··農(nóng)業(yè)草莓采摘機器人行走機構結構與ADAMS仿真研究目錄第1章緒論 11.1選題背景及意義 11.2草莓采摘機器人行走機構國外研究現(xiàn)狀 31.3草莓采摘機器人行走機構國內(nèi)研究現(xiàn)狀 61.3本文主要研究內(nèi)容 101.4技術路線 11第2章草莓采摘機器人行走機構方案設計 122.1草莓生長環(huán)境特性 122.2行走機構的需求分析 122.3行走機構方案的選取 132.4行走機構主要零部件設計 142.4.1驅動輪 142.4.2履帶板 152.4.3導向輪 162.4.4支撐輪 172.4.5托帶輪 202.4.6張緊裝置 21第3章轉向機構設計及電動機選型 223.1轉向機構原理 223.2轉向機構方案選擇 223.3差速轉向機構設計 233.4轉向機構相關數(shù)據(jù)計算 243.5電動機選型 26第4章基于ADAMS軟件的運動仿真 324.1ADAMS軟件 324.2基于ADAMS軟件的轉向機構仿真 324.2.1仿真前的設置 324.2.2約束的添加 334.2.3仿真后處理結果 34第5章總結與展望 365.1論文總結 365.1.1本文主要研究內(nèi)容 365.1.2創(chuàng)新點 365.2研究展望 37參考文獻 39第1章緒論1.1選題背景及意義草莓營養(yǎng)價值豐富，目前中國的草莓種植面積居世界第一位，全國草莓占地150余萬畝。草莓種植業(yè)的擴大，成為部分農(nóng)民致富的主要經(jīng)濟來源。我國大棚種植草莓的方式都是地面設壟，這種種植方式地面環(huán)境復雜，導致采摘時農(nóng)戶要經(jīng)常彎腰或者蹲下，勞動強度大，需要耗費大量的工時[1]。近年來，我國老齡化不斷加劇，農(nóng)業(yè)從業(yè)人口大幅度降低，人工采摘的方式已經(jīng)不能滿足市場的需求[2]。不僅是農(nóng)戶，當?shù)氐恼鲇诎l(fā)展草莓種植業(yè)的需要，都希望能有一種草莓采摘機器人來提高草莓的采摘效率。目前，機器人技術發(fā)展迅速，在生產(chǎn)生活的各個領域都發(fā)揮著重要的作用。所以設施農(nóng)業(yè)采摘機器人的出現(xiàn)大大解放了勞動力，提高了生產(chǎn)效率[3]。行走機構是草莓采摘機器人組成的重要部分，行走機構為采摘機械臂及末端執(zhí)行器提供了移動平臺和工作平臺。草莓采摘機器人的行走機構為采摘機械臂提供了可以移動的支撐平臺，機械臂在工作過程中造成重心變化，使得機器人晃動，進一步導致無法進行精確采摘[4,19]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)要求農(nóng)業(yè)機器人具有比較高的智能性和柔性的特點，同時受到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)季節(jié)性的限制，使用率偏低。這就要求農(nóng)業(yè)機器人有一定的通用性，可以更換不同自由度的機械臂和末端執(zhí)行器以降低農(nóng)業(yè)機器人生產(chǎn)成本，實現(xiàn)一機多用[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)業(yè)機器人的可靠性和穩(wěn)定性也是一個重要的參考方面。復雜多變的生產(chǎn)環(huán)境、性狀多樣的作業(yè)對象，這就要求農(nóng)業(yè)機器人必須具有很高的可靠性和穩(wěn)定性，否則會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成無法挽回的損失[6]。針對這些問題，本文研究了一種可支持機械臂升降的履帶式行走機構。研究結果表明本設計行走平穩(wěn)、適應性強、滿足對生長在不同高度的草莓進行采摘，對節(jié)約成本和提高生產(chǎn)效率有著積極的現(xiàn)實意義。圖1-1草莓采摘機器人1.2草莓采摘機器人行走機構國外研究現(xiàn)狀由于國外長期處于人口劣勢的狀態(tài)，勞動力問題突出，對農(nóng)業(yè)機器人的研究處于領先地位。20世紀80年代，以日本和美國為代表的發(fā)達國家率先開始研究采摘機器人，并且取得了大量的研究成果[4]。