可分為7種:里程計、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動燈塔，全球定位系統(tǒng)，路標(biāo)導(dǎo)航和地圖模型匹配。
1.5 課題設(shè)計思路
1） 參考所有與苗間鋤草機器人產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，了解整個苗間鋤草機器人的整機系統(tǒng)的組成。
2）苗間鋤草機器人整機方案的確認(rèn)。
3）苗間鋤草機器人整機的設(shè)計計算，并對主要零部件進(jìn)行設(shè)計校核。
4）苗間鋤草機器人整機三維建模。
5）苗間鋤草機器人整機仿真
1.6 課題設(shè)計結(jié)構(gòu)
本文以苗間鋤草機器人項目作為應(yīng)用背景，對其機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。全文共分為六章，各章的主要內(nèi)容如下：
第一章前言部分，主要介紹苗間鋤草機器人的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義；
第二章對整個苗間鋤草機器人的整機方案進(jìn)行確認(rèn)，包括傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)等確認(rèn)。
第三章完成整個苗間鋤草機器人的設(shè)計計算；
第四章對苗間鋤草機器人進(jìn)行三維建模；
第五章對苗間鋤草機器人進(jìn)行仿真
第六章總結(jié)了全文的研究工作，給出了存在的問題和進(jìn)一步研究的方向。
第二章 苗間鋤草機器人的總體設(shè)計方案
2.1苗間鋤草機器人的組成及各部分關(guān)系概述
苗間鋤草機器人主要由機械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng))、控制系統(tǒng)和視覺系統(tǒng)組成。
執(zhí)行系統(tǒng)：執(zhí)行系統(tǒng)是苗間鋤草機器人完成工作的部件。
驅(qū)動系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動力，并驅(qū)動其動力的裝置。常用的有機械傳動、液壓傳動、氣壓傳動和電傳動。
控制系統(tǒng)：通過對驅(qū)動系統(tǒng)的控制，使執(zhí)行系統(tǒng)按照規(guī)定的要求進(jìn)行工作，當(dāng)發(fā)生錯誤或故障時發(fā)出報警信號。
視覺系統(tǒng)：通過機器人視覺完成機器人的智能控制，包括前方障礙的識別，雜草的識別等。
2.2 苗間鋤草機器人驅(qū)動方案的確認(rèn)
設(shè)備的驅(qū)動方式有液壓式、氣動式、和電動式。下面將三種驅(qū)動方式進(jìn)行分析比較。
2.2.1 液壓驅(qū)動
設(shè)備的驅(qū)動系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動，有以下幾個優(yōu)點：
(1)液壓容易達(dá)到較高的壓力（常用液壓為2.5～6.3MPa），體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；
(2)液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；
(3)液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制；
(4)液壓系統(tǒng)采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性能，可以提高機械效率，使用壽命長。
液壓傳動系統(tǒng)的不足之處是：
(1)油液的粘度隨溫度變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃爆炸等危險；
(2)液體的泄漏難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價較高；
(3)需要相應(yīng)的供油系統(tǒng)，尤其是電液伺服系統(tǒng)要求嚴(yán)格的濾油裝置，否則引起故障。
液壓驅(qū)動方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機構(gòu)，常用于大型設(shè)備的驅(qū)動。
2.2.2 氣壓驅(qū)動
與液壓驅(qū)動相比，氣壓驅(qū)動的特點是：
(1)壓縮空氣粘度小，容易達(dá)到高速；
(2)利用工廠集中的空氣壓縮站供氣，不必添加動力設(shè)備；
