割草机器人,机械结构设计与仿真.
株间除草机械关键部件的设计及实验研究
江苏大学硕士学位论文
ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ
ｓｅｅｄｌｉｎｇ
ｏｎ
Ｏｃｔｏｐｕｓ－ｓｔｙｌｅ ｗｅｅｄｉｎｇ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｉｎｇ ａｇｅｎｃｉｅｓ ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅｄ Ｃｏｖｅｒａｇｅ
ａｎｄ
ｒａｔｅ．Ｗｅ
ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ Ｃｕｔｔｅｒ ｃｅｎｔｅｒ ｐａｔｈ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ
间一体化智能精确除草的需要。
本文设计了三种挂接于多功能除草实验台的精确除草执行机构，利用虚拟样 机技术对其结构参数进行设计、进行动力学仿真分析，并对各执行机构进行了实 验研究。主要研究内容包括以下几个方面： （１）结构设计：对八爪式除草执行机构、Ｓ型铲和三爪转盘工作部件的具体结 构和尺寸作了详细的设计，计算了八爪式除草执行机构割刀中心的理论轨迹，根
合度较好，伤苗率约为２．６％，在对割刀改进后覆盖率可以达到８０％以上。对于Ｓ
型除草铲和三爪转盘做了浅耕除草效果、中耕松土效果、工作阻力和能耗测定的 实验研究，找出了有较好除草效果和松土效果时的工作参数。
本文的研究为田间株间除草机械的进一步设计、优化和研制提供了实践依据。
关键词：株间除草
除草机构
ＡＤＡＭＳ仿真
ａｒｔｉｃｕｌａｔｅｄ ｉｎ
ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｂｅｄ
ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
ｗｅｅｄｉｎｇ．Ｕｓｉｎｇ
ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ
ｉｔｓ
ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ
ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
ａｎａｌｙｓｉｓ
ｊａｗ
ｗｈｅｅｌ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗｅｅｄｉｎｇ
机械化除草装备与技术研究现状及发展趋势
唐子昊，奚小波，张宝峰，等．机械化除草装备与技术研究现状及发展趋势［Ｊ］．杂草学报，２０２３，４１（４）：１４－２９．ｄｏｉ：１０．１９５８８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００３－９３５Ｘ．２０２３．０４．０００２机械化除草装备与技术研究现状及发展趋势唐子昊１，奚小波１，张宝峰１，杜 晋２，史扬杰１，张翼夫１，秦康生１，张瑞宏１（１．扬州大学机械工程学院／江苏省现代农机农艺融合技术工程中心，江苏扬州２２５１２７；２．扬州市职业大学，江苏扬州２２５００９） 摘要：除草是农业生产过程中不可或缺的一环，国内目前农田杂草防除主要以化学除草为主，但长期使用化学除草会造成杂草抗性上升、农业环境污染、农作物药害等问题，机械除草在无上述危害的同时还可改善土壤环境、促进作物生长发育，有效替代化学除草。
为能给我国机械除草高新技术推广提供参考，本文将现今国内外除草机械划分为水田除草机械、旱田除草机械与除草机器人系统，对其研究现状和发展动态进行阐述和剖析，并结合绿色农业相关研究、发展要求与我国目前接近７０００万ｈｍ２化学除草面积的客观情况，提出构建“以机械防治为主，机械－化学防治并举”的协同防治思路，最后总结出国内机械除草装备向着信息化、仿生化、复合化、模块化等方向发展的趋势。
关键词：农业机械；水旱田机械除草；除草机器人系统；机械－化学协同除草；发展趋势 中图分类号：Ｓ２２４．１＋５ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００３－９３５Ｘ（２０２３）０４－００１４－１６ＲｅｓｅａｒｃｈＳｔａｔｕｓａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＴｒｅｎｄｏｆＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＷｅｅｄｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＴＡＮＧＺｉ ｈａｏ１，ＸＩＸｉａｏ ｂｏ１，ＺＨＡＮＧＢａｏ ｆｅｎｇ１，ＤＵＪｉｎ２，ＳＨＩＹａｎｇ ｊｉｅ１，ＺＨＡＮＧＹｉ ｆｕ１，ＱＩＮＫａｎｇ ｓｈｅｎｇ１，ＺＨＡＮＧＲｕｉ ｈｏｎｇ１（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＹａｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ／ＪｉａｎｇｓｕＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｅｎｔｅｒｆｏｒＭｏｄｅｒｎＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＭａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄＡｇｒｏｎｏｍｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ２２５１２７，Ｃｈｉｎａ；２．ＹａｎｇｚｈｏｕＰｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃＣｏｌｌｅｇｅ，Ｙａｎｇｚｈｏｕ２２５００９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｅｅｄｉｎｇｉｓａｎｉｎｄｉｓｐｅｎｓａｂｌｅｌｉｎｋｉｎｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｄｏｍｅｓｔｉｃｃｕｒｒｅｎｔｌｙｍａｉｎｌｙｃｈｅｍｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｉｓｇｉｖｅｎａｐｒｉｏｒｉｔｙ，ｂｕｔｌｏｎｇ－ｔｅｒｍｕｓｅｏｆｃｈｅｍｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｗｉｌｌｃａｕｓｅｒｅｓｉｓｔａｎｔｗｅｅｄｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｐｏｌｌｕｔｉｏｎ，ｃｒｏｐｈｅｒｂｉｃｉｄｅｉｎｊｕｒｙａｎｄｏｔｈｅｒｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇａｌｓｏｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓｏｉｌｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｐｒｏｍｏｔｅｃｒｏｐｓｇｒｏｗｔｈａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｒｅｐｌａｃｅｃｈｅｍｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇ．Ｔｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｐｒｏｍｏｔｉｏｎｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｈｉｇｈａｎｄｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｉｖｉｄｅｓｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｗｅｅｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｉｎｔｏｐａｄｄｙｆｉｅｌｄｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙ，ｄｒｙｆｉｅｌｄｗｅｅｄｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙａｎｄｗｅｅｄｉｎｇｒｏｂｏｔｓｙｓｔｅｍ，ｅｘｐｌｏｒｅｓｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ａｎｄｓｕｇｇｅｓｔｓｔｏｂｕｉｌｄｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃｗｅｅｄｉｎｇｉｄｅａｓｏｆ“ｍａｉｎｌｙｍｅｃｈａｎｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇ，ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ－ｃｈｅｍｉｃａｌｗｅｅｄｉｎｇｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙ”ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｇｒｅｅｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ收稿日期：２０２３－０６－０７基金项目：江苏省农业科技自主创新资金［编号：ＣＸ（２２）３０９８］；江苏省现代农机装备与技术示范推广项目（编号：ＮＪ２０２２－０７）；扬州大学高端人才支持计划。
割草机的设计分析
割草机产品设计分析工设0921 陈璐 06号一、定义：割草机是切割牧草作物的机械产品。
二、发展史：19世纪以前，人们手握长柄大镰刀来割草。
这是一种费力活，而且需要把草弄短的许多技能。
一个名叫托马斯·普拉克内特的英国工程师是第一个想出制造割草机的人。
他在1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并可以切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是割草机的雏形。
获得了第一台割草机的发明专利。
那是一台装有环形刀身的笨重机器，而且运转不很理想。
其他发明家看到普拉克内特的机器后，认为他们能够干得更好。
最成功的是埃温·巴丁。
他是一家纺织厂的工程师，从工厂的某一机械上获得了关于割草机机械结构的想法。
他在1830年制造的割草机取得了滚筒剪草机的专利，它已经非常类似于今天使用的那些机器。
1832年，兰塞姆斯农机公司开始批量生产滚筒式割草机。
1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机作动力的滚筒式割草机，其原理延用至今。
三、工作原理：总的来说割草机的工作原理是由二冲程汽油机然后通过离合器带动传动轴，再由传动轴在带动圆盘刀片。
切割器的工作原理和构造与谷物收获机械的切割器基本相同。
所用刀片有光刃和刻齿刃两种，一般采用光刃动刀片。
割刀传动装置也和谷物收割机类似，多采用偏置式曲柄连杆机构和摆环机构。
由于牧草生长密度大、含水率高，动刀的平均速度高于谷物收割机，一般为1.6～2.0米／秒。