目前市場上存在的農(nóng)業(yè)機器人有許多種，包括育苗機器人、嫁接機器人、番茄采摘機器人、黃瓜采摘機器人[20]、大棚農(nóng)藥噴灑機器人、聯(lián)合收割機器人、除草機器人。圖1-2蔬菜嫁接機器人圖1-3除草機器人上世紀80年代，日本是最早開始研究農(nóng)業(yè)機器人的國家，京都大學的川村登等進行了番茄采摘機器人的研究和開發(fā)，其底盤采用電動輪式底盤；利用5自由度機械臂與指夾式的末端執(zhí)行器相配合組成采摘機構。雖然技術不夠成熟，但是具有極大的創(chuàng)新性，構建了移動式果蔬采摘機器人的框架[7]。上世紀90年代，日本岡山大學研發(fā)出的一種用于大棚葡萄采摘的機器人，該機器人的優(yōu)點是利用了CCD攝像頭對葡萄進行準確識別以及定位，利用5自由度的機械手對果實進行精確采摘，同時該機器人也能對果實進行采摘、噴藥、套袋等一系列的動作。收獲后的果實放置在移動平臺攜帶的儲物箱內(nèi)，一定意義上實現(xiàn)了全自動采摘工作[8]。上述兩種機器人都是采用相機作為識別工具對果實進行識別和定位，再利用5自由度的機械臂進行采摘。圖1-4京都大學開發(fā)的番茄采摘機器人圖1-5葡萄采摘機器人挪威生命科學大學與美國明尼蘇達大學計算機科學系研究人員研發(fā)了一款草莓采摘機器人[9]，用于采摘生長在大棚中種在托板上的草莓。該機器人新設計了一款夾持器安裝在機器人的機械臂上，移動底座上配有RGB-D攝像機進行精確識別與定位。這個機器人的優(yōu)點是機械臂無須在每個果實和單獨的果籃中間來回移動，從而減少了采摘時間，提高了采摘效率；視覺系統(tǒng)可以對成熟的草莓進行準確識別。該機器人在實際生產(chǎn)中表現(xiàn)突出，成功率53.6%，采摘單個草莓的時間控制在7.5秒以內(nèi)。與日本相比，美國由于自身領土廣闊以及自身發(fā)達的工業(yè)技術，其研究重點在于研究大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需的大型農(nóng)用機械。典型的是Jan-Bontsema團隊研發(fā)的一種多功能采摘機器人[10]，針對不同水果和蔬菜形態(tài)開發(fā)了不同的移動機構、末端執(zhí)行器以及識別裝置。該機器人的優(yōu)點是，采用了大型拖拉機作為行走機構來應對大規(guī)模農(nóng)場采摘需要；在拖拉機的后面安裝了遮陽板，來減少外界光照對識別裝置的影響；識別裝置創(chuàng)新性的采用了將彩色相機和ToF相機融合的方法；其末端執(zhí)行機構采用了橡膠鰭片和剪刀相結合的方法，執(zhí)行機構抓取水果后，利用剪刀將果柄和果實分離開來，大大提高了采摘效率。但是該機器人針對的是室外大規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，體積過于龐大，無法進入大棚進行采摘工作。美國佛羅里達大學Thoms帶領的研究團隊針對不同水果和自動采摘方面做了大量深入研究[11]。針對信號在柑橘種植林中容易被樹葉遮擋而影響傳輸效率的問題，以普通拖拉機為基礎，優(yōu)化了機器智能識別、雷達和編碼器，顯著提高了識別精度和采摘效率。但是該采摘機器人沒有對行走機構的轉向裝置和驅動系統(tǒng)進行改進，在行走過程中車速控制和轉向都需要駕駛員進行人為干預，并不能實現(xiàn)真正意義上的全自動采摘，進一步導致了該系統(tǒng)運轉的精度不會太高。1.3草莓采摘機器人行走機構國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)對果蔬采摘機器人的研究起步比較晚，但隨著生產(chǎn)生活的需要，以及時代的進步，我國逐漸開展了許多針對果蔬采摘機器人的關鍵技術研究，主要針對溫室果蔬采摘進行了技術突破，并且取得了顯著的成果。這些研究工作的開展對我國溫室自動化，智能化生產(chǎn)具有積極的現(xiàn)實意義。中國農(nóng)業(yè)大學在上世紀90年代就率先開始了對農(nóng)業(yè)機器人的研究，并取得了部分成果。目前我們已經(jīng)開發(fā)出的農(nóng)業(yè)機器人主要有：除草機器人、噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、采摘機器人、施肥機器人。