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畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目
苗間鋤草機(jī)器人設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號(hào)
系 部
專 業(yè)
班 級(jí)
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(jī)器人的研究，這其中機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和圖像識(shí)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(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的研究領(lǐng)域會(huì)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(jì)一款苗間鋤草機(jī)器人，其包括機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)、無線功能模塊、除草機(jī)構(gòu)、電源模塊、視覺模塊等組成。本苗間鋤草機(jī)器人利用其視覺處理模塊可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)自行移動(dòng)除草工作，同時(shí)利用其無線功能模塊可實(shí)現(xiàn)遙控除草工作。除草機(jī)構(gòu)可上線擺動(dòng)工作，適應(yīng)不同的工況。本文首先確認(rèn)除草機(jī)器人方案，完成關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)計(jì)算，然后利用三維SOLIDWORKS完成苗間鋤草機(jī)器人的三維建模，并導(dǎo)出二維工程圖，最后利用SOLIDWORKS對(duì)苗間鋤草機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。
關(guān)鍵詞：苗間鋤草機(jī)器人，行走機(jī)構(gòu)，視覺模塊，運(yùn)動(dòng)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(jī)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(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀 6
1.4 移動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 7
1.5 課題設(shè)計(jì)思路 9
1.6 課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 9
第二章 苗間鋤草機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案 10
2.1苗間鋤草機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述 10
2.2 苗間鋤草機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn) 10
2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng) 10
2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng) 10
2.2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 11
2.2.4 驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn) 11
2.3 總體方案擬定 11
第三章 苗間鋤草機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 13
3.1機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)方案的選擇 13
3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 14
3.3機(jī)器人底盤的設(shè)計(jì) 17
3.4 機(jī)器人車輪的設(shè)計(jì) 17
3.5鋤草刀片的設(shè)計(jì) 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(yùn)算求解 22
3.6.7 分析結(jié)果輸出 22
第四章 苗間鋤草機(jī)器人三維造型的設(shè)計(jì) 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(jī)器人的仿真 33
5.1機(jī)構(gòu)仿真的作用 33
5.2機(jī)構(gòu)仿真類型 33
5.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真步驟 33
5.4 機(jī)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(jī)器人的研究，這其中機(jī)器人機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和圖像識(shí)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(duì)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的高度重視，我國在農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的研究領(lǐng)域會(huì)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(dòng)強(qiáng)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(dòng)化除草機(jī)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(jī)器人來完成，高效、自動(dòng)，減少人們的煩瑣勞動(dòng)；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(jī)器人的發(fā)展，特別是除草機(jī)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(dòng)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(jī)器人，將會(huì)更加科學(xué)。
通過本課題，讓學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)際問題的能力。
1.2苗間鋤草機(jī)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(jī)器人可以代替人類進(jìn)行除草活動(dòng)，減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)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(dòng)化和智能化。國外較早開展了除草機(jī)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(jī)器人，設(shè)計(jì)了由主體、機(jī)械臂、輪子和攝像頭組成的自動(dòng)施藥除草機(jī)器人。通過機(jī)器視覺檢測(cè)出雜草，利用機(jī)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(jī)器人。很好地解決了目前在林區(qū)主要依靠人工上樹，強(qiáng)度大、安全性差、生產(chǎn)率低，對(duì)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(dòng)嫁接技術(shù)研究，實(shí)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(jī)器人采用獨(dú)特嫁接方法，自動(dòng)完成嫁接作業(yè)，速度達(dá)600棵／小時(shí)，成功率95％以上。?