切割器提升装置一般由液压系统操纵，提升迅速、方便，能保证切割器对复杂地面的适应性。
安全装置主要是保证传动装置和切割器的安全。
对作业速度较高的割草机，一般采用脱钩式安全装置。
当切割器阻力过大时，安全装置即自动脱钩,切割器向后摆动,同时切断切割器的动力。
有的割草机的割刀传动装置采用木制连杆或胶带传动方式，在超负荷时连杆折断或胶带打滑，以保护其他传动零部件和切割器不遭损坏。
挡草装置通常是装设在切割器两端或外端的挡草板，其作用是将割下的牧草向切割器中部推移一段距离，留出供下一行程拖拉机轮子通过的通道，避免或减少对已割牧草的碾压。
割草机的设计分析
割草机产品设计分析工设0921 陈璐 06号一、定义：割草机是切割牧草作物的机械产品。
二、发展史：19世纪以前，人们手握长柄大镰刀来割草。
这是一种费力活，而且需要把草弄短的许多技能。
一个名叫托马斯·普拉克内特的英国工程师是第一个想出制造割草机的人。
他在1805年英国人普拉克内特发明了第一台收割谷物并可以切割杂草的机器，由人推动机器，通过齿轮传动带动旋刀割草，这就是割草机的雏形。
获得了第一台割草机的发明专利。
那是一台装有环形刀身的笨重机器，而且运转不很理想。
其他发明家看到普拉克内特的机器后，认为他们能够干得更好。
最成功的是埃温·巴丁。
他是一家纺织厂的工程师，从工厂的某一机械上获得了关于割草机机械结构的想法。
他在1830年制造的割草机取得了滚筒剪草机的专利，它已经非常类似于今天使用的那些机器。
1832年，兰塞姆斯农机公司开始批量生产滚筒式割草机。
1902年英国人伦敦恩斯制造了内燃机作动力的滚筒式割草机，其原理延用至今。
三、工作原理：总的来说割草机的工作原理是由二冲程汽油机然后通过离合器带动传动轴，再由传动轴在带动圆盘刀片。
切割器的工作原理和构造与谷物收获机械的切割器基本相同。
所用刀片有光刃和刻齿刃两种，一般采用光刃动刀片。
割刀传动装置也和谷物收割机类似，多采用偏置式曲柄连杆机构和摆环机构。
由于牧草生长密度大、含水率高，动刀的平均速度高于谷物收割机，一般为1.6～2.0米／秒。
切割器提升装置一般由液压系统操纵，提升迅速、方便，能保证切割器对复杂地面的适应性。
安全装置主要是保证传动装置和切割器的安全。
对作业速度较高的割草机，一般采用脱钩式安全装置。
当切割器阻力过大时，安全装置即自动脱钩,切割器向后摆动,同时切断切割器的动力。
有的割草机的割刀传动装置采用木制连杆或胶带传动方式，在超负荷时连杆折断或胶带打滑，以保护其他传动零部件和切割器不遭损坏。
挡草装置通常是装设在切割器两端或外端的挡草板，其作用是将割下的牧草向切割器中部推移一段距离，留出供下一行程拖拉机轮子通过的通道，避免或减少对已割牧草的碾压。
一种智能割草机器人系统设计
一种智能割草机器人系统设计作者：管程赵志科李松营常浩刘森黄昆来源：《科技风》2024年第04期摘要：该系统以微控制器为核心，采用OpenMV与超声波传感器相结合的方式实现导航与避障功能，通过陀螺仪实时检测地况平整度来调整刀具倾角，通过搭载的UWB模块与LORA模块实现路径规划与远程监控，并设计了整体机械结构及伸缩式刀具结构，为智能割草机器人提供了完整设计方案。
关键词：割草机器人；路径规划；远程监控中图分类号：TP242草坪在城市和景区绿化方面发挥着重要作用，然而随着草坪面积的不断增大，草坪的日常修剪成为一项繁重的工作。
为了减轻草坪修剪维护的成本，割草机器人应运而生［12］。
现有的割草机器人主要有轮式驱动和履带驱动两种方式。
履带式割草机人具有爬坡能力强，适应不同地况的优点，但自身重量偏重，对动力电池的要求较高。
轮式割草机器人具有驱动结构简单的优点，在现有的割草机器人中应用最为广泛。
割草路径规划是割草机器人智能化的重要特征。
现有的割草机器人主要借助超声波传感器、激光雷达、机器视觉、北斗导航等信息获取方式，并通过Dijkstra算法、A*算法、D*算法、人工势场法等路径规划算法实现最佳路径选择［34］。
近年来，随着人工智能和图像处理硬件性能的大幅提升，使得实时图像处理与控制决策成为可能，也使得YOLO等目标检测算法越来越多地应用于割草机器人的路径规划之中。
但是，这些割草机器人普遍存在智能化程度低，且仅能胜任平整草坪的修建工作，无法适应全天候、多种地况作业的修剪任务［5］。
特别是因缺乏智能路径选择算法，容易出现重复作业和遗漏未修剪的情况出现。
因此，迫切需要设计一种适应多种地况的新型智能割草机器人。
1系统总体设计本设计的智能割草机器人系统方案，如图1所示。
本设计的微控制选择STM32F407作为整个控制系统的核心，用于处理各个传感器获得的数据信息，并做出控制决策。
陀螺仪选用MPU6050，用于实时获取行进中机器人的位置姿态，根据运行姿态来调整割草刀具的倾斜角度。
八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真
原理是以作物播种 时 的 种 子 位 置 分 布 图 为 依 据， 利 Ｐ Ｓ导航系 统 控 制 除 草 机 的 行 走 路 径 并 通 过 机 用Ｇ 器视觉伺服控制八爪铲齿的伸出和转入。除草装置 的工作过程是靠 机 电、 液 压 系 统 共 同 完 成 的。 机 构 复杂， 经济性差。 本文 主 要 针 对 具 有 一 定 株 距 的 作 物， 设计一种
图２ 八爪式株间除草装置工作示意图 Ｆ ｉ ｇ ． ２ Ｗｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇｓ ｋ ｅ ｔ ｃ ｈｏ ｆ ｉ ｎ ｔ ｒ ａ ｒ ｏ ｗｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｗ ｅ ｅ ｄ ｉ ｎ ｇｍ ａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ
２ 除草装置虚拟样机设计
零件的 三 维 设 计 是 装 配 和 仿 真 的 基 础， 利用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ软件的零件设计模 块 准 确 快 速 地 建 立 三 维 零 件模型。 ２ １ 主要部件三维设计 主轴转盘系是转矩的输入部分， 主要包括主轴、
第 ４期 张朋举 等：八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真
５ ７
八爪式株间机械除草装置， 并利用 Ｐ ｒ ｏ ／ Ｅ和 Ａ Ｄ Ａ ＭＳ 软件进行三维建模 和 运 动 轨 迹 的 仿 真， 为株间除草 装置的研制提供合理的设计参数。
， 铲齿转入时为状态 ２ 。如果 控 铲齿伸出时为状态 １ 制系统检测到伸 出 （ 状态 １ ） 的 铲 齿 会 伤 到 作 物， 轨 道变换滑块会保持 上 侧 轨 道 的 连 通， 使铲齿始终保 持转入（ 状态 ２ ） 的 位 置， 达 到 避 让 作 物 的 目 的。 八 爪式机械除草装置工作示意图如图 ２所示。
１ 八爪式机械除草装置设计
１ １ 结构设计 八爪执行机构包括外壳、 轨道变换滑块系、 主轴 转盘系和八套除草铲齿轴系。 除草装置主要利用轨道变换滑块来实现除草铲 齿转轴的上、 下移动， 同时利用带有螺旋轨道的套管 来实现除草铲齿转 轴 的 转 动， 最终决定铲齿在作物 株间间隙内的转入 或 伸 出， 从而实现株间除草和避 让农作物的目的。株间除草装置结构如图 １所示。
割草机器人毕业设计
割草机器人毕业设计【篇一：割草机器人自动避障系统设计】摘要自动避障系统是割草机器人关键模块之一，是割草机器人自主、安全行走前提。
本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择易于实验的小车结构。
stc89c52单片机是宏晶科技推出的新一代高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。
本课题以设计割草机器人自动避障为目的，采用stc89c52单片机作为控制核心，采用超声波传感器来检查路面上的障碍，来控制执行机构的自动避障，从而使执行机构完成左转、右转和后退的动作。
其中采用的技术主要有：（1）超声波传感器的有效应用，（2）显示器的使用，（3）通过编程来控制执行机构的运动。
关键词：stc89c52单片机，超声波传感器，执行机构，显示器abstractautomatic obstacle avoidance system is one of the key module robot mowers mowing robot, is independent, safe walking premise. this paper firstly introduced and compared to the domestic and foreign existing in the market of intelligent robot mowers, points out the key technologies in the development process of the intelligent robot mower now, combined with the successful experiences and actual demand now, select the vehicle structure is easy toexperiment.stc89c52scm is the macro crystal technology, the introduction of a new generation of high / low power / super anti-jamming mcu, the instruction code is fully compatible with traditional 8051 scm, 12 clock / machine cycle and 6 clock / machine cycle can be arbitrarily chosen. the design of automatic obstacle avoidance for robot mower, using stc89c52 micro-controller as control core, using ultrasonic sensors to check the road barriers, automatic obstacle avoidance control actuator, the actuator to complete the left, right and back action. the main technology:(1)the effective application ofultrasonic sensor.(2) the use of the monitor. (3)programmed to control the car.key words: stc89c52microcontroller, ultrasonic sensor, actuator , display目录中文摘要 ...................................................................................................... (i)abstract ............................................................................................ (ii)第一章绪论 ...................................................................................................... . (1)1.1选题背景及意义 (1)1.1.1自动割草机器人概述 (1)1.1.2自动割草机器人优点 (1)1.2割草机器人的发展简史及其研究现状 (2)1.2.1发展简史 ...................................................................................................... .. (2)1.2.2国外的研究现状 (2)1.2.3国内的研究现状 (3)1.3割草机器人自动避障系统 (3)第二章总体方案设计 (5)2.1主要研究内容 ...................................................................................................... .. (5)2.2具体方案介绍 ...................................................................................................... .. (5)第三章超声波测距 (7)3.1超声波测距设计思路 (7)3.1.1超声波测距原理 (7)3.1.2超声波测距方法 (7)3.1.3超声波模块的选择 (7)3.1.4显示器的选择 (8)第四章超声波模块的硬件结构设计 (9)4.1超声波模块电路设计 (9)4.1.1 超声波模块的特点 (9)4.1.2 超声波模块的工作原理 (9)4.1.3模块参数 ...................................................................................................... (10)4.1.4超声波时序图 (10)4.1.5超声波发送与接收 (11)4.2 stc89c52单片机功能及特点 (12)4.2.1 stc89c52单片机参数 (12)4.2.2 stc89c52单片机特性 (13)4.3.1 1602液晶屏的优点 (15)4.3.2 1602管脚定义 (15)4.3.3 1602操作时序 (16)第五章超声波测距模块软件设计 (18)5.1超声波测距算法设计 (18)5.2主程序流程 ...................................................................................................... . (18)5.2.1系统初始化程序 (18)5.2.2超声波启动程序 (19)5.2.3超声波计时程序 (19)5.2.4测距程序 ...................................................................................................... (20)5.3实验结果 ...................................................................................................... (20)第六章实验用执行机构硬件设计 (22)6.1执行机构底盘 ...................................................................................................... (22)6.2执行机构驱动模块 (22)6.2.1 l298n驱动模块说明 (22)6.2.2 l298n参数 (23)6.3 sg90舵机 ...................................................................................................... (24)6.3.1什么是舵机 (24)6.3.2舵机工作原理 (24)6.3.3利用单片机实现舵机转角控制 (25)第七章执行机构软件设计 (26)7.1执行机构行走程序 (26)7.2舵机转动控制执行机构行走程序 ...................................................................... 27 结论 ...................................................................................................... ................... 30 致谢 ...................................................................................................... ................... 31 参考文献 ...................................................................................................... ......... 32 附录1超声波避障舵机转动编程 ................................................................. 33 附录2 电路原理图 (40)【篇二：机器人毕业设计】课程设计任务书（级）厦门工程技术学院（学校）应用电子技术专业设计题目跳舞机器人学生姓名连胜伟学号 1299151024指导教师李天恩教研室主任谢玉妹系主任谢玉妹起迄日期 2014年9月3号到20115年1月13号目录摘要------------------------------------------------------4引言------------------------------------------------------5任务书-----------------------------------------------------6第一章我国机器人技术的发展概况------------------------------------7第二章机器人的总体设计解剖1.1资料的收集与阐述-----------------------------------------71.2机器人工作原理简介1.总体设计剖------------------------------------------------82.伺服电机的剖析--------------------------------------------9第三章机器人总体设计综述 ---------------------------------121、1设计课题的阐述-----------------------------------------121、2单片机的选择-------------------------------------------121、3主控板部分简介-----------------------------------------12第四章机器人的总体设计方案与部分简介1、1设计方案-----------------------------------------------131、2各部分功能及原理简介-----------------------------------13第五章机器人的原理图设计、仿真及电路板制作1、1机器人的原理图设计-------------------------------------151、2电源部分-----------------------------------------------161、3稳压电源部分-------------------------------------------161、5接口电路部分-------------------------------------------171、6单片机最小系统和isp在线编程---------------------------181、9电路板制作---------------------------------------------18第六章机器人电路板的调试与结论1、1数据的采集电路和处理方法-------------------------------211、2机器人测脉宽程序---------------------------------------231.2送数据程序----------------------------------------------271、3调试结论-----------------------------------------------31第七章心得体会--------------------------------------------31附录：1元器件清单------------------------------------------------322 参考文献--------------------------------------------------32[摘要]设计题目跳舞机器人关键词：stc15w4k60s4；伺服电机，单片机；机器人。
智能割草机器人设计说明书
本科毕业设计说明书题目: 智能割草机器人的研究院（部:机电学院专业: 机械工程及自动化班级:姓名:学号:指导教师:完成日期:2013年6月15日摘要本文首先对国内外市场上现存的智能割草机器人进行了介绍和比较，指出了现在智能割草机器人研制过程中需要注意的关键技术，并结合以往的成功经验和现在的实际需求，选择了结构易于实现的三轮车体结构。
根据智能割草机器人控制系统要求，确定了以AT89C51单片机为核心的智能割草机器人控制方案，将智能割草机器人的控制系统划分成了电机驱动单元、电机控制单元和传感单元等几个部分，最终确定了智能割草机器人的技术指标。
针对上述要求，进行了智能割草机器人机械本体的设计。
首先，根据相关的计算确定了所需驱动电机的参数，并以此为基础进行了电机选型。
然后根据选择的电机情况为智能割草机器人设计了驱动系统的减速机构。
最后，结合智能割草机器人的任务特点，为其设计了特制的割草机构。
控制系统是实现自动割草机器入自主执行割草任务的关键部分，根据具体的任务要求结合低成本的思想，确定了为电机控制和传感系统分别设置独立处理芯片的策略，控制系统首先对各个传感器件发送的环境信号进行预处理，再为智能割草机器人的运动控制反馈合适的环境信息。
然后电机控制单元结合发送的信号对智能割草机器人进行相应的运动调节。
关键词:智能割草机器人；移动机器人机械本体设计；电机控制；传感系统；割草机构Research and Development of Autonomous Robot Lawn MowerABSTRACTThis paper first introduces and compares existing mower robots，point out the key technologies and the successful experience for autonomous robot lawn mower development, chose a simple tricycle structure.According to the needs of autonomous robot lawn mower control system。
