第頁(yè)某除草機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u7159，某除草機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)案例概述 1142371.1除草機(jī)器人作業(yè)的園藝要求 1232231.1.1果園雜草種類(lèi) 195231.1.2果園種植特點(diǎn)及園藝要求 2103861.2果園除草機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)確定 2152141.2.1除草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 270731.2.2主要技術(shù)參數(shù)確定 486101.3關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì) 423071.3.1機(jī)器人底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4243591.3.2除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 737371.3.3草屑收集裝置 1098801.4機(jī)器人轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 10除草機(jī)器人作業(yè)的園藝要求1.1.1果園雜草種類(lèi)雜草主要有茜草科的茜草、豬殃殃;蔡科的灰綠藜、藜;馬齒莧科的馬齒莧;大戟科的貓兒眼;禾本科的稗草、馬唐、牛筋草、狗尾草、野燕麥、蘆葦;旋花科的菟絲子、牽牛花;玄參科的婆婆納;莎草科的香附子、牛毛氈;?？频妮炔?錦葵科的茼麻;十字花科的播娘蒿、野油菜;;酢漿草科的酢漿草;車(chē)前科的車(chē)前草;莧科的刺莧;菊科的野艾蒿、蒼耳;蓼科的齒果酸模、蕎麥蔓等。從果園雜草除草的情況來(lái)看，十字花科、莎草科、禾本科和菊科是北方果園中多發(fā)的草類(lèi)，是重點(diǎn)防治的對(duì)象。菊科雜草數(shù)量不及禾本科，但幅度廣，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，單棵植株較重。破壞性和害處更大的是莎草科雜草，主要是其碳含量高，繁殖力強(qiáng)，從而長(zhǎng)幅駭人。發(fā)生早的雜草在春初，品種少，活動(dòng)期短，如藝、薺菜等。如果發(fā)生的數(shù)量很大，則應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖钄嗪拖麥p。春末、夏初雜草繁多，生命力強(qiáng)，不易死亡，造成土壤肥水流失嚴(yán)重，是阻斷和清除的重點(diǎn)，如雞初蒿、香蒲等。消除這些雜草的關(guān)鍵時(shí)期是六月至八月。在此期間，雜草生長(zhǎng)迅速，種子即將成熟。因此，及時(shí)，明智地清除雜草不僅可以促進(jìn)蘋(píng)果樹(shù)的生長(zhǎng)，而且可以減少雜草種子的數(shù)量。為下一年的防除創(chuàng)造有利的條件。1.1.2果園種植特點(diǎn)及園藝要求經(jīng)濟(jì)和科技的增長(zhǎng)帶來(lái)了更為先進(jìn)的種植技術(shù)，讓果園種植者的思想觀念也發(fā)生了變化。蘋(píng)果樹(shù)的種植方式也發(fā)生了深刻的變化,從落葉樹(shù)的稀疏種植階段到落葉樹(shù)的密植種植階段到短時(shí)種植。砧座密植階段，與密集的砧木和砧木種植技術(shù)相比,通過(guò)短砧木的密集種植技術(shù)種植的果樹(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì),例如在相同的種植面積上具有較小的植物間距,較低的樹(shù)冠和較高的產(chǎn)量。它們逐漸被大多數(shù)水果種植者所接受,并且數(shù)量還在上升。在正常生長(zhǎng)的果園中,相鄰植株之間大多為(1.5?2)m,行距大多為(3.5?4)m,樹(shù)干高度控制在(50?60)cm以上。根據(jù)結(jié)果,分支略有下降。用合理的修剪方式遏制樹(shù)枝在側(cè)方的伸長(zhǎng),保持間距2m左右,行間修整雜草的寬度大約為(2至1.5)m。