2012年中國農(nóng)業(yè)大學張鐵中教授研制出草莓采摘機器人“采摘童1號”[12]。該機器人在果實的精確識別，采摘的精確定位以及高適應性的行走機構以及無損采摘等方面取得了一系列突破與創(chuàng)新。該草莓采摘機器人具有以下顯著優(yōu)點：在溫室壟作采摘工作中，行走機構采用小型履帶底盤，在田間作業(yè)時表現(xiàn)得非常靈活的同時兼具移動速度快，動作平穩(wěn)。針對溫室環(huán)境復雜，枝葉容易遮擋果實而影響采摘工作的難點，張鐵中教授對機械臂進行特別設計，實現(xiàn)了采摘高度能夠自由調節(jié)這一功能，從而大大提高了采摘果實的精確度。圖1-6張鐵中團隊研制的草莓采摘機器人重慶理工大學的胡友呈研制出一款柑橘采摘機器人[13]，該設計提出了一種區(qū)域特征的SVM分割方法，此方法能很好的檢測出柑橘區(qū)域對柑橘進行精確分割，能夠準確判斷柑橘前面有無障礙物及分析障礙物的類型，然后將分割區(qū)域使用最小二乘法進行橢圓擬合，從而還原柑橘果實的位置以及其中心，這個方法能準確的為采摘機器人提供安全可靠的采摘目標。然后利用六自由度采摘機械臂、末端執(zhí)行器和自主移動平臺對果實進行精確采摘。該柑橘采摘機器人采摘的成功率在80%左右，躲避障礙物的成功率高達60%。圖1-7所示為胡友呈設計的柑橘采摘機器人。圖1-7柑橘采摘機器人采摘果實蘭州理工大學的李世杰研制了一款串番茄采摘機器人[2]，針對串番茄的生長環(huán)境專門設計了六自由度關節(jié)式的機械臂，并利用ANSYS對番茄采摘機器人關鍵部位進行有限元分析。針對機器人采摘時的避障路徑中的機械臂與障礙物及自身的實體碰撞問題，通過簡化模型以及解析幾何知識求解，最后用MATLAB軟件進行驗證，結果表明速度和加速度曲線是平滑的。但是該機器人同樣存在尚未解決的問題：其末端執(zhí)行器是用普通塑料制作的，在長期的采摘工作中極易出現(xiàn)硬脆、破壞等現(xiàn)象；該設計沒有對行走機構進行專門設計，用的是工業(yè)機器人行走機構，在實際生產(chǎn)中存在造價成本高以及所選行走機構可能不適應采摘環(huán)境的問題。仲愷農(nóng)業(yè)工程學院的凌軒，劉江濤等人研制了一款針對壟作栽培草莓的智能采摘機器人[14]。該機器人基于機器視覺識別成熟草莓的位置和精確定位，并利用末端執(zhí)行器對草莓進行夾持、扭轉果柄，從而實現(xiàn)草莓的無損傷采摘。該機器人使用了四輪驅動的行走機構，移動平臺上安裝了XYZ同步滑臺模塊，機械手安裝在滑臺上，從而實現(xiàn)了機械手可以在各個方向上的移動。由于草莓的果皮比較薄，采摘時容易造成果皮破裂，進一步影響草莓的保存及銷售。針對這些問題該機器人的末端執(zhí)行機構采用了柔性的網(wǎng)狀材料通過3D打印成型，以此來避免草莓果實在采摘工作中受到損傷。該采摘機器人還采用了機器視覺技術實現(xiàn)果實的精準識別與定位。自動識別采摘模塊利用攝像機采集圖像，分辨成熟草莓的位置，然后通過驅動PLC控執(zhí)行機構計算草莓的重心位置，利用末端執(zhí)行機構抓取、扭轉果柄實現(xiàn)草莓的采摘工作。通過實驗室搭建測試平臺，構建測試模型，對采摘機器人進行性能測試。最終實驗結果表明草莓的平均判別速度為1s，果實的誤判率僅為7%，采摘成功率高達90%。圖1-8智能草莓采摘機器人1.3本文主要研究內(nèi)容本文以設施農(nóng)業(yè)種植的草莓為研究對象，為了節(jié)約成本、提高生產(chǎn)效率。對國內(nèi)外的農(nóng)用采摘機器人研究現(xiàn)狀進行了深入的了解。在查閱資料，閱讀相關文獻后，結合草莓的生長環(huán)境，設計出了一款采用差速轉向的履帶式行走機構。研究結果表明本設計行走平穩(wěn)、適應性強、滿足對生長在不同高度的草莓進行采摘；針對不同的采摘對象，可以在行走機構上安裝不同的采摘機構，所以本文設計的行走機構具有一定的通用性。根據(jù)本文的研究內(nèi)容，各章的主要內(nèi)容安排如下：第一章緒論，對本課題的背景及意義進行介紹，對國內(nèi)外農(nóng)用采摘機器人的研究現(xiàn)狀進行簡單敘述。第二章草莓采摘機器人行走機構方案設計，根據(jù)草莓的采摘環(huán)境，結合現(xiàn)有的農(nóng)用采摘機器人結構，設計出草莓采摘機器人的整體方案。