(3)空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應(yīng)用于高溫作業(yè)；
(4)氣動元件工作壓力低，故制造要求也比液壓元件低。
它的不足之處是：
(1)壓縮空氣常用壓力為0.4～0.6MPa，若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對增大；
(2)空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要達(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難；
(3)壓縮空氣的除水問題是一個很重要的問題，處理不當(dāng)會使鋼類零件生銹，導(dǎo)致設(shè)備失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。
氣動式驅(qū)動多用于點位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的設(shè)備。
2.2.3 電動機驅(qū)動
電動機驅(qū)動可分為普通交、直流電動機驅(qū)動，交、直流伺服電動機驅(qū)動和步進(jìn)電動機驅(qū)動。
普通交、直流電動機驅(qū)動需加減速裝置，輸出力矩大，但控制性能差，慣性大，適用于中型或重型設(shè)備。伺服電動機和步進(jìn)輸出力矩相對小，控制性能好，可實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適用于中小型設(shè)備。交、直伺服電動機一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動機則主要用于開環(huán)控制系統(tǒng)，一般用于速度和位置精度要求不高的場合。
2.2.4 驅(qū)動方案的確認(rèn)
通過比較上述三種驅(qū)動方案，本次設(shè)計的苗間鋤草機器人屬于高精度要求的設(shè)備，所以本文選用電機驅(qū)動。
2.3 總體方案擬定
因為本苗間鋤草機器人的要求是多功能，所以本次設(shè)計的苗間鋤草機器人采用如圖2-1所示的結(jié)構(gòu)形式：
圖2-1 苗間鋤草機器人原理圖
本次鋤草機器人的結(jié)構(gòu)原理圖如圖2-1所示，從圖中可以看出，本機器人為后輪驅(qū)動，前輪為輔助輪；蓄電池為各個機構(gòu)供電；無線接受天線接受外部遙控控制型號；控制板為實現(xiàn)各個動作的核心控制原件，其核心原件為單片機，通過程序?qū)崿F(xiàn)各個動作；機器視覺完成障礙、雜草等檢測工作；齒輪齒條擺動機構(gòu)實現(xiàn)鋤草機構(gòu)的上下擺動，以適應(yīng)不同工況下的鋤草工作；鋤草機構(gòu)是執(zhí)行鋤草任務(wù)的關(guān)鍵部件，其包括驅(qū)動電機、鋤草刀片等組成。
第三章 苗間鋤草機器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計
3.1機器人行走驅(qū)動方案的選擇
輪式機器人的機械結(jié)構(gòu)如圖2-1，圖2-2，圖2-3。
圖2-1 兩輪獨立驅(qū)動結(jié)構(gòu)
圖2-2 前輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
圖2-3 后輪驅(qū)動，前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
如圖2-1，采用兩輪獨立驅(qū)動的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩;前輪為萬向輪，可任意移動。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點：簡單輕便，控制性好，運動靈活轉(zhuǎn)彎半徑小。
圖2-2中的機器人，稱為前輪驅(qū)動輪型機器人，后輪為輔助輪，方向不變，前輪為驅(qū)動輪兼轉(zhuǎn)向輪，兩輪驅(qū)動速度相同，轉(zhuǎn)向速度一致。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點：運動平穩(wěn)，穩(wěn)定性好。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。
圖2-3中后輪為驅(qū)動輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，前后各一個電機，相對來說結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