园林割草机器人设计分析
园林割草机器人设计分析摘要：当前，在草坪上进行割草作业的机器人技术正朝着智能化、高效化的方向发展。
因此，本文以园林机械割草机的产品设计与优化为切入点，根据园艺机产品系列中的机械割草机的技术现状和发展趋势，结合企业的实际研究工作；从整机设计、软硬件协同开发、测试认证等几个方面进行了阐述。
关键词：园林机具割草机器人产品设计1园林割草机器人概述机器人割草机是一种具有机电一体化集成、定时启动、自动返回基站充电、躲避障碍物、感知雨水等功能的智能化机器人[1]。
在技术方面，目前比较成熟的有Friendlymachine公司的 Robomow、Zucchetti型号产品，AL-KO公司的Robolinho产品, WORX公司的Landroid产品等。
从市场角度看，国外的园林企业都已经看到了机器人割草机的发展，并进行了相应的布局。
苏州宝时得公司WORX品牌的 Landroid M/L系列是国内知名的园林工具制造商，凭借出色的产品设计和良好的性价比，成为欧洲市场销量最高的产品。
南京苏美达公司的Yardforce系列产品，凭借其卓越的价格优势，在欧洲市场的销量逐渐上升。
2园林割草机器人整机设计在园林割草机器人整机设计中，需要确定除草电机参数、前后车轮布局、传感器选型布局、行走电机参数、除草刀布局等；通过对除草机行走路径、充电站参数布置、人机交互界面参数布置等方面的研究，可以实现单片机的选择、割草机器人硬件、软件的设计[2]。
当前市场上的园林割草机器人主要有两种形式。
图1中所示的是由Husgvarna的圆形刀盘驱动刀片。
图2是一种多齿的整体式刀片，它是Robomow 的代表。
本文倾向采用圆刀盘带动用刀片方案。
理由如下：（1）根据 EN 50636-2-107:2015第20102.的规定，使用多齿的整体刀片必需按照传统的割草机要求，护置必须低于刀片平面3 mm以上，该条款使得产品结构设计有一定的局限性；（2）整体式刀片的安全性不高，在草坪上进行切割时，会对草坪造成很大的划痕，同时也会造成割草机器人刃口的损伤。
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析
通过对测试数据的分析和评估，可以总结出机械臂的优劣势以及需要改进的 方向。例如，如果机械臂的抓取精度较高但移动速度较慢，可能需要优化其传动 系统以提高移动速度；如果机械臂的移动速度较快但抓取精度较低，可能需要改 进其末端执行器设计以提高抓取精度。
四、结论
农业采摘机器人机械臂结构设计与分析是提高采摘效率和精度的关键。本次 演示通过对机械臂结构、运动原理、性能测试等方面的详细阐述，强调了农业采 摘机器人机械臂的重要性和应用前景。为了进一步优化机械臂性能，未来的研究 应以下几个方面：1）改进传动系统设计以提高移动速度和抓取精度；2）研发更 高效的末端执行器以提高采摘效率；3）
结合机器视觉和技术实现对不同形状、大小、颜色的果实自动识别和抓取； 4）完善机械臂的自我保护和故障诊断功能以提高其可靠性和耐用性。通过对这 些方向的深入研究，有望为农业采摘机器人的进一步发展提供有力支持。
参考内容
随着科技的飞速发展，农业采摘机器人已成为现代农业的重要组成部分。本 次演示将聚焦于农业采摘机器人的核心部件——机械臂，探讨其结构设计的关键 因素，以及未来的发展趋势和挑战。
3、机械臂结构设计的未来发展 趋势和挑战
未来，机械臂结构设计将朝着轻质、高强度、多功能、人性化和环保等方向 发展。在材料选用上，将更多地采用高性能轻质材料，如碳纤维复合材料和铝合 金等；在结构设计上，将更加注重人体工学和空间利用率的提高；在功能上，将 更多地引入多种传感器和执行器，提高机械臂的感知能力和动作精度；在人性化 设计上，将更加注重用户体验和操作便捷性；在环保方面，将更多地采用节能环 保材料和方法，降低机械臂的生整体结构需根据采摘对象和作业环境进行设计。一般而言，机械臂 应具备大范围的运动能力，以覆盖广阔的采摘区域。同时，为了方便操作和维护， 机械臂结构应简洁、易于拆卸。
割草机器人调研报告
.割草机器人调研一国内外研究状况在欧美国家，城市中有大量的公园草坪、足球场草坪、高尔夫球场草坪等公共绿地以及一般家庭绿地需要进行维护。
为降低草坪维护作业的劳动强度，1997年，OPEI年会上第一次提出了智能割草机器人（Intelligent Robot Mower）的概念。
目前，国外市场上已经有了多款割草机器人产品。
以色列Friendly Machines公司设计的Friendly Robomow（见图1）是世界上第一批走进家庭和市场的割草机器人也是目前市场化最成功的智能割草机器人产品之一。
此外，还有意大利Zucchetti公司生产的Robo-Lawnmower（见图2，爬坡的坡度为27o~30o），其中型号为Line 300的机器人具有下雨时，自动回归充电站的功能；瑞典Electrolux公司生产的Husqvarna Auto Mower（见图3），该机器人驱动轮直径较大，有很强的爬坡能力，最大爬坡角度为35o；比利时Belrobotics公司生产的适用于大、中型草坪维护的Bigmow（见图4）。
据国内据报道，2007年2月，上海大学研发成功了割草机器人“kakamower”并准备于今年投入市场，预期售价为460美元左右。
以及在今年3月，昆山市金联塑料制品有限公司与浙江大学联合研发成功了割草机器人。
国内从事割草机器人研究的还有南京理工大学、江苏大学等。
图1 Friendly RL850 图2 Robo-Lawnmower图3 Auto Mower 图4 Bigmow下表列出了各种割草机器人的参数指标和价格。
.. 表1 各种品牌割草机器人参数指标及价格比较二割草机器人技术分析1 结构设计•设计要求：割草宽度：25 cm，割草高度：2-7cm（割刀距地面距离可调节）按功能分割草机器人的机械结构可分为驱动机械结构和割草机械结构。
1 驱动机械结构现有的割草机器人大多采用轮式机构驱动（也有采用履带驱动，很少）。
除草机器人机械机构与控制系统设计
除草机器人机械机构与控制系统设计发布时间：2022-11-28T03:41:19.954Z 来源：《中国科技信息》2022年15期8月作者：贾鹏王文阳孙伟豪[导读] 针对我国现状设计了一种适用于果园矮砧密植栽培模式的除草机器人，提出了具有割草和断根除草两种功能的机器人方案。
贾鹏王文阳孙伟豪（滨州学院电气工程学院，山东省，256600）摘要：针对我国现状设计了一种适用于果园矮砧密植栽培模式的除草机器人，提出了具有割草和断根除草两种功能的机器人方案。
该机器人系统由机器人本体、割茬高度调节机构、转向机构、割刀角度调节机构和除草机构组成。
采用碟式结构的除草刀盘和三种不同刃线形状的除草刀片，采用Arduino开发平台，通过控制系统硬件和软件程序设计，开发了除草机器人控制系统的核心Arduino主控板、电机驱动模块、超声波避障模块、无线电通信模块，使机器人障碍物检测、报警，远程操控行走、转向等功能有了实现基础。
关键词：结构设计；碟式除草刀；控制系统基金项目：山东省大学生创新创业训练计划项目（202210449014）0 引言果园种植业已经成为各地经济发展的支柱产业及促进农村发展和提高农民收入的重要途径[1]，果园杂草过多、过大会造成果树营养物质与水分的流失，影响了果树生长和果品质量。
因此，在果园管理中，使用除草机械代替人工割草、化学除草和覆地膜等除草方式，从而提升工作效率、减少环境和土壤污染，实现果园智能机械化管理，已经成为各地果农在果园管理中的迫切需求和现代化果园发展的必然趋势[2]。
目前，国内大部分除草机器人只适用于在庭院等相对平坦的区域作业，且大多数需要人工驾驶或随行，自动化水平较低[3-4]；国外现有的除草机器人多用于田间作业，除草方式多为喷药，会造成环境污染，部分借鉴田间除草机器人研制出的果园除草机器人保留了大结构、大功率的形式，价格高昂，且不适宜矮砧密植果园的作业环境[5-7]。
现有除草机器人功能相对单一，不能同时满足生草果园割草留茬、割茬高度调节和清耕果园断根除草的作业要求。
基于慧鱼模型的割草机器人设计
基于慧鱼模型的割草机器人设计作者：孙波刘永嘉王继慧来源：《山东工业技术》2017年第08期摘要：本课题用慧鱼模型设计并构建了一种小型自动割草机器人器人模型。
慧鱼创意组合模型是一种技术含量较高，经拼接后形成的工程类模型，是展示科学原理和科学技术的理想教学器材。
本文设计是以德国慧鱼创意积木所搭建而成的模拟机器人为基本构架，运用电脑界面板去控制驱动割草机器人器人，使机器人的行为动作达到我们的要求。
通过慧鱼模型拼接组装，程序编制，任务达到要求，简明扼要的阐释了机械之间的配合关系，各种传感器安装使用，软件编写，实现对电磁线圈的控制，操作简单易懂，更加方便快捷。
关键词：慧鱼；智能机器人；循迹；边界识别DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.1801 割草机器人功能实现1.1 割草机器人割草功能割草机器人的割草功能实现是由电动机通过蜗轮蜗杆连接到头实现。
小型电动机连接齿轮箱，然后在连接上刀头来控制刀片转速，实现割草过程。
1.2 边界识别功能边界识别的实现是利用循迹传感器可以寻找到白色表面的黑色边界的功能，割草机器人左右轮各用直流双向电机驱动，所以通过设置两个轮子的转速从而达到控制转向的目的。
1.3 避障功能割草机器人车头安装两个活动挡板，挡板底下安装两个微动开关I3，I4。
当前方障碍推动挡板会触碰微动开关I3，I3触动，控制系统会控制机器人M1旋转，M2旋转，使机器人偏移避开障碍。
2 割草机器人的控制系统设计2.1 软件介绍慧鱼控制器模拟运动过程的实现需要通过ROBOPro软件来进行编程。
ROBOpro软件在Windows平台上运行，使用图形化的控制单元，流程图式的图框编程过程。
2.2 控制程序编制软件设计的程序大体可分为割草、循迹边界识别、避障和计时循环四大部分。
程序将实现开始机器人前进→割草刀片旋转→避障→边界识别→循环计时等动作。
a.子程序。
① Random。
该程序执行，初始值为0，一个路径传至random计数量，另一个路径执行值为一，进行判断Z>15是否成立，若为否则+1继续进行判断，并且传至下一个程序，同时等待0.06秒后继续判断。
智能割草机器人的研究综述