使用SolidWorks軟件對行走機構進行整體建模，裝配。模型繪制完成后，對行走機構關鍵部分進行設計與計算。第三章轉向機構設計及電動機的選型，為了使行走機構在溫室內(nèi)行走平穩(wěn)及轉向穩(wěn)定，本文設計了一種差速轉向機構。第四章基于ADAMS軟件對關鍵部分進行運動學仿真，對設計出的草莓采摘機器人行走機構進行結構簡化，簡化完成后在ADAMS軟件中進行仿真。通過仿真可以看出采摘機器人行走機構設計的合理與穩(wěn)定性。第五章總結與展望總結了本文的研究內(nèi)容，指出本設計的研究不足以及下一步研究的內(nèi)容，并且對以后的研究方向做了展望。1.4技術路線圖1-9技術路線圖

第2章草莓采摘機器人行走機構方案設計2.1草莓生長環(huán)境特性查閱相關資料得知一種標準的溫室大棚參數(shù)：焊接結構大棚焊接鋼結構大棚，這種鋼結構大棚，拱架是用鋼筋、鋼管或兩種結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。2.2行走機構的需求分析草莓采摘機器人行走機構需求分析如下表2-1所示：表2-1行走機構需求分析表1工作要求作為承載機構，在草莓種植大棚內(nèi)工作2性能要求承載能力強，要求轉向靈活，運行平穩(wěn)，適應性好3可靠性要求長時間工作后不容易出現(xiàn)故障4安全要求行走機構應設計有安全保護裝置行走機構必須滿足并適應現(xiàn)場的環(huán)境，為了能夠順利進入大棚工作，其最大寬度不應該大于兩列植株之間的距離（1.2m左右）。運動底盤必須能支撐采摘機構和采摘草莓的重量，以及有較靈活的轉向功能，暫定行走機構總重為100kg。一、草莓采摘機器人行走機構應具有較強的轉彎性能，最好能實現(xiàn)行走機構的原地轉向，從而減小轉彎半徑，靈活性更高。二、溫室大棚地面整體環(huán)境良好，但行走機構設計仍需具有爬坡能力，以適應特殊情況（坡度<25°）。三、溫室大棚的采摘環(huán)境就要求采摘機器人整機體積不能過大，高度和寬度應小于1m，整機長度應小于2m。四、溫室內(nèi)環(huán)境比較潮濕，同時防止采摘活動頻繁導致的土地板結，應該盡可能的減小整車的重量。2.3行走機構方案的選取本文研究的采摘機器人屬于移動式機器人，目前，地面移動機器人根據(jù)運動方式的不同，可以分為輪式、足式以及履帶式機器人[8]。用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機器人一般為履帶式機器人和輪式機器人。輪式機器人對地面要求比較高，適用于平地，且輪式行走機構的越障能力和越野性能不高；履帶式機器人靈活性高，轉向容易，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，在穿越復雜地形時可以保證整機的平穩(wěn)性，不容易發(fā)生側翻等情況。在路面的通過性比較中：輪式機器人只有輪子與地面接觸，接觸面積過小導致對地面的壓力過大，容易使土壤板結，硬化；履帶式機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牽引力也比較大。綜合各方面考慮，本文選擇履帶機構作為草莓采摘機器人的行走機構。2.4行走機構主要零部件設計2.4.1驅動輪目前，履帶與驅動輪配合的設計標準，各種齒形的設計方法有很多，沒有一個統(tǒng)一的標準。驅動輪的分度圓直徑大小受行走機構整體高度的影響，同時與履帶節(jié)距和驅動輪齒數(shù)密切相關。確定驅動輪主要尺寸（根據(jù)相關數(shù)據(jù)得）分度圓直徑計算公式：d0=psin180°式中：d0為驅動輪分度圓直徑；p為履帶節(jié)距；z為驅動輪齒數(shù)一般取8~15，此處取12；d為滾子直徑，查《機械手冊》得為28.58mm計算得出分度圓直徑d0=193mm，取整為齒頂圓直徑da計算公式：da=d0+取d齒底圓直徑dbdb=d0?d=171.42mm齒寬b：b=0.4p=20mm（2-4）履帶兩端的輪子哪一個做導向輪，哪一個做驅動輪，與履帶機構的形狀有關。履帶機構形狀主要有兩類：整體式履帶板構型；組合式履帶板構型。根據(jù)前期的文獻及相關書目的閱讀，采用后輪驅動的方式。