綜合上述三種驅(qū)動方案，我們選擇第一種驅(qū)動方案，但是，我們把前輔助輪采用固定輪結(jié)構(gòu)，通過驅(qū)動輪上兩個電機的差動同樣可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向工作。
3.2驅(qū)動電機的選擇
目前在機器人的運動控制中較為常用的電機有直流伺服電機、交流伺服電機和步進(jìn)電機，對它們的特性、工作原理與控制方式有分類介紹，下面總結(jié)如表2-2所示：
一般機器人用電機的基本性能要求；
1. 啟動、停止和反向均能連續(xù)有效的進(jìn)行，具有良好的響應(yīng)特性；
2. 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)時的特性相同，且運行特性穩(wěn)定；
3. 良好的抗干擾能力，對輸出來說，體積小、重量輕；
4. 維修容易，不用保養(yǎng)。
驅(qū)動輪為兩后輪，要求控制性好且精度高，能耗要低，輸出轉(zhuǎn)矩大，有一定過載能力，而且穩(wěn)定性好。通過比較以上電機的特性、工作原理、控制方式以及移動機器人的移動性能要求、自身重量、傳動機構(gòu)特點等因素，所以我們決定選用直流電機作為驅(qū)動電機。
直流電動機以其良好的線性調(diào)速特性、簡單的控制性能、較高的效率、優(yōu)異的動態(tài)特性，一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。雖然近年不斷受
表2-2不同電機的特性、工作原理與控制方式
電機類型
主要特點
構(gòu)造與工作原理
控制方式
步進(jìn)電機
直接用數(shù)字信號控制，與計算機接口簡單，沒有電刷，維修方便，壽命長。缺點是能量轉(zhuǎn)換效率低，易失步，過載能力弱。
按產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為：永磁式，反應(yīng)式和混合式?；旌鲜侥墚a(chǎn)生較大轉(zhuǎn)矩，應(yīng)用廣泛。
永磁式是單向勵磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式是雙向勵磁，輸出轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)子過沖小，但效率低；混合式是單-雙向勵磁，分辨率高，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
直流伺服電機
接通直流電即可工作，控制簡單；啟動轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高；需要定時維護(hù)和更換電刷，使用壽命短，噪聲大。
由永磁體定子，線圈轉(zhuǎn)子，電刷和換向器構(gòu)成。通過電刷和換向器使電流方向隨轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動角度而變化，實現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動。
轉(zhuǎn)動控制采用電壓控制方式，兩者成正比。轉(zhuǎn)矩控制采用電流控制方式，兩者也成正比。
交流伺服電機
沒有電刷和換向器，無須維修；驅(qū)動電路復(fù)雜，價格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步。無刷直流電機結(jié)構(gòu)與同步電機相同，特性與支流電機相同。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機常采用電壓控制。
到其他電動機(如交流變頻電動機、步進(jìn)電動機等)的挑戰(zhàn)，但直流電動機仍然是許多調(diào)速控制電動機的最優(yōu)選擇，在生產(chǎn)、生活中有著廣泛的應(yīng)用。
所需電機的功率計算：
機器人小車的受力簡圖如圖2-4所示：
機器人所需的牽引力:
式中 ——機器人移動需要的牽引力
式中 ——自身重力而產(chǎn)生的阻力
式中 ——機器人移動所受摩擦力
圖2-4 機器人小車的受力簡圖
則有：
式中 ——摩擦系數(shù)
式中 ——最大爬坡角度（據(jù)課題要求可以按0計算）
這里我們估算機器人的總重為10KG，運行速度為0.6m/s，靜摩擦因數(shù)為0.15
則機器人在水平面上運動的功率為：
傳動裝置的總效率：
按照中表2.1-1確定的個部分效率有：直接傳動效率：；滑動軸承效率：