根據(jù)果園中雜草的種類(lèi)特性和果園種植特點(diǎn)，必須有以下園藝要求：為了保障在冠層中平穩(wěn)移動(dòng)而不會(huì)損壞樹(shù)枝和果實(shí),應(yīng)盡可能減小雜草機(jī)器人的整體尺寸。盡可能減輕機(jī)器人的重量,以減少由機(jī)器人的工作過(guò)程引起的土壤壓實(shí)。除草機(jī)器人在工作時(shí),必須裝有剪草刀片,且殘茬高度范圍可調(diào)且均勻。在空地果園中,必須在割草的同時(shí)切根,以完全清除雜草。該機(jī)器人必須至少具有兩個(gè)刀具控制系統(tǒng),并且可以隨意切換。工作時(shí)穩(wěn)定性好,可靠性高,具有障礙物檢測(cè)和報(bào)警功能,可以檢測(cè)和避開(kāi)樹(shù)干等障礙物。果園除草機(jī)器人整機(jī)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵參數(shù)確定1.2.1除草機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-2總裝圖1.扶手1.集草袋3.底座4.油箱5.工作軸6.輪胎工作原理：工作在果樹(shù)之間的空地上，修剪草地時(shí),首先通過(guò)螺旋滑動(dòng)裝置從地面調(diào)節(jié)切割刀片的高度,以確保殘茬的高度。轉(zhuǎn)角電機(jī)工作，來(lái)自割草機(jī)馬達(dá)的扭矩通過(guò)齒輪傳遞至兩個(gè)割草機(jī),以完成割草過(guò)程。在開(kāi)墾果園中,需要對(duì)根部進(jìn)行切割和除草。首先,使用螺旋推桿機(jī)構(gòu)將切割盤(pán)放在地板上。一定高度時(shí),轉(zhuǎn)角馬達(dá)的作用是驅(qū)動(dòng)四連桿機(jī)構(gòu)，以驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角板以指定角度旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，割草機(jī)的前部與地面平行，用于割草，而后部與地面成一定角度，用于割根和疏松土壤。當(dāng)檢測(cè)到障礙物或完成一部分工作時(shí)，轉(zhuǎn)向電機(jī)將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向連桿，并提供避障和旋轉(zhuǎn)操作。1.2.2主要技術(shù)參數(shù)確定參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值參數(shù)項(xiàng)目數(shù)值整體尺寸（mm）1345*1000*475mm除草深度20~50mm整體質(zhì)量（KG）110KG額定電壓24V作業(yè)方式旋轉(zhuǎn)式切割驅(qū)動(dòng)輪距910mm作業(yè)速度（KM/h）1.8Km/h輪軸距490mm割幅1400mm表11.3關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)1.3.1機(jī)器人底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由于果園雜草控制機(jī)器人通常必須在成排的植物之間行走，因此可以稱(chēng)為移動(dòng)果園雜草控制機(jī)器人。蛇式、跳躍式、復(fù)合式、鏈條式和輪子式是果園除草機(jī)器人對(duì)比其底盤(pán)結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)而進(jìn)行的分類(lèi)。輪子式移動(dòng)機(jī)器人易側(cè)翻,控制和定位較差，難以在復(fù)雜環(huán)境中工作。通過(guò)設(shè)計(jì)緩沖系統(tǒng),可以使結(jié)構(gòu)更加合理,承載高,且擁有各種驅(qū)動(dòng)方法和良好的可操縱性?？梢酝ㄟ^(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)整機(jī)器人工作平臺(tái)的高度,以便最經(jīng)常使用。在本文中,果園除草機(jī)器人使用了帶輪子的移動(dòng)機(jī)制。