草莓采摘機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14656草莓采摘機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì)案例 120591.1草莓生長環(huán)境特性 1310121.2行走機(jī)構(gòu)的需求分析 1166701.3行走機(jī)構(gòu)方案的選取 2154411.4行走機(jī)構(gòu)主要零部件設(shè)計(jì) 388321.4.1驅(qū)動(dòng)輪 3135791.4.2履帶板 422611.4.3導(dǎo)向輪 669491.4.4支撐輪 6274821.4.5托帶輪 1053071.4.6張緊裝置 111.1草莓生長環(huán)境特性查閱相關(guān)資料得知一種標(biāo)準(zhǔn)的溫室大棚參數(shù)：焊接結(jié)構(gòu)大棚焊接鋼結(jié)構(gòu)大棚，這種鋼結(jié)構(gòu)大棚，拱架是用鋼筋、鋼管或兩種結(jié)合焊接而成的平面衍架，上弦用16mm鋼筋，下弦用12mm鋼筋，縱拉桿用9~12mm鋼筋?？缍?~12m，脊高2.6~3m，長30~60m。本論文以一間40m×8m×3m草莓種植方式最常見的是地面壟作高架模式，草莓種在地面，采用木架、支撐桿等裝置作為支撐，使得枝蔓向上生長。1.2行走機(jī)構(gòu)的需求分析草莓采摘機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)需求分析如下表2-1所示：表2-1行走機(jī)構(gòu)需求分析表1工作要求作為承載機(jī)構(gòu)，在草莓種植大棚內(nèi)工作2性能要求承載能力強(qiáng)，要求轉(zhuǎn)向靈活，運(yùn)行平穩(wěn)，適應(yīng)性好3可靠性要求長時(shí)間工作后不容易出現(xiàn)故障4安全要求行走機(jī)構(gòu)應(yīng)設(shè)計(jì)有安全保護(hù)裝置行走機(jī)構(gòu)必須滿足并適應(yīng)現(xiàn)場的環(huán)境，為了能夠順利進(jìn)入大棚工作，其最大寬度不應(yīng)該大于兩列植株之間的距離（1.2m左右）。運(yùn)動(dòng)底盤必須能支撐采摘機(jī)構(gòu)和采摘草莓的重量，以及有較靈活的轉(zhuǎn)向功能，暫定行走機(jī)構(gòu)總重為100kg。一、草莓采摘機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)應(yīng)具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)彎性能，最好能實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的原地轉(zhuǎn)向，從而減小轉(zhuǎn)彎半徑，靈活性更高。二、溫室大棚地面整體環(huán)境良好，但行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)仍需具有爬坡能力，以適應(yīng)特殊情況（坡度<25°）。三、溫室大棚的采摘環(huán)境就要求采摘機(jī)器人整機(jī)體積不能過大，高度和寬度應(yīng)小于1m，整機(jī)長度應(yīng)小于2m。四、溫室內(nèi)環(huán)境比較潮濕，同時(shí)防止采摘活動(dòng)頻繁導(dǎo)致的土地板結(jié)，應(yīng)該盡可能的減小整車的重量。1.3行走機(jī)構(gòu)方案的選取本文研究的采摘機(jī)器人屬于移動(dòng)式機(jī)器人，目前，地面移動(dòng)機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)方式的不同，可以分為輪式、足式以及履帶式機(jī)器人[8]。用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機(jī)器人一般為履帶式機(jī)器人和輪式機(jī)器人。輪式機(jī)器人對地面要求比較高，適用于平地，且輪式行走機(jī)構(gòu)的越障能力和越野性能不高；履帶式機(jī)器人靈活性高，轉(zhuǎn)向容易，橡膠履帶底盤牽引性能好，且履帶觸地面積大接地比壓低，對溫室地面土壤的破壞程度輕，在穿越復(fù)雜地形時(shí)可以保證整機(jī)的平穩(wěn)性，不容易發(fā)生側(cè)翻等情況。