代入得到：
所需直流電機的最小功率：
即單個電機的功率為4.05W
通過以上的比較和計算，我們決定選用廣東德昌微電機公司生產(chǎn)的
SRC-555-3250型直流電動機其技術(shù)參數(shù)如表2-3所示:
表2-3直流電機技術(shù)參數(shù)表
型號
額定電壓
空載
最大效率下
制動
轉(zhuǎn)速
電流
轉(zhuǎn)速
電流
力矩
功率
力矩
功率
r/min
A
r/min
A
g.cm
W
g.cm
W
SRC-555-3250
12v
CONSTANT
6100
0.24
5300
0.79
229
6.2
1650
9.20
3.3機器人底盤的設(shè)計
在設(shè)計底盤時，我們要考慮的底盤的結(jié)構(gòu)強度和各個元器件的布置關(guān)系，底盤設(shè)計不宜過大，同時要保證各個元器件的布置要合理，考慮到底盤的強度。本次設(shè)計的底盤如圖3-4所示：
圖3-4 底盤設(shè)計圖
3.4 機器人車輪的設(shè)計
本設(shè)計中可選用機器人的運動方式為輪子方式，輪子方式可以提供多種排列方式，從而滿足不同情況需要，而且轉(zhuǎn)向容易，可以實現(xiàn)運動的精確控制，機構(gòu)實現(xiàn)簡單。所以我們考慮到所設(shè)計機器人的工作環(huán)境和控制要求，我們選用了四輪方式。
選擇車輪需要考慮多種因素：有機器人的尺寸、重量、地形狀況、電機功率等。車重加負(fù)載重量為10kg,所以用質(zhì)地堅硬且易于加工的聚苯乙烯作輪轂，采用不充氣的中空橡膠輪胎，其優(yōu)點在于不僅重量小而且橡膠與地面的附著系數(shù)大，保證了足夠的驅(qū)動能力，輪胎及輪轂SOLIDWORKS參考圖圖如圖3-5所示：
圖3-5 車輪三維設(shè)計圖
3.5鋤草刀片的設(shè)計
本次設(shè)計的鋤草機構(gòu)是直流電機通過聯(lián)軸器直接帶動割草圓盤，采用割草的方式。機構(gòu)更加簡單，刀具拆裝方便。我采用的鋤草機構(gòu)方案結(jié)構(gòu)比較簡單，刀片的三維結(jié)構(gòu)圖如圖3-6所示。
圖3-6 鋤草刀片
3.6 輔助輪階梯軸的有限元分析
首先，對階梯軸的主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模。完成三維建模后，再對相應(yīng)部分進(jìn)行有限元分析。由于階梯軸的軸承，螺栓等零件無需單獨進(jìn)行受力分析，而且如果對階梯軸整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，將會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的計算時間將會持續(xù)幾天甚至更多。所以為了使計算更加精確，縮短系統(tǒng)計算時間，我們在這里只對階梯軸主體進(jìn)行分析，即直接將階梯軸主體分離出來單獨進(jìn)行靜態(tài)分析，以確保系統(tǒng)的強度和穩(wěn)定性。階梯軸有限元分析的具體步驟如下：
3.6.1 階梯軸零件的三維建模
利用SOLIDWORKS軟件對階梯軸零件進(jìn)行三維模型，這個的具體繪圖過程就不一一詳細(xì)描述。得到的三維模型如圖3-7所示。
圖3-7 階梯軸模型
3.6.2 確定材料
零件的反應(yīng)取決于其所構(gòu)成的材料，程序必須知道零件材料的彈性屬性，通過從材料庫選擇材料來給零件指派材料。由于階梯軸承受重量大，階梯軸主體會受到較大的壓力和拉應(yīng)力，所以階梯軸材料選擇普通碳鋼。但在用Solidworks Simulation對階梯軸進(jìn)行應(yīng)力分析時，由于材料庫沒有這一材料，因此選擇近似的材料碳鋼，具體選擇如下圖3-8所示。
圖3-8 材料選取
3.6.3 添加夾具
在夾具選項卡中，可以定義固定約束。每個約束可以包含多個面。受約束的面在所有方向都受到約束。必須至少約束零件的一個面，以防由于剛性實體運動而導(dǎo)致分析失敗。在對階梯軸主體進(jìn)行應(yīng)力分析前，首先要確定其夾具固定的部分。如圖3-9所示，選擇階梯軸兩軸承安裝端為固定端，即模擬夾具夾住階梯軸軸承固定端部分。
圖3-9添加夾具
3.6.4 施加載荷
階梯軸我們設(shè)定載荷為120KG，即為1200N。在載荷選項卡上，可以應(yīng)用力和壓力載荷至模型的面，可以應(yīng)用多個力至單個或多個面。由階梯軸實際工況得出其受力情況見圖3-10
圖3-10 階梯軸豎直方向施加載荷
3.6.5 生成網(wǎng)格