智能割草机器人的研究综述第29卷第4期2007年7月机器人ROBOTV o1.29,No.4July,2007文章编号:1002-0446(2007)04-0407—10智能割草机器人的研究综述丛明,金立刚,房波(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连l16023)摘要:分析了国内外智能割草机器人的研究现状.讨论了智能割草机器人在机械结构,传感系统和路径规划算法等方面的现有研究方法.指出了智能割草机器人研究中存在的问题.最后,展望了智能割草机器人的发展方向.关键词:智能割草机器人;机械结构;感应系统;控制系统;路径规划算法中图分类号:TP24文献标识码:AIntelligentRobotMowers:AReviewCONGMing,JINLi—gang,FANGBo(KeyLaborator?/forPrecn8ndNon.tr口d'M.chingTechnnkgyMtEduc毗∽DalianUniversityofTechnology,Dalian116023,China)Abstract:Thispaperanalyzesthestateoftheartofintelligentrobotmowers,anddescribesthec urrentapproachesforin—telligentrobotmowersintermsofmechanism,sensingsystemandpathplanningalgorithm.E xistingproblemsinthefieldofintelligentrobotBowel'sarepointedout.Finally,futuredevelopmenttrendofintelligentrobo tmowersispresented.Keywords:intelligentrobotmower;mechanicalstructure;sensingsystem;controlsystem;p athplanningalgorithm1引言(Introduction)随着经济的发展,各国城市建设逐渐深化,城区的绿化程度也随之提高,大量的公园草坪,足球场草坪,高尔夫球场草坪等公共绿地均需要进行维护.在各种草坪维护作业中,以草皮修剪工作最为繁重,不仅枯燥,而且重复性强,通常需要消耗大量的人力和物力¨j.为了降低草坪维护作业的劳动强度,近年来一些西方国家提出用现代电子技术和智能控制技术来改造和提升草坪机械产业的战略,并于1997年的OPEI(OutdoorPowerEquipmentInstitute)年会上, 第一次提出了智能割草机器人(IntelligentRobot Mower,IRM)的概念,希望在不久的将来用智能割草机器人取代传统的割草机.智能割草机器人是集环境感知,路径动态规划和行为控制等多种功能于一体的综合机器人系统, 与传统的草坪修剪机械相比,智能割草机器人更具有优势:第一,智能割草机器人可自主工作.传统的割草机自动化程度比较低,需要人工操作,而智能割草机器人内部搭载了高速微处理芯片,能结合传感器信收稿日期:2006—08—31息自行识别外部的工作环境并进行作业,不需要或者仅需要少量的人工干预.第二,智能割草机器人具有较高的安全性.智能割草机器人采用了传感单元和控制系统,与人工操作传统割草机相比,智能割草机器人的灵敏性更强, 检测范围更宽,精确度也更高,并且不会带来因疲劳而造成的意外事故.此外,智能割草机器人还可以根据不同条件按一定的策略控制自身的各个元件,来最大程度地降低伤害的可能性,如:当车体倾翻时, 停止割草刀片的运行等.第三,智能割草机器人更利于环境保护.传统割草机的割草机构主要通过内燃机和蓄电池驱动.采用内燃机供能时,会产生高分贝的噪声和燃烧不充分的废气,这将严重影响操作者及周边人员的身体健康;采用蓄电池供能时,虽然能降低污染,但受电池电量及体积的限制,在割草过程中需要操作者往返多次进行充电,降低了实用性.而智能割草机器人由于采用了自动控制系统,能返回预定地点而不需要人工干预,所以智能割草机器人采用清洁的电能时,不会带来额外的劳动量.并且,由于智能割草机机器人2007年7月器人具有体积小,重量轻和所需功率小等特点,在阳光充足的地区,完全可以采用太阳能电池作为动力源,更能体现其低污染的优势.当然,割草机器人也存在一些需要改进和完善的不足之处.比如,为了适应不同类型草坪的割草任务,智能割草机器人的机械本体结构还需要进一步的优化;由于智能割草机器人在户外非结构化的空间中工作,其控制能力和安全性还有待于提高;需要研究基于无线网络和移动电话通讯网络的智能割草机器人远程通讯技术等.2研究现状(Stateoftheart)最早的割草机器人大约诞生在第二次世界大战结束之后(20世纪50～60年代左右),受时代的影响,大量的军工技术开始转向民用领域,极大程度地带动了家庭生活的自动化.图1为摘录于互联网的早期割草机器人产品,日期不详,虽然图中的机器人并不具有智能性,仅能依靠人工遥控进行作业,但却为以后智能割草机器人的发展提供了一定的基础.图1早期的割草机器人Fig.1Earlyagemowerrobot割草机器人智能化的研究建立在智能控制领域逐渐发展的基础上,微型处理器的研制成功又使得利用小体积,低功耗控制器进行运动控制成为可能, ,在最近的二十年里,不同种类的智能割草机器人相继问世,它们大多性能相近,能自动割草,同时具有定时启动,自动充电等辅助功能.割草机器人的智能性主要体现在其自主工作的能力上:低智能的割草机器人只依据设定的轨迹进行工作,不具备动态分析外部环境的能力,当在路径上遇到障碍物时停止, 等待障碍物离开后再继续运行或请求人工协助绕开障碍物;中等智能的割草机器人则依照某种策略绕过障碍物,但不能保证完全覆盖除障碍物以外的其他所有区域,剩余未割草坪由人工修整;高智能的割草机器人能直接建立工作区间的地图,具备路径自主规划和决策的能力,无需任何外部因素干预即可实现割草区域的完全遍历.由于割草机器人属于民用领域,总会受到制造成本的约束,往往并不能采用昂贵的定位和视觉处理设备来保证其高智能性,因此目前所见到的割草机器人大多处于中等智能水平到高等智能水平的过渡阶段.2.1国外研究现状国外对智能割草机器人的研究已有十多年的积累,并取得了一定成果,从事研究的单位既包括公司企业和大专院校,也有机器人爱好者团体和个人.在欧洲和北美等草坪拥有量高的西方发达国家,已将智能割草机器人作为产品在市场上销售,但基本上都属于中等智能水平;在美国,草坪业已经成为其十大支柱产业之一,为了促进智能割草机器人的研发, 从2004年起每年都要举行一次自动割草机器人比赛(AnnualAutonomousLawnmowerCompetition)[5.6J,目的在于实现智能割草机器人的全自主运行.图2FriendlyMachines公司的Robomow(RLIO00) Fig.2Robomow(RL1000)ofFriendlyMachinesCorp图3早期的RobomowFig.3EarlierageRobomowFriendlyMachines公司设计的FriendlyRobo—mow[(如图2,图3所示,图2为最新型号,图3为早第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述期型号)是目前市场化最成功的智能割草机器人产品之一.该机器人(RLIO00)重约22kg,体积为89cm ×65cm×31.5cm,驱动电源为两枚24V,17Ah的免维护铅酸电瓶.Robomow采用三轮小车为本体,后轮用两个不同的直流电机驱动,前轮为起导向作用的万向轮,前端搭载了3个150W的高速电机控制割刀,能形成宽53cm左右的切割区域,Robomow割刀的最大特点是可将割下来的草茎粉碎成3mm以下的碎草沫,形成天然的肥料再释放回草坪中去,其具体结构参见图4.图4Robomow的底部结构Fig.4BottomofRobomowRobomow具备自主充电能力,每次充电大约可工作2.5～3h,能覆盖500m.左右的草坪,同时还具备防偷盗的辅助功能,部分型号还可以进行遥控操作.在Robodlow割草前,使用者需要用电缆将草坪边界,静止障碍物以及机器人不能进人的区域围起来(图5中的①),形成待工作区域,Robomow通过感应电缆中的电信号进行导航.当Robomow(图5中的②)探测到电缆后会反向运行,然后转过相应角度后正向运行,再次检测到电缆后重复以上过程,反复迂回运行于事先设定好的范围内.非电缆确定的障碍物(图5中的③)通过超声波传感器检测并简单绕行,但不能保证工作区域的全部遍历.Robomow的主要传感器为一个位于前端的超声波传感器以及一组排列在车体外缘的接触开关.其他的智能割草机器人产品也都与Robomow的工作原理类似,虽各有特色,但都是利用埋信号电缆的方式划定工作区域.图6为意大利Zucchetti公司生产的AmbrogioRobo—Lawnmower,体积为57×42 ×26ClTI.,采用了四轮结构,后两轮为驱动轮,前端为两个导向轮,支持锂电池,铅酸电瓶和自动充电,每次充电工作时间大约为2h,虽然它较Robomow要小一些,但却能支持3000m左右的草坪,割刀高度的调节范围为20～70mm.AmbrogioRobo—Lawnmower 最大的特点是带有雨水传感器和留有互连网接口.雨水传感器可以让机器人感知外界的天气变化,当下雨时自动返回到安全地点,以防止内部电路因潮湿而受损.互联网接口可为机器人提供远程服务,如进行远程故障诊断以及机器人内部软件远程升级等.此外,Zucchetti公司的产品还有Oscar割草机器人,如图7所示,它的性能指标和AmbrogioRobo—Lawnmower基本类似,区别在于Oscar型割草机器人体积更小,更适合于小型家庭草坪的修剪任务.图5Robomow的工作原理Fig.5HowdoesRobomowworks图6Zucchetti公司的AmbrogioRobo—Lawnmower Fig.6ZucchettiAmbrogioRobo—Lawnmower图7Zucchetti公司的Oscar(在充电仓内)Fig.7ZucchettiOscar(insidethecharger)4l0机器人2007年7月瑞典Electrolux也是比较早涉足割草机器人相关产品开发与研制的公司之一,图8为该公司生产的HusqvarnaAutoMower割草机器人.图8Electrolux公司的HusqvarnaAutoMowerFig.8ElectroluxHusqvarnaAutoMowerAutoMower割草机器人重约8.6kg,体积为71×60X26cm,支持自动充电,单次充电割草面积约为1800m,依靠一枚l8V,22Ah的智能锂电池供电.与wnmower类似,AutoMower采用了四轮结构的驱动,后两轮差动驱动,前两轮为万向导向轮.在AutoMower割草机器人上,Electrolux还采用了更多的适合于草坪切割作业的设计:带有齿状突起的大尺寸驱动轮可驱动AutoMower更可靠地在粗糙的草坪上行驶;AutoMower机器人外壳采用整体悬挂的安装方式,可以迅速捕捉到任何对外壳的碰撞信号;割草高度可直接通过机器人顶部调节等. 在Electrolux公司的Husqvarna品牌下,还有其他型号的智能割草机器人,功能上跟AutoMower基本类似,主要差别是在外形,最大爬坡角度,电池类型和驱动轮直径等方面.图9为Husqvarna另一型号的AutoMower,图l0为配备有太阳能电池板的HusqvarnaAutoMowerJ0].图9另～种型号的HusqvamaAutoMower¨g.9AnotherversionofHusqvamaAutoMower比利时Belrobotics公司生产的Bigmow是一种适用于修剪中型及大型草坪的割草.器人,见图11. Bigmow重约48kg,体积为120×120×50cm,通过一个24V,l5Ah的镍铬充电电池供能.Belrobotics公司还采用了24V的无刷直流电机和直径达450mm的驱动轮,以及5个24V,3200r/min的切割电机,使其更合适在大面积的草坪上作业.图l0带有太阳能电池板的HusqvamaAutoMower Fig.10HusqvarnaAutoMowerwithsolarcells图11Belrobotics公司的BigmowFig.11BelroboticsBigmow图l2俄亥俄大学的智能割草机器人Fig.12OhioUniversity'Sintelligentrobotmower除上述公司外,还有很多院校以及科研机构都积极展开了智能割草机器人的研究.图l2为美国俄亥俄大学研制的智能割草机器人样机.该机器人的整体框架为铝合金,利用两个直流电机驱动,速度约为16km/h,它共使用了3个微处理器,1个陀螺仪,支持远程控制和自动运行.机器人的导航系统的核心为差分全球定位系统(DifferentialGlobalPositio—ningSystem,DGPS),能精确地跟踪机器人在工作区第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述411 间的位置¨.