1.2.2國外研究現(xiàn)狀
目前農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究主要涉及機(jī)器人田間的自主導(dǎo)航和作業(yè)目標(biāo)的識(shí)別、定位、作業(yè)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面。對(duì)于前者，研究的重點(diǎn)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(jī)器人，如：田間耕耘、農(nóng)田信息采集機(jī)器人等。后者則著重于模式分類以及操作結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制等，或稱機(jī)械手系列機(jī)器人，如：果蔬采摘、品質(zhì)測(cè)定、水果分揀、蔬菜嫁接機(jī)器人等。兩者相輔相成，互相滲透，根據(jù)農(nóng)作活動(dòng)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(jī)器視覺系統(tǒng)采集和計(jì)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(jī)。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(jī)能以14千米／小時(shí)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(jī)械，它在田間移動(dòng)時(shí)，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(duì)雜草的噴灑方式使除草劑的花費(fèi)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(duì)環(huán)境的污染。
1.3 國內(nèi)外可移動(dòng)機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀
移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支。早在60年代，就己經(jīng)開始有關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究。關(guān)于移動(dòng)機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動(dòng)方式，可以是輪式的、履帶式、腿式的，對(duì)于水下機(jī)器人，則是推進(jìn)器。其次，必須考慮驅(qū)動(dòng)器的控制，以使機(jī)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(duì)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(dòng)機(jī)器人是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)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(duì)移動(dòng)機(jī)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(xiǎn)、核、化污染等危險(xiǎn)與惡劣壞境以及民用中的物料搬運(yùn)上具有廣闊的應(yīng)用前景，使得對(duì)它的研究在世界各國受到普遍關(guān)注。國外在移動(dòng)機(jī)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(huì)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(duì)，并走向戰(zhàn)場(chǎng)”。為此，從80年代開始，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)專門立項(xiàng)，制定了地面無人作戰(zhàn)平臺(tái)的戰(zhàn)略計(jì)劃。從此，在全世界掀開了全面研究室外移動(dòng)機(jī)器人的序幕。
初期的研究，主要從學(xué)術(shù)角度研究室外機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)和信息處理，并建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。雖然由于80年代對(duì)機(jī)器人的智能行為期望過高，導(dǎo)致室外機(jī)器人的研究未達(dá)到預(yù)期的效果，但是卻帶動(dòng)了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，為探討人類研制智能機(jī)器人的途徑積累了經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)也推動(dòng)了其它國家對(duì)移動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)器人開始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開拓各個(gè)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(jī)器人，是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)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(cè)機(jī)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(xiǎn)，又開始了新一代樣機(jī)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(shí)驗(yàn)。此外，在民用方面，可移動(dòng)機(jī)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(gè)方面。另外，國外還在高完整性機(jī)器人，遙控移動(dòng)機(jī)器人，環(huán)境與移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，生態(tài)機(jī)器人學(xué)，多機(jī)器人系統(tǒng)等方面作了大量的研究。國內(nèi)在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究起步較晚，大多數(shù)研究尚處于某個(gè)單項(xiàng)研究階段，主要的研究工作有: 清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過鑒定。涉及到五個(gè)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(dòng)作”行為、基于環(huán)境勢(shì)場(chǎng)法的“感知一動(dòng)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(dòng)機(jī)器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內(nèi)移動(dòng)機(jī)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(cè)距系統(tǒng)、視覺處理技術(shù)、信息融合技術(shù));智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)(智能移動(dòng)機(jī)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(dòng)駕駛系統(tǒng))。此外，還有香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人、中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV和防爆機(jī)器人、中國科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)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(jī)器人等?？傊?，近年來移動(dòng)式機(jī)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(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)