接下來需對階梯軸劃分網(wǎng)格。實體模型的網(wǎng)格化由兩個基本階段組成。在第一階段，網(wǎng)格器將節(jié)放置于邊界上，此階段稱為曲面網(wǎng)格化。如果第一個階段成功，網(wǎng)格程序開始第二個階段，將在內(nèi)部生成節(jié)，以四面單元填充體積，并將中側(cè)節(jié)放置于邊線上。在實際操作中，我們先要選擇網(wǎng)格的參數(shù)，如圖3-11所示，將網(wǎng)格密度設(shè)置為良好。選擇好網(wǎng)格參數(shù)之后，對階梯軸模型生成定義的網(wǎng)格。
圖3-11 階梯軸網(wǎng)格化
3.6.6 運算求解
網(wǎng)格化參數(shù)后點擊運行，軟件開始自動對算例進(jìn)行計算分析，求解過程如下圖3-12所示。
圖3-12運行算例分析
當(dāng)運行結(jié)束后，就可以得到階梯軸模型應(yīng)力、應(yīng)變、位移和安全系數(shù)等各項參數(shù)的有限元分析結(jié)果。
3.6.7 分析結(jié)果輸出
Simulation的結(jié)果選項卡中生成的圖解可以生動形象的表現(xiàn)出階梯軸各部位的應(yīng)力—應(yīng)變情況、位移情況及安全系數(shù)情況，如圖3-13所示。結(jié)果選項卡的第一個屏幕顯示階梯軸所有位置的最小安全系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)工程規(guī)則通常要求安全系數(shù)為 1.5 或更大。對于給定的最小安全系數(shù)，Simulation程序會將可能的安全與非安全區(qū)域分別繪成藍(lán)色與紅色。階梯軸主體部分有限元分析的應(yīng)力、位移、應(yīng)變及安全系數(shù)分布云圖如圖3-14至3-17所示。
圖3-13 輸出結(jié)果
圖3-14 安全系數(shù)
圖3-15 位移分布圖
圖3-16 應(yīng)變分布圖
圖3-17 應(yīng)力分布圖
由圖3-9可知，階梯軸在工況載荷下，施加載荷時候的最小安全系數(shù)是1.39，。根據(jù)圖3-12所示，階梯軸的屈服力大約為220MPA，而所用材料的抗拉強度為490MPA，完全符合設(shè)計要求。
第四章 苗間鋤草機器人三維造型的設(shè)計
4.1 Solidworks軟件簡介
首先我要對Solidworks進(jìn)行介紹一下，它是一種先進(jìn)的，智能化的參變量式CAD設(shè)計軟件，在業(yè)界被稱為“3D機械設(shè)計方案的領(lǐng)先者”，易學(xué)易用，界面友好，功能強大，在機械制圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，掌握和使用Solidworks已經(jīng)成為最基本的技能之一。
與傳統(tǒng)的2D機械制圖相比，參變量式CAD設(shè)計軟件具有許多優(yōu)越性，是當(dāng)代機械制圖設(shè)計軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計通常是按照一定的比例關(guān)系，從正視，側(cè)視，俯視等角度，根據(jù)投影，透視效果逐步繪出所需要的各個單元，然后標(biāo)注相應(yīng)尺寸，這就要求制圖和看圖人員都必須具備良好的繪圖和三維空間想象能力。如果標(biāo)注尺寸發(fā)生變化，幾何圖形的尺寸不會同步變更；如果改變了幾何圖行，其標(biāo)注尺寸也不會發(fā)生變化，還要重新繪制，標(biāo)注，因此繪圖工作相當(dāng)繁重。
參變量式CAD設(shè)計軟件，是參數(shù)式和變量式的統(tǒng)稱。在繪制完草圖后，可以加入尺寸等數(shù)值限制條件和其他幾何限制條件，讓草圖進(jìn)入完全定義狀態(tài)，這就是參數(shù)式模式。由于軟件自動加入了關(guān)聯(lián)屬性，如果修改了標(biāo)注尺寸，幾何圖形的尺寸就會同步更新。也可以暫時不充分的限制條件，讓草圖處于欠定義狀態(tài)，這就是變量式操作模態(tài)。
美國Solid Works公司是一家專門從事開發(fā)三維機械設(shè)計軟件的高科技公司，公司宗旨是使每位設(shè)計工程師都能在自己的微機上使用功能強大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系統(tǒng)，公司主導(dǎo)產(chǎn)品是世界領(lǐng)先水平的Solid Works軟件。