与传统的全球定位系统(GlobalPositio—ningSystem,GPS)相比,差分全球定位系统能将全球定位系统的信号通过已经精确测定位置的基准台再次修正,有效地削弱了各种误差,具有更高的精度,十分适合户外移动机器人的定位¨.凭借该机器人的出色表现,俄亥俄大学在2004年及2005年连续两次获得导航研究所年度自动割草机器人竞赛(Insti—tuteofNavigation'SAnnualAutonomousLawnMower Competition,ALMC)的冠军.其他参与比赛的还有伊利诺斯理工学院(I1T)和俄亥俄州迈阿密大学(MUO)等学校,其中liT的代表队获得了2005年自动割草机器人竞赛的亚军,而MUO的代表队则是2004年首届该竞赛的亚军.图13和图14分别为各个代表队的参赛样机.IIT的割草机器人采用了分体式设计,由中央移动单元和电动割草机两部分构成. 中央移动单元包括了运动及运动控制系统,传感系统,导航系统和电源,电动割草机紧固在中央移动单元上,接受控制命令及电源.MUO的割草机器人则采用了双能源的设计,割草机构通过汽油引擎驱动,而移动部分依靠电瓶驱动,电瓶可通过汽油引擎进行充电..图13liT的割草机器人Fig.13liT'srobotmower图14MUO的割草机器人Fig.14MUO'srobotmowerLawnNibbler(如图15)割草机器人是由佛罗里达大学机器智能实验室开发的,目前已经进入到了第3代的研究,主要的研究领域是实现具有自主学习能力的智能割草机器人,比如通过学习自动识别花,宠物等障碍和学习全区域覆盖策略等方面.图15佛罗里达大学的LawnNibblerFig.15FloridaUniversity'sLawnNibbler图16NREC的自动割草机Fig.16NREC'sautonomousmower针对大型高尔夫球场地草坪的修建,卡耐基?梅隆大学机器人研究所的国家机器人工程中心设计了一种大型的智能割草机器人,如图16所示,该机器人是由大型载人割草机改装而成的,添加了影像识别系统,中央控制计算机和全球卫星定位系统等自动化设备,实现了真正意义上的高效自动割草作业.2.2国内研究现状国内对于割草机器人的研究起步时间较晚,参与该领域的研究单位也比较少,但仍取得了一定的成果.南京理工大学机械学院设计了MORO型移动割孳机器人..''..见图17),并成功开发出了MORO—I,MORO—II等若干型割草机器人样机.南泉堙工大学412机器人2007年7月对割草机器人的总体设计(见图18),路径规划,避障,定位系统,控制系统等从理论上进行了较全面的讨论并提出了一种廉价实用的总体方案,还根据机器人动力学方程推导出驱动力矩的计算公式,为电机选择,控制系统硬件电路主要元器件参数选择提供了计算依据,为进一步深入研究割草机器人打下了基础.MORO型移动割草机器人的主要导航设备为驱动轮编码器和磁航向传感器,能自动生成无信标边界并在内进行全区域覆盖行走.该机器人的体积约为80X51x40cm,重约50kg,刀片的转速高达5000r/rain,适用于大面积草坪的修剪工作.此外,南京理工大学还将机器人领域的前沿技术引用到割草机器人上来,如基于Internet的机器人控制技术和太阳能草坪割草机关键技术18,19]等.图17南京理工大学的MORO移动割草机器人Fig.17MOROmowerrobotofNanjingUniversityofTechnology 图18MORO的机构简图Fig.18MORO'sframe图19江苏大学的割草机器人结构简图Fig.19MowerrobotofJiangsuUniversity与其他轮式割草机器人不同,江苏大学研制了一种履带式割草机器人,具有GPS定位导航的功能,能高效高速地进行作业,适用于大面积的草场区域.该机器人由两部分组成,一部分为广茂达公司生产的AS.RF履带式机器人,另一部分为自行设计的割草机台.此外,江苏大学还针对不同的草坪给出了合理的切割高度,这为割草机器人的研究提供了重要的依据.3研究方法(Researchapproaches)虽然割草机器人的研究平台有很多,国内外的科研机构在此领域也做出了大量的工作,并有部分的产品投放市场,但其中很多并没有达到完全自主运行的条件,割草的效果也不是十分理想,因此割草机器人的研究仍处于起步阶段0.但可以肯定的是,在众多科学家的共同努力下,近几十年来的积累已为割草机器人的研究形成了一整套的研究方法,具体体现在机械结构,传感系统和路径规划算法等几个方面的理论,对这些理论进行深入细致的研究能进一步促进割草机器人.f}勺发展J.3.1割草机器人的机械结构割草机器人的本体包括割草机器人车架体,车轮,减速器,驱动电机,蓄电池,传感系统,控制系统和割草机构等主要部分.对割草机器人进行合理的机械结构设计能为割草机器人在运行时提供可靠的稳定性,安全性和灵活性.整个割草机器人的机械结构又可分为两个方面:割草机器人的驱动机械结构和割草机器人的割草机构.3.1.1驱动机械结构设计割草机器人属于户外移动型机器人,针对该类型的机器人有各种驱动方案可供参考.根据户外移动型机器人的工作特点,文[23],[24]和[25]对户外自主移动机器人平台的驱动方案进行了详细的讨论.在文[23]和[24]中指出,户外移动机器人的运动方式有轮式,履带式和足式等多种.轮式和履带式驱动方式适用于较平整路面,而足式驱动方式适用于特殊的,条件相对恶劣的环境,也有的移动机器人为了适应各种路面将这几种驱动方式混合使用.割草机器人一般工作在条件较好的草坪上,结合其他工作要求,割草机器人大多选用轮式驱动方式.在文[25]中,又指出轮式驱动方式根据轮子数目又分三轮,四轮和六轮等几种.三轮方式结构比较简单,能够满足一般需要,应用也比较广泛,如图20中的(a),(b).四轮方式的稳定性好,承载能力比较大,但第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述4l3 结构相对复杂,如图20中的(c),(d).六轮方式与四轮方式类似,具有更高的承载能力,稳定性和柔性,多用于未知环境的探测,如月球车和火星车等.根据转向方式的不同,轮式驱动方式又可分为铰轴转向式和差动转向式两种.铰轴转向式如图20中的(a),(c)所示,转向轮装在转向铰轴上,转向电机通过减速器和机械连杆机构控制铰轴从而控制转向轮的转向.差动转向式如图20中的(b),(d)所示,在车体两侧的驱动轮上装有不同的控制电机,通过两轮的速度比来实现车体的转向,在该情况下,非驱动轮应为自由的万向轮.在割草机器人中,这些机械结构均有采用,其中最典型的是三轮差动的驱动方式.该方式的优点是结构简单,运动灵活和能实现零半径转弯等,缺点在于实现两电机同步转动对电机的同轴度和控制系统的精度要求比较高.(b)(c)(d)图20移动机器人驱动方式的选择Fig.20Drivingmodeselectionofmobilerobot为了实现割草机器人预定的工作要求,还需要对割草机器人运动学的模型进行分析和讨论,以指导机械设计的过程,割草机器人的运动学模型也为割草机器人的仿真和路径规划提供了数学基础.本文将给出三轮差动这一典型割草机器人驱动模式的运动学模型.如图21所示,万向轮只对机器人起支撑作用,其对车体系统数学模型的影响可以忽略.以下为涉及的参数:图21车体系统运动学模型Fig.21Kinematicmodelofthevehiclesystemy[X,Y]:驱动轮轴心:智能机器人的角速度L:左驱动轮的速度:右驱动轮的速度:两个驱动轮间的距离车体的运动学模型:㈩』=(R+L)/2(2)【=(R一L)/L(1)式和(2)式相加得:r=cos=[(R+L)costh]/2{Y=vsinth=[(R+UL)sinth]/2(3)【击,:假设时间域为[0,t],各个变量的初始值分别为:,y,th,.,Yo,.,则(3)式的定积分公式为::.+旦dy:+d￡(4)=.+d￡将时间域[0,t]划分成足够小的子区间[0,t],414机器人2007年7月[t,t],…,[t一,t一],[t,t],每个区间作为一个控制周期.在每个时间区间[t一1,t],k=1,2,…, n,t.=0里,智能割草机器人运动学模型的定积分公式为::一+;f"(+)df一'k一1y㈩咖_l+.3.1.2割草机构设计割草机构是智能割草机器人的终端执行机构,用来进行草坪修剪作业,割草机构的设计直接关系到割草机器人性能.文[26]和[27]详细讨论了割草刀片在高速旋转时所产生气流的流场,分析了刀片运行时的模态,不平衡离心力和动态响应等参数.分析的结果为进行割草机器人的刀片及割草机构设计提供了重要的依据.文[21]和[28]提出了常见草坪的合理修剪高度,设计了具有高度调节功能的割草机台,同时该割草机台还设置了出草通道,以免发生草屑堵塞.设计割草机构时应当综合考虑实际需求.为了降低传统割草机的噪音和废气污染,割草机构的驱动能源多为电能,这就要求割草刀片在工作时尽量不要发生卡死,锁紧等现象,以避免烧毁电机及驱动电路.由于割草刀片处于高速运转状态,还应考虑刀片及电机的散热问题.此外,家庭用割草机器人要特别注意刀片的安全性,应严格依照文[29]设计,充分考虑潜在的危险,以使其对人体及其他动物的伤害降至最低.3.2传感系统割草机器人属于典型的户外移动机器人,工作时将处于非结构化空间内.割草机器人要检测固定的和移动的障碍物,获取自身的运行参数(如坐标,方向,速度和加速度等信息),用于判断潜在的危险,并决定相应的对策.因此,割草机器人必须具备一个完备的传感系统.由于户外移动机器人技术已有多年的经验积累,所以很多成熟技术可供割草机器人采用.另外,一些正在发展的新技术也逐渐引入到割草机器人领域中来.通常,割草机器人装备的传感器有超声波传感器,红外线传感器,视觉传感器,金属探测器,光电码盘和人体热释传感器等.超声波传感器的探测范围为10cm～3m,红外线传感器的测试范围为5mm～80cm,由于都属于反射式距离传感器,将两者结合可以测量机器人与障碍物之间的距离.值得指出的是, 在户外环境工作时,超声波的速率往往会受到温度的影响,因此暴露于户外的超声波传感器需要利用温度传感器对输出的结果进行补偿,在文[32]中指出了一种高精度超声波传感器的数据补偿方法.视觉传感器也可作为测距元件,但与其它测距传感器相比,视觉传感器还能识别各种复杂的移动物体(包括人和车辆等),建立工作空间模型,更能让遥控操作变得更直观,但是视觉传感器要与图形处理算法结合才更有效.文[33]就介绍了一种割草机器人的视觉算法,用于生成工作区域地图和检验割草效果. 在利用埋入地下的金属导线作为工作区域界限标识的情况下,采用金属探测器进行边界检测.光电码盘可检测割草机器人的运行速度,加速度及角加速度等参数,利用这些信息可实现机器人运动的闭环控制.人体热释传感器是通过接收人体释放的热量对行动的个人进行识别的元件,通过特殊的调节还可用于动物的识别.随着科技的发展,一些先进的导航技术也正逐渐延伸到民用机器人领域.例如,文[34]中的割草机器人的传感系统采用了GPS技术,通过检测卫星的信号来确定割草机器人在工作区间中的具体位置. 文[35]中更是利用添加基站的DGPS技术提高了割草机器人在工作区间内的定位精度.值得注意的是,这些采用外界定位系统辅助的割草机器人都需要搭载网络通讯设备,已经超出了传统的单机机器人的概念.另外,一些高端的玩具和模型上使用的感测元件也可以应用在割草机器人上,如电子罗盘,惯性计和多通道遥控平台等,这些元件由于产量相对较大,成本也相应低一些,替换起来也很方便.总之,在设计割草机器人传感系统时应当充分考虑预算,实际需求和工作状况等条件,使整个系统达到最优配置. 3.3全区域覆盖路径规划为了实现割草机器人的预定功能,需要对割草机器人的路径进行全区域覆盖规划.所谓全区域覆盖路径规划(CompleteCoveragePathPlanning,CCPP)是指对机器人的路径进行规划,使其完全覆盖工作环境中所有无障碍的区域l3.根据不同的策略,全区域覆盖路径规划又可分为随机路径规划和非随机路径规划两种.其中,基于环境地图的全区域覆盖路径规划是割草机器人路径规划中的研究重点和难点.第29卷第4期丛明等:智能割草机器人的研究综述4l5 采用随机移动路径规划的机器人不需要对环境有预先的了解,公平对待整个区域,主观上不愿意遗漏对任何局部区域的覆盖.文[36]采用的方式是让机器人直线行进,当机器人遇到障碍物时向后随机转一个角度,然后继续直线进行.由于该规划方式不需要特殊的算法,实现非常简单,更不需要机器人附加特殊的导航设备,所以在市场化的割草机器人产。