移動(dòng)機(jī)器人要想走向?qū)嵱?，必需擁有能勝任的運(yùn)動(dòng)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(dòng)機(jī)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(jī)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(shí)別和測(cè)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(dòng)等能力;自主性是指機(jī)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(jī)器人與環(huán)境、機(jī)器人與人及機(jī)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(dòng)機(jī)器人研究中，關(guān)鍵在于以下幾個(gè)方面：
1.機(jī)器人結(jié)構(gòu).機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，是根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行的。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，結(jié)合機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域及各種場(chǎng)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(duì)足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多。但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式機(jī)器人由于其控制簡單、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展從阿波羅登月計(jì)劃中的月球車到美國最近推出的碩士論文輪式機(jī)器人控制問題的研究NASA行星漫游計(jì)劃中的六輪采樣車，從西方各國正在加緊研制的戰(zhàn)場(chǎng)巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測(cè)機(jī)器人，都有力地顯示出移動(dòng)機(jī)器人正在以其具有使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向之一。
2.體系結(jié)構(gòu).機(jī)器人的智能系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):信息密集，多層次的信息與知識(shí)表示方式，與環(huán)境交互豐富多樣，信息與知識(shí)分布存儲(chǔ)等。所以，它是一個(gè)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(jī)器人的總體集成技術(shù)是一個(gè)核心問題，其主要內(nèi)容是機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)研究。體系結(jié)構(gòu)的研究，主要針對(duì)有意識(shí)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(gè)研究熱點(diǎn)。早期的移動(dòng)機(jī)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(yùn)行。德國為在自動(dòng)化工廠中運(yùn)行的自動(dòng)導(dǎo)引車AGV設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(dòng)機(jī)器人。包容體系結(jié)構(gòu)采用所一謂“感知一動(dòng)作”·結(jié)構(gòu)，也稱基于行為的結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，包容體系結(jié)構(gòu)在處理動(dòng)態(tài)環(huán)境中不確定性和模仿動(dòng)物的低級(jí)反射行為方面具有很多優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃技術(shù).移動(dòng)機(jī)器人的路徑規(guī)劃就是給定機(jī)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(shí)間內(nèi)從起始點(diǎn)轉(zhuǎn)移到目標(biāo)點(diǎn)。機(jī)器人路徑規(guī)劃的研究始于20世紀(jì)70年代，目前對(duì)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(jī)器人工作環(huán)境不同可分為靜態(tài)結(jié)構(gòu)化環(huán)境、動(dòng)態(tài)己知環(huán)境和動(dòng)態(tài)不確定環(huán)境，按機(jī)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(yùn)動(dòng)規(guī)劃是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要問題，對(duì)于自由運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，即機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)不受約束，運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題可以通過在自由位形空間內(nèi)計(jì)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(duì)應(yīng)。但是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)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(dòng)態(tài)的環(huán)境中，還要考慮運(yùn)動(dòng)中的避障問題，因此，移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃是一個(gè)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(dòng)機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)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(jī)器人之分。在移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用中，精確的位置知識(shí)是一個(gè)基本問題。有關(guān)位置的測(cè)量，可分為兩大類:相對(duì)和絕對(duì)位置測(cè)量。使用的方法可分為7種:里程計(jì)、慣性導(dǎo)航、磁羅盤、主動(dòng)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(jì)思路
1） 參考所有與苗間鋤草機(jī)器人產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)，了解整個(gè)苗間鋤草機(jī)器人的整機(jī)系統(tǒng)的組成。
2）苗間鋤草機(jī)器人整機(jī)方案的確認(rèn)。
3）苗間鋤草機(jī)器人整機(jī)的設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。
4）苗間鋤草機(jī)器人整機(jī)三維建模。
5）苗間鋤草機(jī)器人整機(jī)仿真
1.6 課題設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
本文以苗間鋤草機(jī)器人項(xiàng)目作為應(yīng)用背景，對(duì)其機(jī)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(jī)器人的研究現(xiàn)狀和課題研究的目的及意義；
第二章對(duì)整個(gè)苗間鋤草機(jī)器人的整機(jī)方案進(jìn)行確認(rèn)，包括傳動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等確認(rèn)。
第三章完成整個(gè)苗間鋤草機(jī)器人的設(shè)計(jì)計(jì)算；
第四章對(duì)苗間鋤草機(jī)器人進(jìn)行三維建模；
第五章對(duì)苗間鋤草機(jī)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(jī)器人的總體設(shè)計(jì)方案
2.1苗間鋤草機(jī)器人的組成及各部分關(guān)系概述
苗間鋤草機(jī)器人主要由機(jī)械系統(tǒng)(執(zhí)行系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)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(jī)器人完成工作的部件。
驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：為執(zhí)行系統(tǒng)各部件提供動(dòng)力，并驅(qū)動(dòng)其動(dòng)力的裝置。常用的有機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)、氣壓傳動(dòng)和電傳動(dòng)。
控制系統(tǒng)：通過對(duì)驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤或故障時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
視覺系統(tǒng)：通過機(jī)器人視覺完成機(jī)器人的智能控制，包括前方障礙的識(shí)別，雜草的識(shí)別等。
2.2 苗間鋤草機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn)
設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式有液壓式、氣動(dòng)式、和電動(dòng)式。下面將三種驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行分析比較。
2.2.1 液壓驅(qū)動(dòng)
設(shè)備的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：
(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(dòng)中，力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(jī)械效率，使用壽命長。
液壓傳動(dòng)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(xiǎn)；
(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(jià)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(dòng)方式的輸出力和功率更大，能構(gòu)成伺服機(jī)構(gòu)，常用于大型設(shè)備的驅(qū)動(dòng)。
2.2.2 氣壓驅(qū)動(dòng)
與液壓驅(qū)動(dòng)相比，氣壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)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(dòng)力設(shè)備；
(3)空氣介質(zhì)對(duì)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(dòng)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(duì)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(gè)很重要的問題，處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹，導(dǎo)致設(shè)備失靈。此外，排氣還會(huì)造成噪聲污染。
氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)多用于點(diǎn)位控制、抓取、開關(guān)控制和順序控制的設(shè)備。
2.2.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)
電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)可分為普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，交、直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。
普通交、直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)和步進(jìn)輸出力矩相對(duì)小，控制性能好，可實(shí)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(dòng)機(jī)一般用于閉環(huán)控制系統(tǒng)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(chǎng)合。
2.2.4 驅(qū)動(dòng)方案的確認(rèn)
通過比較上述三種驅(qū)動(dòng)方案，本次設(shè)計(jì)的苗間鋤草機(jī)器人屬于高精度要求的設(shè)備，所以本文選用電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
2.3 總體方案擬定
因?yàn)楸久玳g鋤草機(jī)器人的要求是多功能，所以本次設(shè)計(jì)的苗間鋤草機(jī)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(jī)器人原理圖
本次鋤草機(jī)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(jī)器人為后輪驅(qū)動(dòng)，前輪為輔助輪；蓄電池為各個(gè)機(jī)構(gòu)供電；無線接受天線接受外部遙控控制型號(hào)；控制板為實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作的核心控制原件，其核心原件為單片機(jī)，通過程序?qū)崿F(xiàn)各個(gè)動(dòng)作；機(jī)器視覺完成障礙、雜草等檢測(cè)工作；齒輪齒條擺動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鋤草機(jī)構(gòu)的上下擺動(dòng)，以適應(yīng)不同工況下的鋤草工作；鋤草機(jī)構(gòu)是執(zhí)行鋤草任務(wù)的關(guān)鍵部件，其包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、鋤草刀片等組成。
第三章 苗間鋤草機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.1機(jī)器人行走驅(qū)動(dòng)方案的選擇
輪式機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2-1，圖2-2，圖2-3。
圖2-1 兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)
圖2-2 前輪驅(qū)動(dòng)兼轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
圖2-3 后輪驅(qū)動(dòng)，前輪轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)
如圖2-1，采用兩輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)輪分別由兩套直流伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，提供需要的轉(zhuǎn)速或者力矩;前輪為萬向輪，可任意移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：簡單輕便，控制性好，運(yùn)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)彎半徑小。
圖2-2中的機(jī)器人，稱為前輪驅(qū)動(dòng)輪型機(jī)器人，后輪為輔助輪，方向不變，前輪為驅(qū)動(dòng)輪兼轉(zhuǎn)向輪，兩輪驅(qū)動(dòng)速度相同，轉(zhuǎn)向速度一致。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制難度高。
圖2-3中后輪為驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪，前后各一個(gè)電機(jī)，相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。
綜合上述三種驅(qū)動(dòng)方案，我們選擇第一種驅(qū)動(dòng)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(dòng)輪上兩個(gè)電機(jī)的差動(dòng)同樣可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向工作。
3.2驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇
目前在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制中較為常用的電機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，對(duì)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(jī)器人用電機(jī)的基本性能要求；
1. 啟動(dòng)、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(shí)的特性相同，且運(yùn)行特性穩(wěn)定；
3. 良好的抗干擾能力，對(duì)輸出來說，體積小、重量輕；
4. 維修容易，不用保養(yǎng)。
驅(qū)動(dòng)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(jī)的特性、工作原理、控制方式以及移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)性能要求、自身重量、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特點(diǎn)等因素，所以我們決定選用直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)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(jī)的特性、工作原理與控制方式
電機(jī)類型
主要特點(diǎn)
構(gòu)造與工作原理
控制方式
步進(jìn)電機(jī)
直接用數(shù)字信號(hào)控制，與計(jì)算機(jī)接口簡單，沒有電刷，維修方便，壽命長。缺點(diǎn)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(lì)磁，精度高，但易失步，反應(yīng)式是雙向勵(lì)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(lì)磁，分辨率高，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。
直流伺服電機(jī)
接通直流電即可工作，控制簡單；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩容易控制，效率高；需要定時(shí)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(dòng)角度而變化，實(shí)現(xiàn)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。
轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)
沒有電刷和換向器，無須維修；驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，價(jià)格高。
按結(jié)構(gòu)分為同步和異步。無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)與同步電機(jī)相同，特性與支流電機(jī)相同。
分為電壓控制和頻率控制兩種方式。異步電機(jī)常采用電壓控制。
到其他電動(dòng)機(jī)(如交流變頻電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等)的挑戰(zhàn)，但直流電動(dòng)機(jī)仍然是許多調(diào)速控制電動(dòng)機(jī)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(jī)的功率計(jì)算：
機(jī)器人小車的受力簡圖如圖2-4所示：
機(jī)器人所需的牽引力:
式中 ——機(jī)器人移動(dòng)需要的牽引力
式中 ——自身重力而產(chǎn)生的阻力
式中 ——機(jī)器人移動(dòng)所受摩擦力
圖2-4 機(jī)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(jì)算）
這里我們估算機(jī)器人的總重為10KG，運(yùn)行速度為0.6m/s，靜摩擦因數(shù)為0.15
則機(jī)器人在水平面上運(yùn)動(dòng)的功率為：
傳動(dòng)裝置的總效率：
按照中表2.1-1確定的個(gè)部分效率有：直接傳動(dòng)效率：；滑動(dòng)軸承效率：
代入得到：
所需直流電機(jī)的最小功率：
即單個(gè)電機(jī)的功率為4.05W
通過以上的比較和計(jì)算，我們決定選用廣東德昌微電機(jī)公司生產(chǎn)的
SRC-555-3250型直流電動(dòng)機(jī)其技術(shù)參數(shù)如表2-3所示:
表2-3直流電機(jī)技術(shù)參數(shù)表
型號(hào)
額定電壓
空載
最大效率下
制動(dòng)
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(jī)器人底盤的設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)底盤時(shí)，我們要考慮的底盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和各個(gè)元器件的布置關(guān)系，底盤設(shè)計(jì)不宜過大，同時(shí)要保證各個(gè)元器件的布置要合理，考慮到底盤的強(qiáng)度。本次設(shè)計(jì)的底盤如圖3-4所示：
圖3-4 底盤設(shè)計(jì)圖
3.4 機(jī)器人車輪的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中可選用機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的精確控制，機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)簡單。所以我們考慮到所設(shè)計(jì)機(jī)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(jī)器人的尺寸、重量、地形狀況、電機(jī)功率等。車重加負(fù)載重量為10kg,所以用質(zhì)地堅(jiān)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(diǎn)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(dòng)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(jì)圖
3.5鋤草刀片的設(shè)計(jì)
本次設(shè)計(jì)的鋤草機(jī)構(gòu)是直流電機(jī)通過聯(lián)軸器直接帶動(dòng)割草圓盤，采用割草的方式。機(jī)構(gòu)更加簡單，刀具拆裝方便。我采用的鋤草機(jī)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(duì)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(duì)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(dú)進(jìn)行受力分析，而且如果對(duì)階梯軸整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)分析，將會(huì)產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的計(jì)算時(shí)間將會(huì)持續(xù)幾天甚至更多。所以為了使計(jì)算更加精確，縮短系統(tǒng)計(jì)算時(shí)間，我們?cè)谶@里只對(duì)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(dú)進(jìn)行靜態(tài)分析，以確保系統(tǒng)的強(qiáng)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(duì)階梯軸零件進(jìn)行三維模型，這個(gè)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(huì)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(duì)階梯軸進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，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(xiàng)卡中，可以定義固定約束。每個(gè)約束可以包含多個(gè)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(gè)面，以防由于剛性實(shí)體運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致分析失敗。在對(duì)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?cè)O(shè)定載荷為120KG，即為1200N。在載荷選項(xiàng)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(gè)力至單個(gè)或多個(gè)面。由階梯軸實(shí)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(duì)階梯軸劃分網(wǎng)格。實(shí)體模型的網(wǎng)格化由兩個(gè)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(gè)階段成功，網(wǎng)格程序開始第二個(gè)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(shí)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(duì)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(yùn)算求解