90年代初，國際微機市場發(fā)生了根本性的變化，微機性能大幅提高，而價格一路下滑，微機卓越的性能足以運行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機平臺的三維CAD系統(tǒng)，1993年P(guān)TC公司的技術(shù)副總裁與CV公司的副總裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks軟件，引起世界相關(guān)領(lǐng)域的一片贊嘆。在SolidWorks軟件的促動下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運行在UNIX操作系統(tǒng)的工作站CAD軟件，也從1999年開始，將其程序移植到Windows操作系統(tǒng)中。
由于SolidWorks出色的技術(shù)和市場表現(xiàn)，不僅成為CAD行業(yè)的一顆耀眼的明星，也成為華爾街青睞的對象。終于在1997年由法國達(dá)索公司以三億一千萬的高額市值將SolidWorks全資并購。公司原來的風(fēng)險投資商和股東，以原來一千三百萬美元的風(fēng)險投資，獲得了高額的回報，創(chuàng)造了CAD行業(yè)的世界紀(jì)錄。并購后的SolidWorks以原來的品牌和管理技術(shù)隊伍繼續(xù)獨立運作，成為CAD行業(yè)一家高素質(zhì)的專業(yè)化公司。
功能描述
（1） Top?Down(自頂向下)的設(shè)計
（2） Down?Top?(自下向上)的設(shè)計
（3） 配置管理
（4） 易用性及對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)格式的支持
（5） 零部件鏡像
（6） 裝配特征
（7） 工程圖
（8） eDrawing
Solidworks模形由零件，裝配體和工程圖等文件組成，沒有生成零件之前的圖紙稱為草圖。由2D，3D草圖直接生成3D模形和工程圖時，如果修改了草圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和工程圖會同步更新；相反，如果修改了工程圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和草圖也會同步更新。軟件使用起來非常方便，大大減少了設(shè)計人員的工作量，提高了工作效率。
通常，從打開一個零件文件或建立一個新零件文件開始，繪制草圖、生成基體特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以從其他軟件導(dǎo)入曲面或幾何實體開始，編輯特征，生成零件和裝配體工程圖。這是常用的設(shè)計方法，也就是自下而上的設(shè)計方法。
草圖繪制從零件文件開始，對于一個新的產(chǎn)品設(shè)計，要首先建立零件文件。
由于零件、裝配體及工程圖的相關(guān)性，所以當(dāng)其中一個視圖改變時，其他兩個視圖也會自動改變。
Solidworks2014允許自定義功能,選擇菜單欄中的“工具”-“選擇”命令,可以顯示.定義”系統(tǒng)選項”和”文件屬性”選項卡.
Solidworks2014可以自動保存工作.自動恢復(fù)功能可以自動保存零件,裝配體或工程圖文件的信息,在系統(tǒng)死機時不會丟失數(shù)據(jù).如果設(shè)定此選項,則選擇”工具”_”選項”菜單命令.在”系統(tǒng)選項”選項卡上,單擊”備份”選項,選擇”每(n)次更改后,自動恢復(fù)信息”復(fù)選框,然后設(shè)定信息自動保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù).
Solidworks2014具有很強的文件交換功能,可以輸入,輸出數(shù)十種文件格式,可以與AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等軟件很方便地進(jìn)行文件交換。
Solidworks2014在草圖繪制模式及工程圖中提供顯示網(wǎng)格線和捕捉網(wǎng)格線功能?？蓪⒕W(wǎng)格線與模型邊線對齊，還可捕捉到角度。網(wǎng)格線和捕捉功能在Solidworks2014中不太使用，因為SolidWorks是參變量軟件，尺寸和幾何關(guān)系已提供了所需的精度。
4.2 零件建模
4.2.1階梯軸三維建模的形成
在SolidWorks中，階梯軸的形成比較容易實現(xiàn)，通過拉伸、旋轉(zhuǎn)等指令，階梯軸的三維模型如圖4-1所示。
圖4-1 階梯軸三維圖
4.2.2 底盤的三維建模形成
由于底盤的三維模型比較復(fù)雜，運用了拉伸，切除，圓角，等特征，形成底盤的三維模型。如圖4-2所示
圖4-2 底盤三維圖
4.2.3其他零件的三維模型造型