盡管其他類(lèi)型的移動(dòng)機(jī)器人都有其自身的優(yōu)勢(shì),但它們?cè)诠麍@環(huán)境中存在明顯的缺點(diǎn),因此無(wú)法使用。圖2-3底座圖2-4軸基座圖2-5軸下底座輪式移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)輪數(shù)包括單輪，兩輪，三輪，四輪和六輪結(jié)構(gòu)。其中，三輪和四輪結(jié)構(gòu)機(jī)器人是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中最常用的機(jī)器人。移動(dòng)全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)器人最常見(jiàn)的底盤(pán)結(jié)構(gòu)是四個(gè)輪對(duì)稱(chēng)地布置在工作平臺(tái)的四個(gè)角上。圖2-6輪圖2-7底座但是,全輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)也有其缺點(diǎn)。大多數(shù)四輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須提前一定的距離才能完成轉(zhuǎn)向,并且運(yùn)動(dòng)被限制在很小的空間內(nèi)。全輪驅(qū)動(dòng)布局需要向機(jī)器人結(jié)構(gòu)添加減震器系統(tǒng)，從而趨向穩(wěn)定。1.3.2除草機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)一般情況下對(duì)除草機(jī)械設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、動(dòng)力傳遞方便、葉片更換容易、雜草控制效率高等，以減少?gòu)?fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的使用。其中，雜草切割片和雜草切割刀片通過(guò)螺釘連接,在操作過(guò)程中刀片碰到石頭,樹(shù)根等,損壞后易于更換。刀頭有六個(gè)螺孔，不同數(shù)量的刀片依據(jù)于不同環(huán)境下的操作。變速箱安裝在角板上,角板通過(guò)套筒與提升框架相連。扁平的四連桿機(jī)構(gòu)安裝在升降框架的右側(cè)。升降框架移動(dòng)雜草控制執(zhí)行器以及螺桿滑臺(tái)和滑軌，滑塊相互鏈接。升降架的垂直高度是通過(guò)調(diào)節(jié)螺桿滑臺(tái)機(jī)構(gòu)和滑塊導(dǎo)軌而實(shí)現(xiàn)的。轉(zhuǎn)角馬達(dá)連接在一端,另一端通過(guò)套筒連接到轉(zhuǎn)角面板。向下驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)雜草控制執(zhí)行器的角度，功能可以隨時(shí)切換。齒輪安裝在變速箱中，大小體積完全相同,通過(guò)嚙合傳遞動(dòng)力,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)兩個(gè)刀頭的相同速度和反向旋轉(zhuǎn)。圖2-8螺栓圖2-9螺母圖2-10刀片除草機(jī)器人的主刀在手推車(chē)的結(jié)構(gòu)下面，由一個(gè)帶有三個(gè)環(huán)形刀片的高空加速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這些刀片呈等腰三角形，適當(dāng)?shù)亟邮茈姍C(jī)以較低的完成度進(jìn)行作業(yè)，并在低能力的電機(jī)下完成高空除草能力。電機(jī)上方是大刀升降機(jī)構(gòu)，由右側(cè)和右側(cè)的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制，在一個(gè)穩(wěn)定的行程內(nèi)將大刀向上和向下移動(dòng)，適當(dāng)?shù)剡m應(yīng)除草的不同高度。在設(shè)計(jì)刀片時(shí),必須確定切削阻力,刀具邊緣角度i,刀具邊緣線的形狀,刀具加工的可行性,刀頭的拆卸和組裝以及是否易于更換。在滿足上述條件的情況下,刀片的故障處理也是很重要的。割草和切根是除草機(jī)器人最基本的兩個(gè)功能要求。