2.4.2履帶板目前應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，導致整體重量偏大，對地面的破壞較為嚴重；橡膠履帶具有金屬制履帶的優(yōu)點，同時橡膠履帶的重量比較輕。主要優(yōu)點體現(xiàn)在：接地比壓小，通過性好，可以確保機械在濕地環(huán)境下正常工作，擴展了機械的作業(yè)地域。同時對土壤的壓實程度較小，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，減小噪聲的同時可以延長機械的使用壽命；對地面的破壞程度遠低于金屬履帶，橡膠履帶在硬質路面上行駛不會對地面造成損傷；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。其結構基本上可分為四部分，即履帶的下面為支撐面，上面為鏈軌，中間為與驅動鏈輪相嚙合的部分，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)為整機的重量，本機初定整機重量為100kg。由經(jīng)驗公式計算履帶鏈軌節(jié)節(jié)距t：經(jīng)驗公式t=15~17.5·4G式中：t為履帶鏈軌節(jié)節(jié)距（mm）G為整機重量（kg）取整機重量為100kg，計算得t=47.4~55.3mm方便計算故取整數(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表示整機重量，單位T；z表示驅動輪齒數(shù)，取經(jīng)驗公式：L0≈1.073G=1.07·L≈L0+0.35?0L取整為592mmL0B≈1.07即B=464.48≈465mmbL0≈0.22~0.8即b=L0取b=233mm履帶總長：L總≈2L0+2.4.3導向輪導向輪主要起引導履帶正確繞轉，防止履帶跑偏和越軌。導向輪直徑加大，能夠減少沖擊，增加整機作業(yè)的平穩(wěn)性。導向輪直徑一般較驅動輪小，一般情況下導向輪上方位置應比驅動輪緣低30~80mm，使這一區(qū)段的履帶在運動時順勢前滑。導向輪可以制成無齒的，本設計的無齒導向輪的優(yōu)點是中間可以與履帶嚙合，兩側的擋肩能夠支撐履帶。為了使履帶在通過導向輪這一區(qū)段時可以順勢前滑，減小功率損耗，導向輪的尺寸一般略小于驅動輪尺寸。根據(jù)經(jīng)驗公式：D1D2=0.8式中：D1為導向輪直徑；D計算得到D1=0.8×D2可得相關數(shù)據(jù)：導向輪寬110mm,擋肩寬15mm,導向輪軸孔直徑30mm。2.4.4支撐輪在設計履帶時，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，直接導致整個車體的移動速度下降。這時候就要加裝支撐輪。履帶式行走機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，可以分為多支點式和少支點式。如圖2-1和2-2：圖2-1該履帶底盤為多支點式支撐圖2-2該履帶底盤為少支點式支撐本文設計的履帶底盤支撐輪一側有2排，每排2個，共8個支撐輪。在履帶上的分布如圖2-3所示。支撐輪的尺寸和布置，應使接地壓力均勻分布，為此可采用直徑小個數(shù)多的支撐輪。但支撐輪太小，將使支撐輪滾動阻力增大。支撐輪數(shù)目過多會使支撐輪尺寸過小。一般支撐輪為5~8個。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drdrp=1.5~3得d選定支撐輪直徑dr為對于支撐輪軸強度的計算，應考慮經(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。預定整機總重為100kg，重量均勻分布在支撐輪上。每個支撐輪承重M:M=Ma8=100式中Ma為整機重量，單位kg所以G=Mg=125通過對支撐輪軸進行受力分析，分析結果如圖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)支撐輪的受力特點將三維圖簡化為數(shù)學模型。