另外，SolidWorks里toolbox里包含了各種傳動件，螺栓，螺母，螺釘，軸承等數(shù)據(jù)，可直接調(diào)用輸入自己參數(shù)即可。 軸承的建模，從toolbox中選擇軸承，滾動軸承如圖4-3所示
圖4-3 添加軸承
由于控制模塊的三維模型比較復(fù)雜，運用了拉伸，圓角，陣列,切除等特征，形成背拉桿的三維模型。如圖4-4所示
圖4-4 背拉桿的三維建模
其它零部件的三維建模這里就不一一描述
4.3零件裝配
零件設(shè)計好了，可以將其在組建模式下通過一定的方式組合在一起，從而造成一個組件或完整產(chǎn)品模型。
零件裝配需要在專門的組件設(shè)計模式下進(jìn)行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步驟來創(chuàng)建一個組件設(shè)計文件：
單擊新建按鈕，打開“新建”對話框。
在“類型”選項組中選擇“組件”單選按鈕，在“子類型”選項組中尋則“設(shè)計”單選按鈕，在“名稱”文本框中輸入組件名稱，清除“使用缺省模板”復(fù)選框，然后單擊“確定”按鈕。
彈出“新建文件選項”對話框。從“模板”選項組的列表框中選擇“mmns _SLDASM_design”，單擊“確定”按鈕。
在組件設(shè)計中（裝配設(shè)計），主要有兩種主流設(shè)計思路，即自底向上設(shè)計和自頂而下設(shè)計。通俗一點而言，前者是將已設(shè)計好的零部件按照一定的裝配方式添加到裝配體中；而后者則是從頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)著手，由頂層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)傳遞設(shè)計規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，從而有利于高效地對整個設(shè)計流程項目進(jìn)行協(xié)作管理。
在組件設(shè)計模式下，系統(tǒng)允許采用多種方法將元件添加到組件，包括使用放置定義集（簡稱約束集）和使用元件界面自動放置等。通常元件放置根據(jù)放置定義集而定，這些集合決定了元件與組件的相關(guān)方式及位置，這些集既可以是由用戶定義的，也可以是預(yù)定義的。用戶定義的約束集含有0個或多個約束；預(yù)定義約束集（也叫連接）具有預(yù)定義數(shù)目的約束。
約束放置是較為常用的裝配方式。在 Solidworks2014元件放置操控板的約束列表框中，提供了多種放置約束的類型選項，包括缺省、固定、曲面上的邊、曲面上的點、直線上的點、相切、坐標(biāo)系、插入、匹配、對其、和自動。
在使用約束放置選項時，需要注意約束放置的一般原則及注意事項。例如，“匹配”約束或“對齊”約束的一組參照的類型要相同（平面對平面、旋轉(zhuǎn)對旋轉(zhuǎn)、點對點、軸對軸）；一次只能添加一個也是，譬如不能使用一個單一的“匹配”約束選項將一個零件上的兩個不同的平面與另一個零件上的兩個不同的平面配對，二必須定義兩個單獨的“匹配”約束；元件的裝配需要定義放置約束集，放置約束集由若干個放置約束構(gòu)成，用來組合定義元件的放置和方向。
裝配通過一個中心線重合，面重合或給定距離來配合圓弧曲面的零件。首先進(jìn)行部裝，在得到苗間鋤草機器人的裝配圖，總裝配圖見下圖4-5所示：
圖4-5 苗間鋤草機器人三維裝配體
4.4三維向二維的轉(zhuǎn)換
SolidWorks作為一套功能強大的計算機輔助繪圖和設(shè)計軟件，可以建立零件的三維實體圖，三維裝配體圖及二維工程圖，且大多數(shù)生產(chǎn)一線的工程技術(shù)人員對二維繪圖軟件，如autocad，caxa電子圖版，等更加熟悉，而且二維軟件在繪制，尤其是標(biāo)注裝配體，零件圖時，具有獨特的優(yōu)勢。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動生成的工程視圖與二維軟件的標(biāo)注結(jié)合起來，達(dá)到“以二維之長補三維之短”的目的。一下是三維建模生成二維工程圖的詳細(xì)過程。
在SolidWorks中生成二維工程圖。在SolidWorks中的新建模板中，新建一個工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點擊“新建”按鈕，并在作圖區(qū)域中單擊右鍵，“從文件中選擇”，確認(rèn)要生成工程圖的三維模型，并選擇要形成工程圖的視圖方向；在繪制區(qū)域內(nèi)單擊左鍵，以確定圖形位置，單擊“確定，完成工程圖的繪制，并將其保存為“dwg/dxf”格式的文件。如圖4-7所示
圖4-7新建工程
選用標(biāo)準(zhǔn)圖紙，或自定義圖紙大小，如圖4-8所示