在路面的通過性比較中：輪式機(jī)器人只有輪子與地面接觸，接觸面積過小導(dǎo)致對地面的壓力過大，容易使土壤板結(jié)，硬化；履帶式機(jī)器人的履帶觸地面積大接地比壓低，可以承載很大重量的同時(shí)牽引力也比較大。綜合各方面考慮，本文選擇履帶機(jī)構(gòu)作為草莓采摘機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)。1.4行走機(jī)構(gòu)主要零部件設(shè)計(jì)1.4.1驅(qū)動(dòng)輪目前，履帶與驅(qū)動(dòng)輪配合的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各種齒形的設(shè)計(jì)方法有很多，沒有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。驅(qū)動(dòng)輪的分度圓直徑大小受行走機(jī)構(gòu)整體高度的影響，同時(shí)與履帶節(jié)距和驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)密切相關(guān)。確定驅(qū)動(dòng)輪主要尺寸（根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)得）分度圓直徑計(jì)算公式：d0=式中：d0為驅(qū)動(dòng)輪分度圓直徑；p為履帶節(jié)距；z為驅(qū)動(dòng)輪齒數(shù)一般取8~15，此處取12；d為滾子直徑，查《機(jī)械手冊》得為28.58mm計(jì)算得出分度圓直徑d0=193mm，取整為齒頂圓直徑da計(jì)算公式：da取d齒底圓直徑dbdb齒寬b：b=0.4p=20mm（2-4）履帶兩端的輪子哪一個(gè)做導(dǎo)向輪，哪一個(gè)做驅(qū)動(dòng)輪，與履帶機(jī)構(gòu)的形狀有關(guān)。履帶機(jī)構(gòu)形狀主要有兩類：整體式履帶板構(gòu)型；組合式履帶板構(gòu)型。根據(jù)前期的文獻(xiàn)及相關(guān)書目的閱讀，采用后輪驅(qū)動(dòng)的方式。1.4.2履帶板目前應(yīng)用比較廣泛的履帶分為橡膠履帶和金屬履帶[15]。金屬履帶受材料的限制，導(dǎo)致整體重量偏大，對地面的破壞較為嚴(yán)重；橡膠履帶具有金屬制履帶的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)橡膠履帶的重量比較輕。主要優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：接地比壓小，通過性好，可以確保機(jī)械在濕地環(huán)境下正常工作，擴(kuò)展了機(jī)械的作業(yè)地域。同時(shí)對土壤的壓實(shí)程度較小，減小了對植物根系的損害程度；橡膠履帶可以吸收部分振動(dòng)，減小噪聲的同時(shí)可以延長機(jī)械的使用壽命；對地面的破壞程度遠(yuǎn)低于金屬履帶，橡膠履帶在硬質(zhì)路面上行駛不會(huì)對地面造成損傷；相比于金屬履帶，橡膠履帶與地面的接觸面積更大，有利于獲得更大的牽引力。綜合分析后，選擇使用壽命長且靈活性高的橡膠履帶。每條履帶是由幾十塊履帶板和鏈軌等零件組成的。其結(jié)構(gòu)基本上可分為四部分，即履帶的下面為支撐面，上面為鏈軌，中間為與驅(qū)動(dòng)鏈輪相嚙合的部分，兩端為連接鉸鏈。履帶支撐長度L,軌距B和履帶板寬度b應(yīng)該合理匹配，使其能夠符合性能要求。確定履帶的主要參數(shù)為整機(jī)的重量，本機(jī)初定整機(jī)重量為100kg。由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算履帶鏈軌節(jié)節(jié)距t：經(jīng)驗(yàn)公式t=15~17.5式中：t為履帶鏈軌節(jié)節(jié)距（mm）G為整機(jī)重量（kg）取整機(jī)重量為100kg，計(jì)算得t=47.4~55.3mm方便計(jì)算故取整數(shù)t=50mm履帶高度?=270mmL0表示接地履帶長度，單位m；?0表示履帶的高度，單位m；G表示整機(jī)重量，單位T；經(jīng)驗(yàn)公式：L0L≈LL取整為592mmL0B≈1.07bL0≈0.22~0.8取b=233mm履帶總長：L總1.4.3導(dǎo)向輪導(dǎo)向輪主要起引導(dǎo)履帶正確繞轉(zhuǎn)，防止履帶跑偏和越軌。