網(wǎng)格化參數(shù)后點(diǎn)擊運(yùn)行，軟件開始自動(dòng)對(duì)算例進(jìn)行計(jì)算分析，求解過程如下圖3-12所示。
圖3-12運(yùn)行算例分析
當(dāng)運(yùn)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(xiàng)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(xiàng)卡中生成的圖解可以生動(dòng)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(xiàng)卡的第一個(gè)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(duì)于給定的最小安全系數(shù)，Simulation程序會(huì)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(shí)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(qiáng)度為490MPA，完全符合設(shè)計(jì)要求。
第四章 苗間鋤草機(jī)器人三維造型的設(shè)計(jì)
4.1 Solidworks軟件簡介
首先我要對(duì)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(jì)軟件，在業(yè)界被稱為“3D機(jī)械設(shè)計(jì)方案的領(lǐng)先者”，易學(xué)易用，界面友好，功能強(qiáng)大，在機(jī)械制圖和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)械制圖相比，參變量式CAD設(shè)計(jì)軟件具有許多優(yōu)越性，是當(dāng)代機(jī)械制圖設(shè)計(jì)軟件的主流和發(fā)展方向。傳統(tǒng)的CAD設(shè)計(jì)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(gè)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(huì)同步變更；如果改變了幾何圖行，其標(biāo)注尺寸也不會(huì)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(jì)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(dòng)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(huì)同步更新。也可以暫時(shí)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(jī)械設(shè)計(jì)軟件的高科技公司，公司宗旨是使每位設(shè)計(jì)工程師都能在自己的微機(jī)上使用功能強(qiáng)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(jī)市場(chǎng)發(fā)生了根本性的變化，微機(jī)性能大幅提高，而價(jià)格一路下滑，微機(jī)卓越的性能足以運(yùn)行三維CAD軟件。為了開發(fā)世界空白的基于微機(jī)平臺(tái)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(dòng)下，1998年開始，國內(nèi)、外也陸續(xù)推出了相關(guān)軟件；原來運(yùn)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(chǎng)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(duì)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(xiǎn)投資商和股東，以原來一千三百萬美元的風(fēng)險(xiǎn)投資，獲得了高額的回報(bào)，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(duì)伍繼續(xù)獨(dú)立運(yùn)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(jì)
（2） Down?Top?(自下向上)的設(shè)計(jì)
（3） 配置管理
（4） 易用性及對(duì)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(shí)，如果修改了草圖的標(biāo)注尺寸，其3D模形和工程圖會(huì)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(huì)同步更新。軟件使用起來非常方便，大大減少了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了工作效率。
通常，從打開一個(gè)零件文件或建立一個(gè)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(shí)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(jì)方法，也就是自下而上的設(shè)計(jì)方法。
草圖繪制從零件文件開始，對(duì)于一個(gè)新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(gè)視圖改變時(shí)，其他兩個(gè)視圖也會(huì)自動(dòng)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(xiàng)”和”文件屬性”選項(xiàng)卡.
Solidworks2014可以自動(dòng)保存工作.自動(dòng)恢復(fù)功能可以自動(dòng)保存零件,裝配體或工程圖文件的信息,在系統(tǒng)死機(jī)時(shí)不會(huì)丟失數(shù)據(jù).如果設(shè)定此選項(xiàng),則選擇”工具”_”選項(xiàng)”菜單命令.在”系統(tǒng)選項(xiàng)”選項(xiàng)卡上,單擊”備份”選項(xiàng),選擇”每(n)次更改后,自動(dòng)恢復(fù)信息”復(fù)選框,然后設(shè)定信息自動(dòng)保存前應(yīng)發(fā)生的變更次數(shù).
Solidworks2014具有很強(qiáng)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(duì)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?yàn)镾olidWorks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(shí)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(yùn)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(dòng)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(dòng)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(yùn)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(jì)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(gè)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(jì)模式下進(jìn)行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步驟來創(chuàng)建一個(gè)組件設(shè)計(jì)文件：