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=125×501000=6.25N?mWz=πd3σmax=MW≈7.96M本支撐輪采用50Mn材料制成，查表得到：σ查《材料力學》得到該材料是脆性材料,所以σb=66Mσ=σbn=根據(jù)上式得σmax<[σ]2.4.5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。托帶輪只承受履帶自身的重量，所需尺寸比較小，結構也比較簡單。托帶輪的個數(shù)取決于履帶上分支的長度，一般驅動輪到導向輪軸距大于等于2m時，每側的托帶輪為2個，軸距小于2m時為1個。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，結構也可以簡化。托帶輪的高度，應使其滾動表面和驅動輪、導向輪的滾動表面大約在一條直線上。目前有些履帶底盤的設計過程中，會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，所以設計托帶輪直徑為80mm，個數(shù)為4個。2.4.6張緊裝置履帶行走機構中，張緊彈簧必須有一定的預壓縮量，使履帶中產(chǎn)生預張緊力，其作用是，履帶在前進時不會因為稍微受到外力就松弛從而影響履帶和驅動輪之間的嚙合。預張緊力也不能太大，當履帶和各輪間進入石塊等硬物時或前方受到較大的沖擊力時，緩沖彈簧應該能進一步壓縮，從而保護行走系各零件不致?lián)p壞。緩沖彈簧不需單獨設計，可以根據(jù)需要直接選型。主要參數(shù)推薦如下：緩沖彈簧預緊力PY=0.6~0.8G緩沖彈簧工作行程終了時的壓縮力Pz=(1.5~2)PY彈簧旋繞比dD式中：d為鋼絲直徑，單位mm；D為中徑，單位mm。第3章轉向機構設計及電動機選型3.1轉向機構原理本文設計的轉向機構原理如圖3-1所示，底盤采用的轉向機構原理是依靠改變兩側履帶驅動輪的轉動方向，使其實現(xiàn)履帶的的原地轉向。左右履帶各自向V1和V2方向轉動且轉動速度相同。兩側履帶離底盤中心O的距離相等，所以力矩Mo=0，OA即為履帶底盤的最大轉彎半徑，根據(jù)勾股定理可得R=686.4mm。根據(jù)現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)園區(qū)道路寬度在1~2m的要求，履帶底盤實際轉彎半徑小于1m時即可認定為合格[16]。圖中：V1為右側履帶轉動速度；V2為左側履帶轉動速度；a2為履帶底盤總長度的一半，單位mm；b圖3-1轉向原理示意圖3.2轉向機構方案選擇本文設計的行星錐齒輪機構由兩個半軸錐齒輪，四個行星錐齒輪及相配的錐齒輪軸，一個大齒圈構成。行星錐齒輪差速機構，與普通的行星齒輪機構相比，有結構更加緊湊、工作平穩(wěn)、磨損小、工作壽命長等優(yōu)點。如圖3-2所示（圖中：1-半軸錐齒輪；2-大齒圈；3-錐齒輪軸；4-行星錐齒輪。）圖3-2行星錐齒輪機構部件圖處于齒圈內(nèi)部的四個行星錐齒輪通過軸與齒圈連接，因此錐齒輪可以繞3軸自轉也可以繞1半軸錐齒輪公轉。3.3差速轉向機構設計差速機構整體示意圖如圖3-3所示；圖中：1-行星錐齒輪機構；2-從動圓柱齒輪；3-（直行）主動錐齒輪；4-（轉彎）主動錐齒輪；5-（轉彎）從動半軸錐齒輪；6-（直行）從動半軸錐齒輪。圖3-3差速機構部件組成圖針對履帶底盤運動過程中直行和轉彎兩種工況進行分析。直行時：主動錐齒輪4不參加工作。直行發(fā)動機將動力通過變速箱傳遞到主動錐齒輪3上，主動錐齒輪3將動力傳遞到從動半軸錐齒輪6，再將動力傳遞到兩側的行星錐齒輪機構1上。這時，兩側行星錐齒輪機構輸出的速度大小相等，方向相同。最后帶動履帶的驅動輪運動，整個行走機構穩(wěn)定向前或者向后直線行駛。這時，行走機構的行進速度與直行發(fā)動機輸出的轉速有關。轉彎時：主動錐齒輪3不參加工作。轉彎發(fā)動機將動力通過變速箱傳遞到主動錐齒輪4上，從而將動力傳遞到從動錐齒輪5上，從動錐齒輪5轉動將動力傳遞給從動圓柱齒輪2。從動圓柱齒輪2與行星錐齒輪1的大齒圈嚙合傳動，使1內(nèi)部的行星錐齒輪自轉并且公轉。這時，兩側行星錐齒輪輸出的速度大小相等，方向相反。帶動履帶的驅動輪運動，可以實現(xiàn)原地轉向；轉彎電機正轉時，主動錐齒輪4順時針轉動即可實現(xiàn)行走機構右轉彎，轉彎電機反轉時，主動錐齒輪4逆時針轉動，即可實現(xiàn)行走機構左轉彎。電機正反當主動錐齒輪3和4同時工作時，使得兩側驅動輪的運轉速度方向相同，大小不同，就實現(xiàn)了差速轉向。