導(dǎo)向輪直徑加大，能夠減少?zèng)_擊，增加整機(jī)作業(yè)的平穩(wěn)性。導(dǎo)向輪直徑一般較驅(qū)動(dòng)輪小，一般情況下導(dǎo)向輪上方位置應(yīng)比驅(qū)動(dòng)輪緣低30~80mm，使這一區(qū)段的履帶在運(yùn)動(dòng)時(shí)順勢前滑。導(dǎo)向輪可以制成無齒的，本設(shè)計(jì)的無齒導(dǎo)向輪的優(yōu)點(diǎn)是中間可以與履帶嚙合，兩側(cè)的擋肩能夠支撐履帶。為了使履帶在通過導(dǎo)向輪這一區(qū)段時(shí)可以順勢前滑，減小功率損耗，導(dǎo)向輪的尺寸一般略小于驅(qū)動(dòng)輪尺寸。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：D1式中：D1為導(dǎo)向輪直徑；D計(jì)算得到D1可得相關(guān)數(shù)據(jù)：導(dǎo)向輪寬110mm,擋肩寬15mm,導(dǎo)向輪軸孔直徑30mm。1.4.4支撐輪在設(shè)計(jì)履帶時(shí)，要充分考慮履帶是否與路面充分接觸。若選擇很長的履帶，則有可能在某一時(shí)間段內(nèi)履帶沒有與路面充分接觸，即履帶未能緊貼路面，直接導(dǎo)致整個(gè)車體的移動(dòng)速度下降。這時(shí)候就要加裝支撐輪。履帶式行走機(jī)器人的重量主要是通過支撐輪壓于履帶板的軌道傳遞到地面上。根據(jù)履帶支撐輪傳遞壓力的情況，可以分為多支點(diǎn)式和少支點(diǎn)式。如圖2-1和2-2：圖2-1該履帶底盤為多支點(diǎn)式支撐圖2-2該履帶底盤為少支點(diǎn)式支撐本文設(shè)計(jì)的履帶底盤支撐輪一側(cè)有2排，每排2個(gè)，共8個(gè)支撐輪。在履帶上的分布如圖2-3所示。支撐輪的尺寸和布置，應(yīng)使接地壓力均勻分布，為此可采用直徑小個(gè)數(shù)多的支撐輪。但支撐輪太小，將使支撐輪滾動(dòng)阻力增大。支撐輪數(shù)目過多會(huì)使支撐輪尺寸過小。一般支撐輪為5~8個(gè)。支撐輪直徑一般不小于200mm，通常drt=1.5~3（dr圖2-3支撐輪排列方式支撐輪直徑drdr得d選定支撐輪直徑dr為對于支撐輪軸強(qiáng)度的計(jì)算，應(yīng)考慮經(jīng)常載荷，而不考慮偶爾承受的最大載荷。支撐輪軸的直徑為20mm，長度為175mm，材料為50Mn。預(yù)定整機(jī)總重為100kg，重量均勻分布在支撐輪上。每個(gè)支撐輪承重M:M=Ma式中Ma為整機(jī)重量，單位kg所以G=Mg=125通過對支撐輪軸進(jìn)行受力分析，分析結(jié)果如圖2-4所示：圖2-4支撐輪軸受力示意圖該受力分析圖是根據(jù)支撐輪的受力特點(diǎn)將三維圖簡化為數(shù)學(xué)模型。根據(jù)受力分析圖可知，支撐輪軸兩端承受壓力G=Mg=125N圖2-5剪力圖圖2-6彎矩圖M=F?X=125×50Wzσmax本支撐輪采用50Mn材料制成，查表得到：σ查《材料力學(xué)》得到該材料是脆性材料,所以σb=66Mσ=根據(jù)上式得σmax1.4.5托帶輪托帶輪安裝在履帶上分支的下方，以減少履帶的下垂量，保持它平穩(wěn)運(yùn)。托帶輪只承受履帶自身的重量，所需尺寸比較小，結(jié)構(gòu)也比較簡單。托帶輪的個(gè)數(shù)取決于履帶上分支的長度，一般驅(qū)動(dòng)輪到導(dǎo)向輪軸距大于等于2m時(shí)，每側(cè)的托帶輪為2個(gè)，軸距小于2m時(shí)為1個(gè)。托帶輪的直徑一般比支撐輪小，因其受力、受泥水侵蝕均比支撐輪小，結(jié)構(gòu)也可以簡化。托帶輪的高度，應(yīng)使其滾動(dòng)表面和驅(qū)動(dòng)輪、導(dǎo)向輪的滾動(dòng)表面大約在一條直線上。目前有些履帶底盤的設(shè)計(jì)過程中，會(huì)將托帶輪的高度增加，以減少履帶的振跳，并保持履帶一定的張緊度。托帶輪直徑一般比支撐輪小，所以設(shè)計(jì)托帶輪直徑為80mm，個(gè)數(shù)為4個(gè)。1.4.6張緊裝置履帶行走機(jī)構(gòu)中，張緊彈簧必須有一定的預(yù)壓縮量，使履帶中產(chǎn)生預(yù)張緊力