圖4-8 選擇圖紙
打開需要生成工程圖的零件，并將其拖入此工程圖。左鍵確定位置，繼續(xù)移動鼠標(biāo)，會顯示鼠標(biāo)移動方向的視圖。從而確定所需工程圖，此外，還可通過上方的工具來分析剖視圖。也可標(biāo)注此裝配體的零件及其名稱。因此圖還將在CAD中修改，最后得到的工程圖如圖4-9所示：
圖4-9 鋤草機器人工程圖
第五章 苗間鋤草機器人的仿真
5.1機構(gòu)仿真的作用
利用SOLIDWORKS軟件建立的機械系統(tǒng)的三維模型和力學(xué)模型， 在計算機上創(chuàng)建機械產(chǎn)品的電子樣機，并對該產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進(jìn)行仿真分析，預(yù)測產(chǎn)品的整體性能，在預(yù)測分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計，直至獲得最佳設(shè)計方案。
5.2機構(gòu)仿真類型
1、運動學(xué)仿真。
2、動力學(xué)仿真。
3、控制理論仿真。
5.3機構(gòu)運動仿真步驟
1、創(chuàng)建零件模型。使用各種特征創(chuàng)建工具創(chuàng)建模型。
2、組裝零件模型。使用裝配命令，組裝零件模型，生成連接。
3、運動仿真設(shè)置。按產(chǎn)品要求進(jìn)行運動定義。
4、仿真結(jié)果分析。對仿真結(jié)果進(jìn)行分析保存。
5.4 機構(gòu)功能
1、 打開裝配體，在界面中單擊動畫1，將所有時間歸零，然后界定時間。
2、單擊動畫彈出“分析”對話框→點擊“新建”→接受默認(rèn)的名稱→選擇分析類型為“運動學(xué)”→輸入運行時間為20→接受下面所有默認(rèn)的選項→點擊“運行”→運行完后確定→回到“分析”對話框→關(guān)閉。
3、點擊進(jìn)入“回放”對話框→繼續(xù)按→彈出“動畫”對話框→按播放，察看運動情況
4、最后對機構(gòu)運動進(jìn)行保存得到的動畫截圖如圖5-1所示。
圖5-1 鋤草小車動畫
5.5 本章小結(jié)
本章主要利用Solidworks2014中動畫仿真功能，完成苗間鋤草機器人的動畫仿真，動畫仿真能夠更加直觀的了解機構(gòu)的工作過程。
第六章 結(jié)論
6.1 本論文所取得的結(jié)果
1、完成了苗間鋤草機器人了本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。
2、根據(jù)苗間鋤草機器人的設(shè)計要求完成了苗間鋤草機器人整體方案的設(shè)計
3、最后，運動三維軟件SOLIDWORKS完成整體的三維裝配。
4、完成苗間鋤草機器人的動畫仿真。
6.2 技術(shù)展望
此次多功能苗間鋤草機器人的設(shè)計不僅重溫了過去所學(xué)知識，而且學(xué)到了很多新的內(nèi)容。相信這次畢業(yè)設(shè)計對我今后的工作會有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設(shè)計中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。
通過本次設(shè)計我可以更加系統(tǒng)的了解多功能苗間鋤草機器人方面的知識；能夠加強多功能苗間鋤草機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計能夠加強多功能苗間鋤草機器人功能部件的選型和設(shè)計計算；能夠加強多功能苗間鋤草機器人的方法和理論；能夠檢驗自己能否將四年學(xué)習(xí)的理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用；能夠培養(yǎng)自己自學(xué)和與人合作的能力。
這次設(shè)計不但鍛煉我的思維能力，還鍛煉我的查閱資料獲取有用信息的能力，通過繪制設(shè)計圖紙，使我熟練的掌握了CAD和SOLIDWORKS繪圖軟件的使用，我把自己的理論用到實際當(dāng)中去，在設(shè)計過程當(dāng)中遇到的各種困難，我通過思考和咨詢同學(xué)和全老師獲得了多解決問題的方法和方式。
畢業(yè)設(shè)計的過程是艱辛的，解決問題的過程是快樂的，成長過程是痛苦的，我相信只要我們保持嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)習(xí)態(tài)度，我一定能夠成長起來。
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