3.4轉向機構相關數(shù)據(jù)計算查閱相關文獻了解到差速轉向機構內(nèi)各個零部件的轉速關系：ns+αnql根據(jù)此公式可以求出轉向機構左右兩端的轉速情況：左端輸出軸：ns+αnql=右端輸出軸：ns+αnql=α=zqzs=式中：α是差速轉向機構的行星排特性參數(shù)；nql、nqr是左右齒圈的轉速，單位zs、zq、ns、nq、nx根據(jù)本文的差速機構可以決定兩個行星輪機構滿足以下公式：αl=αr=α（3-5）ns=nzi式中：iz是iy是nz是ny是根據(jù)上面的公式可以得出：nql=1+ααnqr=1+αα在已知左右兩端軸的轉速情況下，可以推出電動機的轉速：ny=α1+α×nz=α×nqr行走機構直行時：直行電動機輸出動力，左右兩軸輸出的轉速方向相同，大小相等。nql=nqr=v=2πrnqri=2πr式中：i是該系統(tǒng)總傳動比；r是履帶驅動輪半徑，單位mm。行走機構轉彎時：轉彎電動機輸出動力，左右兩軸輸出的轉速方向相反，大小相等。nqr=?1+ααinql=1+ααiω=vB2=2πr式中：B是中心距離，單位mm；ω是轉彎時的角速度，單位r3.5電動機選型選用符合裝置要求的電動機是提高裝置的可靠性與經(jīng)濟效益的重要因素。首先要確定驅動機構，由此確定負載計算必須的尺寸、質量；根據(jù)裝置的規(guī)格確認電動機的要求規(guī)格，一般包括運行速度、運行時間、使用環(huán)境幾個要素；負載計算；電動機機種的選擇；選用計算，包括從機加速時間，加速轉矩等方面確認電動機規(guī)格是否符合所有的要求，然后再確定電動機。本文設計的草莓采摘機器人行走機構主要運動參數(shù)如下表所示：表3-1運動參數(shù)表整機重量100kg直線行駛最大速度1m轉彎速度0.2m加速度0.2m驅動輪直徑250mm轉彎電動機選型根據(jù)前文可以知道，行走機構轉彎時，轉彎電動機單獨工作，兩側的輸出軸輸出轉速方向相反，大小相等，實現(xiàn)原地轉向。可得：nqr=?nqr=?α=zqzs=i=0.4×0.36=0.144（3-19）ω=vB2=0.57rad/s2πr0.5B×1αn=0.57可計算出轉彎時電動機轉速為77.62r此時可以得到轉彎時電動機勻速功率為P1=63.4W轉彎時電機功率：P1=k×P1取整選定電機功率為500W。查書后選用ZTY?22電動機。該電機額定功率為500W;額定電壓為220V；額定電流為3.5A；額定轉速為1800rmin直行電動機選型對行走機構直線行駛時受力分析如圖3-4所示： 圖3-4直線行駛行走機構受力分析受力分析后得到平衡方程：豎直方向上：mg+N=0水平方向上：ma+f=0滾動摩擦阻力矩：Mf=μmgR（O點處于力矩平衡：Mq+Mf=0上式中：m是整機重量，單位是kg；a是加速度，單位是ms2；g是重力加速度，單位是ms2；f是履帶與地面之間的摩擦阻力，單位是N；R是驅動輪半徑，單位是m；N是地面的支持力，單位N；Mq是驅動輪所受的驅動力矩，單位是N·m；Mf可以求出勻速運動時所需要的扭矩MqMq=μmgR=50×10×0.35×0.125則加速運動時需要的力矩MaMa=JL+上式中：JL是負載的慣量，單位kg·JM是電動機慣量，單位kg·N是電機轉速，單位rminT是加速時間，單位s?？梢郧蟪鲐撦d的慣量JLJL=πM32×980DL=0.129kg·上式中：D是行星錐齒輪的直徑，單位是cm；L是行星錐齒輪的長度，單位是cm。D是2.6cm;L是10.6cm。查閱資料了解到電動機慣量和負載慣量比一般不大于20，可取0.00886kg·m直線行駛時驅動輪轉速n：n=1T=ω2π需要的電動機轉速n1n1=α1+α×求得直線行駛時加速轉矩是：M=88.58N·m（3-30電機功率計算公式是：P=M×n9550上式中：P是電動機功率，單位kW；M是轉矩，單位N·m；n是轉速，單位r/min?？梢运愠黾铀俟β蔖1=885W得直線行駛的電機功率是：P=k×P1+P2上式中：k是安全系數(shù)。根據(jù)算出來的電機功率選定直線行駛電機功率為1500W。查書后選用YS90S?2電動機。該電機額定功率是1500W;額定電壓是380V；額定電流是3.42A；額定轉速是2800r/min整機樣圖如下圖所示：圖3-5整車正視圖圖3-5整車側視圖