自激振动式小型中耕除草机的设计
机电信息工程自激振动式小型中耕除草机的设计梁晓兵# 王“刘志强(河南机电职业学院，河南郑州451191)摘要：本文通过总体机具的协调设计，力求可以 使中耕除草机的除草效果达到最好&同时通过分析计算，建立了初步的中耕除草机模型，设计了具有弹能的翼式中耕除草机。
关键词：自激振动；中耕除草机;设计1 整机结构本文结合 中西部地区环境条件以及农机农艺 ，设计的中 草机(图1(#引机架、限深仿形轮、弹簧振动 草单 成$采用后置三点式悬挂# 两个限深仿形轮，除草部件采用弹簧振动草单体，同时，悬挂架采用热轧槽钢，连接板均采用角钢，以此达到减小体积、减轻的目的。
自 弹簧装紧端盖、自激振动弹簧、弹簧 成是弹簧振动 草单体的件。
如图1所示，三点式悬挂机架由拖拉机进行牵 引。
弹簧减震装置中通过弹簧承端 1芯相连，自激弹簧包裹着轴承 $在中 草机工作时 机牵引着自激弹簧 中 草机向行进,在工作过程中，耕作土地不是十分平坦，由于的高低起伏，力时刻发生变化。
中草接着STM32给予海绵刷相关信号，使海绵刷开始进 行转动，同时吸尘器也开始启动，对相关进行清吸附。
最后，对液压推杆和底部的装轮进行开启， 进行移动理，STM32图如图3所$图3关于STM32电路图铲柄绕着固定机架转动，从而压缩减震弹簧，弹簧中的压 随着中 草机的行进而发生变化，中 ：草铲与自 弹簧相互作用发生小幅振动# 威草铲损伤的作用$1.牵引机架2.限深仿形轮;3.弹簧振动式翼型除草单体图1整机结构图2 主要零部件设计2.1牵引机架中 草机的机架由悬挂架、前后横梁组成，悬挂 的作用是连机以及 中 草机， 后的作用是承草单体。
机用Q235Z结构钢，提高机 用 $之外，弹簧振动式草单体在 上的 以根据工作对象的幅宽自 整，具有很强的$3 结语该装置能够实现智能清扫、智能吸尘和手机终端控制等功能，除了人们在打扫时 爬而容易引发安全问题外，在一些有大量人动的场所,也存在 人 繁重，且 效等问题。
休闲园林割草机器人设计及性能测试
休闲园林割草机器人设计及性能测试陈峰;赵萍【摘要】目前,国内外应用于草坪绿化的割草机器人技术不断向智能化、高效化方向发展.为此,从对休闲园林割草机器人的产品设计开发及优化角度出发,通过确定割草机器人的整体结构布局和关键控制装置(包括软件及硬件组成)等,对识别、传递、通讯、执行、反馈等环节提出相适应的设计功能要求和性能参数方案.同时,结合电子计算机多项智能控制算法、驱动程序及割草机器人功能部件选型,实现休闲园林割草机器人的整机设计,并通过性能试验进行验证.结果表明:测试结果与期望性能吻合较好,具有一定的可实施性和推广性,对休闲园林割草机器人的进一步发展和性能优化控制具有参考价值,可为相关学者进行割草机器人设计和改进提供一定的借鉴.【期刊名称】《农机化研究》【年(卷),期】2018(040)010【总页数】5页(P82-85,90)【关键词】割草机器人;休闲园林;结构布局;优化控制【作者】陈峰;赵萍【作者单位】沈阳理工大学,沈阳 110168;沈阳农业大学,沈阳 110866【正文语种】中文【中图分类】S817.11+10 引言随着园林城市化、休闲化及多元功能化的发展，对于园林景观的功能及要求日益提高，作业于园林草地的割草机器人作为一种应用广泛的草坪机械，起着不可或缺的作用。
为进一步达到高效修整草地、美化园林的目标，不断对割草机器人进行优化设计、完善工作性能势在必行。
割草机器人的自动控制作业性能决定了其园林修饰及作业效率的高低。
图1为应用于休闲园林的割草机器人外观简图。
图1 休闲园林割草机器人外观简图Fig.1 Simple appearance diagram of the leisure garden mowing robot休闲园林割草机器人集准确识别、自动割草、智能避障及返回自充电功能于一身，通过内置电动马达、精度高的传感装置及输入控制程序实现割草作业。
割草机器人的工作首要环节是对草地图像进行精准识别，通过不间断进行信息融合与提取、路径实时规划与调整，在导航控制定位的指导下开展工作边界建立与割草作业。
以割草刀片负载转矩控制割草机器人移动速度的方法
第 32 卷第 6 期 2020 年 11 月Vol.32 No.6 2020.11・96・嘉兴学院学报JournaZ of Jiaxing University DOI ：10. 3969/j. issn. 1671-3079. 2020. 06. 015以割草刀片负载转矩控制割草机器人移动速度的方法李积武，张辉，吴磊，黄迪(嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314001)摘 要：为了使割草机器人在工作中运行安全稳定、便捷高效，提出了根据割草机器人割草刀片上产生 的负载转矩来控制割草机器人的移动速度，从而提高割草机器人的工作效率.仿真实验结果表明，这种新型 控制方法通过速度控制方式可以提高割草机器人的割草能力和工作效率.关键词：割草机器人；负载转矩；割草刀片；速度控制中图分类号： TH166 文献标志码： A 文章编号： 1671-3079( 2020) 06-0096-04A Method of Controlling the Moving Speed of a Robotic Lawn Mower by the Load Torque on the BladeLi Jiwu , Zhang Hui , Wu Lei , Huang Di(College of Mechanical and Electrical Engineering , Jiaxing University , Jiaxing, Zhejiang 314001)Abstract : In order to make robotic lawn mower performs safely , stably , conveniently and efficiently , a new meth od of controlling the moving speed of the mower according to the load torque generated on the blade has been devel oped , which can improve the efficiency of the mower. The simulation experiment results show that this new method can improve the performance and efficiency of the robotic lawn mower through speed control.Key words : robotic lawn mower ； load torque ； mower blade ； speed control调研中发现，割草机能够轻松处理田埂、草坪、山林等地生长的杂草，是全世界广泛使用的农业 机械之一」1］市场上销售的各类型割草机中，手持旋转式割草机因价格便宜、携带方便、便于操作等 特点受到普遍欢迎.［2］手持式割草机由发动机、传动轴、旋转刃和方向手柄构成，操作者通过方向手 柄操作杆操作旋转刃往复移动来割草.但这种割草机由于其高速旋转刀片存在诸多问题，如由反冲产 生的石块飞溅及长时间的振动和噪音等可能给操作者带来健康损害，存在一定的安全隐患.［3］采用自 动化方式势在必行.而割草机器人由于体积大且质量较重，在斜坡沟壑等复杂的地形中自动化作业难 度较大.为此，课题组开始研究一种新型割草机器人控制系统，前期研发的具有往复式割草刀片的履 带驱动割草机器人，通过远程操控可以在斜坡上稳定运行，体积小重量轻，便于携带.但割草机器人 很难根据杂草的状态进行作业，尤其难以割除倒下的杂草，杂草与割草刀片缠绕而引起其停止作业的 现象时有发生.［4-5］为了解决这些问题，考虑使用图像识别捕捉草的状态方法：利用激光雷达 (LIDAR)检测障碍物，使用导航系统(GNSS)预先设定除草作业范围，也可预测除草负荷的控制 方案.［6-10］不过，这种方法使机器人大型化和耗电量增加，且技术难度大，研发成本高.为了减少割 草时的残留，缩短作业时间，降低电力消耗量，通过虚拟仿真研究提出了一种新的控制方法：根据割 草时在割草刀片上产生的负载转矩来改变机器人的移动速度，在不增加诸如摄像头和传感器等特殊设 备的情况下提高工作效率， 降低割草失误率.收稿日期： 2020-09-14基金项目：教育部产学合作协同育人项目(201802195041)作者简介：李积武(1967-),男，青海西宁人，嘉兴学院机电工程学院副教授，博士，研究方向为智能制造及机器人.李积武，张辉，吴磊，等：以割草刀片负载转矩控制割草机器人移动速度的方法-97 -1割草机器人的研发课题组开发的割草机器人如图1所示.该机器人具有往复式割草刀片和履带驱动装置，总长度为720 mm,总宽度为600 mm,总高度为 360 mm,重量约为30 kg,切割宽度为250 mm,最大爬升角度为45度，最大移动速度为0. 35 m/s, 最小速度为0.010 m/s,单人能搬运，在倾斜地面上可以行走，图2为割草机器人机械结构简图.图1割草机器人图2割草机器人机械结构简图控制箱刀片图3割草机器人控制系统如图2所示，往复推剪式割草刀具安装在机器人的前部，采用上下刀片割草，能够有效减少草的 缠绕和石子飞溅现象，减少事故.另外，割草刀片可以采用市场上购买的通用产品，成本低，更换方 便.为了便于在崎岖地形（例如农田或倾斜的地面）上行走，驱动单元采用具有较大接触面积和高稳 定性的履带，通过左右履带产生不同的驱动力机构进行转向.电器元件和电池等电气系统放置在机器 人中心位置的密封盒中，有简单的防尘和防水功能.为了安全起见，还配备了语音导航功能和紧急停 止开关.控制系统如图3所示，主要由嵌入式主控制器、嵌入式协控制器、驱动电路、驱动电动机和传感器组成.操作者使用笔记本电脑以无线方式将操作信号下发给嵌入式主控制器，主控制器解析控制指令，实现对切割刀片的动态实时控制.同时，主控制器通过CAN 通信将接收到的操作信号派发给协控制器. 协控制器通过电动机驱动器控制割草电动机和驱动电动机.电动机的状态由电流传感器和编码器测量.另外， 为了提高安全性， 主控制器通过加速度传感器计算割草机器人姿势角，以获得机器人跌倒的信息，并将获得的机器人信息回传给笔记本电脑上的上位机软件.操作者在确认机器人状态的同时，使用上位机远距离操控割草机器人•[1i2]2速度控制方式用手持式割草机割草时，旋转刀盘产生的力施加在操作者身上，并通过操作割草机调节负载.根据在割草刀片上产生的负载控制割草机器人的移动速度：当 草密度不大或不太长时，对割草刀片产生的负荷相应较小，机器人可保持高速运动，缩短工作时间, 提高效率，降低能耗；当割草刀片上的负载较大时，则割草机器人的移动速度降低，以防止割草刀片 驱动电机承受过大的负载，并可防止切割不彻底、堵塞刀片和电机停止等现象.