單擊新建按鈕，打開“新建”對(duì)話框。
在“類型”選項(xiàng)組中選擇“組件”單選按鈕，在“子類型”選項(xiàng)組中尋則“設(shè)計(jì)”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(xiàng)”對(duì)話框。從“模板”選項(xiàng)組的列表框中選擇“mmns _SLDASM_design”，單擊“確定”按鈕。
在組件設(shè)計(jì)中（裝配設(shè)計(jì)），主要有兩種主流設(shè)計(jì)思路，即自底向上設(shè)計(jì)和自頂而下設(shè)計(jì)。通俗一點(diǎn)而言，前者是將已設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)范到所有相關(guān)子系統(tǒng)，從而有利于高效地對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)流程項(xiàng)目進(jìn)行協(xié)作管理。
在組件設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)或多個(gè)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(xiàng)，包括缺省、固定、曲面上的邊、曲面上的點(diǎn)、直線上的點(diǎn)、相切、坐標(biāo)系、插入、匹配、對(duì)其、和自動(dòng)。
在使用約束放置選項(xiàng)時(shí)，需要注意約束放置的一般原則及注意事項(xiàng)。例如，“匹配”約束或“對(duì)齊”約束的一組參照的類型要相同（平面對(duì)平面、旋轉(zhuǎn)對(duì)旋轉(zhuǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、軸對(duì)軸）；一次只能添加一個(gè)也是，譬如不能使用一個(gè)單一的“匹配”約束選項(xiàng)將一個(gè)零件上的兩個(gè)不同的平面與另一個(gè)零件上的兩個(gè)不同的平面配對(duì)，二必須定義兩個(gè)單獨(dú)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(gè)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(gè)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(jī)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(jī)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(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助繪圖和設(shè)計(jì)軟件，可以建立零件的三維實(shí)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(duì)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(shí)，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。所以，充分利用SolidWorks和二維圖之間的轉(zhuǎn)換，把SolidWorks自動(dòng)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(bǔ)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(gè)工程圖模板，打開工程圖工具條，在工程圖工具條中點(diǎn)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(dòng)鼠標(biāo)，會(huì)顯示鼠標(biāo)移動(dòng)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(jī)器人工程圖
第五章 苗間鋤草機(jī)器人的仿真
5.1機(jī)構(gòu)仿真的作用
利用SOLIDWORKS軟件建立的機(jī)械系統(tǒng)的三維模型和力學(xué)模型， 在計(jì)算機(jī)上創(chuàng)建機(jī)械產(chǎn)品的電子樣機(jī)，并對(duì)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(cè)產(chǎn)品的整體性能，在預(yù)測(cè)分析過程中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，直至獲得最佳設(shè)計(jì)方案。
5.2機(jī)構(gòu)仿真類型
1、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。
2、動(dòng)力學(xué)仿真。
3、控制理論仿真。
5.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)仿真設(shè)置。按產(chǎn)品要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)定義。
4、仿真結(jié)果分析。對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析保存。
5.4 機(jī)構(gòu)功能
1、 打開裝配體，在界面中單擊動(dòng)畫1，將所有時(shí)間歸零，然后界定時(shí)間。
2、單擊動(dòng)畫彈出“分析”對(duì)話框→點(diǎn)擊“新建”→接受默認(rèn)的名稱→選擇分析類型為“運(yùn)動(dòng)學(xué)”→輸入運(yùn)行時(shí)間為20→接受下面所有默認(rèn)的選項(xiàng)→點(diǎn)擊“運(yùn)行”→運(yùn)行完后確定→回到“分析”對(duì)話框→關(guān)閉。
3、點(diǎn)擊進(jìn)入“回放”對(duì)話框→繼續(xù)按→彈出“動(dòng)畫”對(duì)話框→按播放，察看運(yùn)動(dòng)情況
4、最后對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行保存得到的動(dòng)畫截圖如圖5-1所示。
圖5-1 鋤草小車動(dòng)畫
5.5 本章小結(jié)
本章主要利用Solidworks2014中動(dòng)畫仿真功能，完成苗間鋤草機(jī)器人的動(dòng)畫仿真，動(dòng)畫仿真能夠更加直觀的了解機(jī)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(jī)器人了本體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。
2、根據(jù)苗間鋤草機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求完成了苗間鋤草機(jī)器人整體方案的設(shè)計(jì)
3、最后，運(yùn)動(dòng)三維軟件SOLIDWORKS完成整體的三維裝配。
4、完成苗間鋤草機(jī)器人的動(dòng)畫仿真。
6.2 技術(shù)展望
此次多功能苗間鋤草機(jī)器人的設(shè)計(jì)不僅重溫了過去所學(xué)知識(shí)，而且學(xué)到了很多新的內(nèi)容。相信這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我今后的工作會(huì)有一定的幫助。所以，我很用心的把它完成。在設(shè)計(jì)中體味艱辛，在艱辛中體味快樂。
通過本次設(shè)計(jì)我可以更加系統(tǒng)的了解多功能苗間鋤草機(jī)器人方面的知識(shí)；能夠加強(qiáng)多功能苗間鋤草機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠加強(qiáng)多功能苗間鋤草機(jī)器人功能部件的選型和設(shè)計(jì)計(jì)算；能夠加強(qiáng)多功能苗間鋤草機(jī)器人的方法和理論；能夠檢驗(yàn)自己能否將四年學(xué)習(xí)的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)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(jì)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(jì)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(shí)際當(dāng)中去，在設(shè)計(jì)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(jì)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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