除草頭采用殼體結(jié)構(gòu),平刀片與割頭用螺釘連接;刀片和刀頭的下水平面形成一定角度。當(dāng)切割刀片旋轉(zhuǎn)土壤和根部時(shí),拐角機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)切割刀片沿刀片的軸線旋轉(zhuǎn)傾斜,以使前刀片平行于地面進(jìn)行割草,而后刀片與地面成一定角度，土壤和后葉可以穿透土壤,切開(kāi)根部并轉(zhuǎn)動(dòng)草。刀片的尾部設(shè)計(jì)成階梯狀,并隨著刀頭的下部卡盤(pán)折起,以防止刀片繞螺栓軸線旋轉(zhuǎn)。藥劑噴灑系統(tǒng)噴霧裝置安裝在手推車(chē)的最初一層，包括一個(gè)12V的直流電荷泵、一個(gè)2L的水箱、3個(gè)噴霧口和一個(gè)水套口。集水池中的水通過(guò)負(fù)擔(dān)泵泵出，形成高空負(fù)擔(dān)水，從氣溶膠固定器中噴出，完成噴水。如果用戶(hù)在水箱中加入營(yíng)養(yǎng)劑或殺蟲(chóng)劑，除草學(xué)徒就可以在補(bǔ)充營(yíng)養(yǎng)和清除昆蟲(chóng)的同時(shí)進(jìn)行機(jī)械除草，與可接受的除草機(jī)相比，這大大提高了能力；如果僅靠自動(dòng)除草無(wú)法清除需要絕對(duì)根除的雜草，可以在集水盆中加入化學(xué)品，以彌補(bǔ)自動(dòng)除草的不足。1.3.3草屑收集裝置草屑收集裝置是根據(jù)真空吸塵器的功能原理設(shè)計(jì)的。它由一個(gè)收集箱組成,一個(gè)加速馬達(dá)和一個(gè)葉片組成。高速電機(jī)旋轉(zhuǎn)葉片,以完成有效的同化和壓力,這在積存箱中產(chǎn)生了排氣,并與室外的大氣產(chǎn)生了減弱的負(fù)擔(dān)偏差,從而在大氣壓力下將草屑吸入箱中。圖2-11集草袋1.4機(jī)器人轉(zhuǎn)角機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)圖2-12（a）割草時(shí)，轉(zhuǎn)角電機(jī)和水平四桿機(jī)構(gòu)不工作，除草機(jī)水平放置，如圖（2-12）。工作時(shí)，轉(zhuǎn)角馬達(dá)開(kāi)始驅(qū)動(dòng)連桿工作并移動(dòng)。連桿機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)固定并連接至翹板的角板旋轉(zhuǎn)。此時(shí)，刀頭的底面與地面成一定角度。前刀片可割除雜草莖，后刀片可穿透地面，徹底割除雜草的根部，如圖（2-13）所示。圖2-13（b）機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件是四桿機(jī)構(gòu)，它能準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角度，起很大作用。將曲柄連接至電動(dòng)機(jī)軸,并且連桿連接至角板，實(shí)現(xiàn)其功能。四桿連桿機(jī)構(gòu)的起始位置在圖(c)中用實(shí)線表示,曲柄與車(chē)架之間的角度為,角板安裝在圖中的D點(diǎn)并與地面平行,即搖桿和機(jī)架成直角;旋轉(zhuǎn)后連桿機(jī)構(gòu)的位置在圖(c)中用虛線表示。曲柄角度為β,曲柄與連桿之間的角度為η,連桿與搖桿之間的角度為,搖桿與車(chē)架之間的角度。然后可以通過(guò)計(jì)算獲得角板的旋轉(zhuǎn)角度。圖2-14（C）由余弦定理可得四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)角線B’DB'D2B'D2四連桿機(jī)構(gòu)對(duì)角線A’AC'2=AC'2由式（2-11）和式（2-12)可得:cosδ由式（2-13）和式（2-14)可得：cosη=式中，a、b、c、d分別為曲柄、連桿、搖桿和機(jī)架的長(zhǎng)度，曲柄旋轉(zhuǎn)的角度可以通過(guò)角度電動(dòng)機(jī)的角速度來(lái)計(jì)算,即;蹺板和框架之間的角度;曲柄和機(jī)器的初始位置,框架的角度是已知的,并且可以通過(guò)公式(2-13)和公式(2-14)獲得角度δ以及角度與角度之間的關(guān)系。角板的旋轉(zhuǎn)角