这一方式可通过自动 控制速度实现降低故障发生概率的目的，提高割草质量和劳动效率」13]速度控制过程中，机器人的目标移动速度与割草电机负载之间的关系如下式所示：[14]・98・嘉兴学院学报第 32 卷第 6 期”td ( s) =%0( S )—矿仏(,(S )2 (1)60 g 式(1)中，u t d ( s)是机器人的目标移动速度/m • s -1, u t(；0 ( s)是无负载时机器人的移动速度 /m • s -1, C 是任意常数，T £6 ( s)是负载转矩/N • m.在实际控制中，电动机负载转矩可用施加到电动机上的电流值来估算.公式(1)可用下式替代:”td (s) =%0(s)- —厶(,(s) (2)60 g 式(2)中，心是割草机刀刃的控制电机转矩常数/N ・m ・A -1, l Lb ( s)是流过割草机刀刃驱动 电机的电流值/A.3结果及讨论现评估速度控制方法对割草机器人性能的影响.根据设计开发的割草机器人样机的规格参数，为了便于计算控制，设定割草机器人参数为: u t <« (s)= 260 mm / s , K Tb = 9. 58x10-3 N • m/ A, d = 150 mm , g= 156.如图 4 所示，将参数代入公式(2)，得到割草刀片的驱动电机电流与割草机器人的目标移动速度之间的关系：第一，当C = 0,也就是不采用速度控制时，则目标移动速度保持不变；第二，当采用式(2)方式进行速度控制时，随着C 的增加，机器人的移动速度随割草刀片驱动 电机电流增大而减小，即移动速度因相对负载增大而明显降低.控制过程中，如果l u 超过割草刀片的 驱动电机最大电流7.83 A,则割草电动机将自动停止，割草机器人也停止作业.模拟使用的割草环境假设为草的直径为5~7 mm 的密集状态草地，将实际割草实验测定结果模型 化后将电流值输入刀刃驱动电机.图5所示为割草刀片的负载扭矩和割草机器人移动速度的虚拟仿真 结果.图5中常数为C =80 000,移动速度由PID 闭环控制.从图5可以看出，移动速度随着割草刀 片上的负荷增加而降低，随施加在刀刃上负荷减小而增大，刀刃的旋转扭矩和机器人移动速度正好相 反，控制过程稳定.S .I V M 蠟持静Y 雒矣图4驱动电机电流与机器人移动速度之间的关系0 2 4 6 8 10时间/s 图5负载扭矩与移动速度之间的关系0.080.070.060.050.040.030.020.01. 负载扭矩L A I0.40.350.30.250.20.150.10.05r s .u y M ls捋恥为了明确割草机器人的平均移动速度与割草成功率的之间的关系，通过经验公式SK =— 205. 11 v 2 + 22. 61v + 99.214 (3)获得割草成功率SR,结果如图6所示.由图6可知，割草成功率随着平均移动速度的增加而降低，且成功率随着常数C 的增加而增加. 当常数C 增加时，割草时的平均移动速度降低，单位时间割草成功率降低较明显.由图6可见：一是 不管C 值如何，平均移动速度在0.2m/s 以下时，割草成功率都在95 %以上；二是当C 值大于 60 000时，割草成功率都在95 %以上.结果表明，本文所提出的速度控制方式，即使在运动速度较高 时也能有效保持较高的割草成功率.如图7所示，以常数C 为参数，模拟仿真割草机器人的平均移动速度与作业时间之间的关系.作李积武，张辉，吴磊，等：以割草刀片负载转矩控制割草机器人移动速度的方法-99-业时间是修剪100m2的草地所需的时间.由于作业时间取决于割草机器人的实际移动速度，因此，可以通过提高目标速度或减小常数C来缩短所需时间，即工作效率可通过提高机器人移动速度或通过降低C值来控制.800.000.050.100.150.200.250.300.35平均移动速度/m.s“图6平均移动速度与成功率之间的关系图7平均移动速度与作业时间之间的关系综上所述，通过速度控制可缩短作业时间，同时实现较高的割草成功率.4结语本研究开发了新型的割草机器人控制系统，即根据割草时刀片产生的负载扭矩改变来控制机器人运动速度的方法有效减少作业时残留草的数量，提高工作效率.为了确认该方法的有效性，对割草机器人运动速度控制进行了建模及模拟仿真，分析了该控制方法的有效性.由虚拟仿真实验可知，在草密集的状态下，可以降低割草速度，确保割草工作顺利进行，保持较高的割草成功率.在后续研究中，还将通过实际操作验证功耗，总结机器人的平均移动速度与割草成功率之间的更加准确关系，验证速度控制方式的准确性、合理性.致谢：本研究得到教育部产学合作协同育人合作单位江苏汇博机器人技术股份有限公司的热情帮助和大力支持，在此表示感谢.参考文献：[1]袁秀文.农业机械设计手册[M].北京：中国农业科学技术出版社，2007：192-194.[2]WANG F Y,GAO Z L,YIN H Y.Design of Robot Lawn Mower Based on Computer Vision[J].Applied Mechanics and Materials,2013，223(8)：624-630.[3]KELLER C G,ENZWEILER M,ROHRBACH M,et al.The Benefits of Dense Stereo for Pedestrian Detection[J].IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems，2011，12(4)：1096-1106.[4]贺红林，何文丛，刘文光，等.神经网络与计算力矩复合的机器人运动轨迹跟踪控制[J].农业机械学报，2013,44(5):270-275.[5]张雯，张衍林，李善军，等.基于虚拟样机运动学仿真的割草机喂草导向装置参数优化[J].华中农业大学学报，2019,38(4)：134-142.[6]冯吉，胡佳宁，于家旋，等.基于激光雷达信息的履带式自动割草机障碍物检测[J].中国农机化学报，2019,40(5):145-149.[7]房宏，于晶晶.基于激光传感器的机器人位姿跟踪[J].激光杂志，2015,36(10)：91-94.[8]潘变，李广伟，朱学敏.9G-1.4型往复式果园割草机的设计[J].农业研究与应用，2013(2)：47-50.[9]杨小俊，王鑫，宋嘉翼，等.锤刀式割草机割草装置运动平衡性计算和分析[J].湖北工业大学学报，2019,34(2)：56-59,73.[10]张惠友，候书林，董欣，等.XQ-7型驱动式中耕除草复式作业机[J].东北农业大学学报，1998,29(1)：62-67.[11]曾北红，刘俊峰，李建平，等.前悬挂割草机升降机构设计及运动学仿真[J].农机化研究，2012,34(7)：131-134.[12]郭伟斌，陈勇，侯学贵，等.除草机器人机械臂的逆向求解与控制[J].农业工程学报，2009,25(4)：108-112.[13]张朋举，张纹，陈树人，等.八爪式株间机械除草装置虚拟设计与运动仿真[J].农业机械学报，2010,41(4):56-59.[14]梁举科，秦飞龙，刘妤，等.山地多功能履带式装载机执行机构底座轻量化设计[J].机械设计，2017,34(3):70-76.(责任编辑刘伟侠)。
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机械结构设计与仿真
姓 名： 同组人：
目 录
1.背景介绍 2.总体方案设计 3.驱动电机选型 4.减速器结构设计 5.割草机构设计 6.万向轮选型 7.动画仿真
1.背景介绍
随着社会经济的发展，城区绿化程度也随之提高，大量的公园 草坪，足球场草坪等公共绿地需要进行维护，其中草坪修剪工作最 为繁重。
重约22 kg，体积为89 cm×65 cm×31.5 cm，驱动电源为两枚24V、17Ah的免维护 铅酸电瓶。采用三轮小车为本体，后轮用两个不同的直流电机驱动，前轮为起导向作用的 万向轮，前端搭载了3个150W的高速电机控制割刀，能形成宽53 cm左右的切割区域，割 刀的最大特点是可将割下来的草茎粉碎成3 mm以下的碎草沫,形成天然的肥料再释放回草 坪中去 Friendly Machines公司的 Robomow
传统做法：人工操作割草机器进行修剪。
缺点：劳动强度大 重复性强，工作枯燥 浪费人力、物力和财力
为了改变这一现状，一种全自动智能割草机顺势而生。
1.背景介绍
20世纪50~60年代 依靠人工遥控作业，具有一定智能性
为智能割草机器人的发展提供了基础
“智能割草机器人”概念的提出：1997年 OPEI年会
早期的割草机器人
3.驱动电机选型
3.2割草机构电机选型
割草机器人的割草机构所需转速大约 为600-1200rpm，选择直流伺服电机，基本 参数如下： 型 号：安川SGMJV-02ADD6S 额定输出：200W 额定转矩：0.637N•m 额定转速：3000r/min
4.减速器结构设计
选定割草机器人的移动速度约为0.5km/h，两驱动轮 直径为d=200mm，则后轮转速：
割草机构驱动电机的散热问题 割草刀盘还应具备高度调节，刀片更换等功能
6.万向轮选型
根据割草机器人的工 作环境，选择万向轮型号 为：403150S-43
7.动画仿真
1.背景介绍
国内研究现状
起步晚，参与研究的单位少，但仍取得一定成果。
南京理工大学MORO移动割草机器人
江苏大学研制的割草机器人
2.总体方案设计
2.1驱动方式的选 择
运动方式：轮式、履带式 轮式类型：三轮式、四轮式、六轮式等
驱动方式选择：三轮差动式
优点：结构简单 运动灵活 能实现零半径转弯
2.总体方案设计
瑞典Electrolux公司的Husquava Auto Mower
1.背景介绍
国外研究现状
带太阳能电池板的Husquava Auto Mower
已经进入到了第3代的研究 主要的研究领域是实现具有自主学习能力的智 能割草机器人，比如通过学习自动识别花、宠 物等障碍和学习全区域覆盖策略等方面。 佛罗里达大学的LawnNibbler
3.驱动电机选型
3.1后轮驱动电机选型
根据公式：
pt kM t v r1
经简单计算，单个电机所需电机功 率约为50W，转矩15kg•cm，另外根据电 机的实际工作环境，选择直流伺服电机， 基本参数如下： 型 号：安川SGMJV-01ADKD6S 额定输出：100W 额定转矩：0.318N•m 额定转速：3000r/min
10 6v nr 13.3r/ min 60πd
所选电机转速为3000r/min，故选择减速比约为225的 减速箱。 因同步带传动具有传动比恒定，效率高，轴间距离 自定等优点。所以采用同步带进行减速。
5.割草机构设计
1.电机外套 2.电机 3.电机和刀盘连接件 4.刀盘5.刀片
割草机构三维图
1.背景介绍
国外研究现状
1、采用四轮结构的驱动，后两轮差动驱动，前两轮 为万向导向轮。 2、采用了更多的适合于草坪切割作业的设计： a.带有齿状突起的大尺寸驱动轮可驱动AutoMower 更可靠地在粗糙的草坪上行驶。 b.外壳采用整体悬挂的安装方式，可以迅速捕捉到 任何对外壳的碰撞信号。 c.割草高度可直接通过机器人顶部调节。
割草机器人是集环境感知、路径动态规划和行为控制等多种功能 于一体的综合机器人系统。 与传统的草坪修剪机械相比，割草机器人的优点： 1.割草机器人可自主工作 2.割草机器人具有较高的安全性 3.割草机器人更利于环境保护
1.背景介绍
国外研究现状
已进行十几年的研究，并取得一定的成果，相关产品已投入市场， 但尚处于中等智能水平。
2.2总体机械结构设计
1.万向轮 2.割草机构 3.驱动轮 4.驱动电 机
三维模型
2.总体方案设计
2.3相关技术参数
1.整体尺寸长×宽×高=600×400×295mm 2.两驱动轮直径200mm，宽度20mm 3.万向轮直径150mm，宽度43mm 4.两驱动轮轮距为424mm 5.万向轮与两驱动轮间距为390mm 6.底盘距地面高度为82.5mm 7.小车车体重量约20kg，预计行走速度0.5km/h 8.车体材料：硬质铝合金（强度适中，密度小）