第4章基于ADAMS軟件的運動仿真4.1ADAMS軟件ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型[17]。該軟件的求解器多是采用剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程，以此來建立系統(tǒng)動力學方程，對構建的虛擬系統(tǒng)進行動力學、靜力學以及運動學仿真，同時也能輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。所以在使用ADAMS軟件進行仿真時，如果能保證機械結構的模型尺寸精確以及約束定義的正確，就可以得到差速轉向機構在不同狀態(tài)下的運動參數(shù)。4.2基于ADAMS軟件的轉向機構仿真為了更好的分析本文設計的差速轉向機構的性能，將原本在SolidWorks中繪制好的三維模型保存為parasolid(*.x_t,)格式，然后導入ADAMS軟件進行仿真。4.2.1仿真前的設置進入ADAMS仿真界面后，重新定義材料屬性的過程如下：首先是把所有的零件都展開，然后就可以定義零件的質量方式和材料屬性，材料屬性選擇steel。定義之后的密度為：7.801E?06楊氏模量：2.07E+05泊松比：0.29將所有材料依次進行材料屬性的定義。4.2.2約束的添加在SolidWorks中繪制好的三維模型重新在ADAMS中打開后需要重新添加各個零部件之間的約束。約束類型一般有：移動副，旋轉副或固定副。約束添加完之后需要對該機構添加驅動[18]。添加的約束明細如表4-1所示：表4-1差速轉向機構約束約束名稱物體一物體二類型JOINT_1（轉彎）主動錐齒輪地面旋轉副JOINT_2（轉彎）右從動半軸錐齒輪地面旋轉副JOINT_3（轉彎）左從動半軸錐齒輪地面旋轉副JOINT_4右行星錐齒輪的齒圈地面旋轉副JOINT_5左端大齒圈地面旋轉副JOINT_6（直行）主動錐齒輪軸地面旋轉副JOINT_7右端行星輪的右側半軸錐齒輪地面旋轉副JOINT_8左端行星輪的左側半軸錐齒輪地面旋轉副JOINT_9（直行）從動半軸錐齒輪及其兩側地面旋轉副JOINT_10左側行星輪的內(nèi)錐齒輪左端大齒圈旋轉副JOINT_11左側行星輪的內(nèi)錐齒輪左端大齒圈旋轉副JOINT_12左側行星輪的內(nèi)錐齒輪左端大齒圈旋轉副JOINT_13左側行星輪的內(nèi)錐齒輪左端大齒圈旋轉副JOINT_14右側行星輪的內(nèi)錐齒輪右端大齒圈旋轉副JOINT_15右側行星輪的內(nèi)錐齒輪右端大齒圈旋轉副JOINT_16右側行星輪的內(nèi)錐齒輪右端大齒圈旋轉副JOINT_17右側行星輪的內(nèi)錐齒輪右端大齒圈旋轉副添加完約束后，還需加上驅動副。本機構有兩個驅動軸，需要添加兩個驅動副，如表4-2所示：表4-2差速轉向機構驅動副驅動副名稱運動副類型函數(shù)（時間）MOTION_1（轉彎）JOINT_1旋轉step(time,0,0,0.2,50)MOTION_2（直行）JOINT_6旋轉step(time,0.3,0,0.5,50)相關約束及驅動副添加完畢后的模型如圖4-1所示：圖4-1轉向機構4.2.3仿真后處理結果根據(jù)添加的約束及驅動仿真完成后的得到如下圖4-2所示的后處理結果圖4-2差速機構運動學仿真從圖中可以看出，各個部件的參數(shù)曲線相互對于橫軸對稱，說明仿真結果符合要求，本機構設計合理。直行動力軸與轉彎動力軸利用ADAMS軟件仿真如圖4-3所示：圖4-3直行動力軸與轉彎動力軸運動學仿真圖中藍色曲線為轉彎動力軸參數(shù)曲線，在0-0.2s內(nèi)轉彎動力軸輸出動力；紅色曲線為直行動力軸參數(shù)曲線，在0.3-0.5s內(nèi)直行動力軸輸出動力。左端輸出軸速度曲線如圖4-4所示：圖4-4左端輸出軸運動學仿真0-0.2s內(nèi)是轉彎時左端輸出軸的速度曲線，0.3-0.5s內(nèi)是直行時左端輸出軸的速度曲線。右端輸出軸速度曲線如圖4-5所示：圖4-5右端輸出軸運動學仿真0-0.2s內(nèi)是轉彎時右端輸出軸的速度曲線，0.3-0.5s內(nèi)是直行時右端輸出軸的速度曲線。直行與轉彎情況下左右兩端輸出軸速度曲線聯(lián)合對比如圖4-6所示：圖4-6直行與轉彎時左右兩端輸出軸運動學仿真從圖4-6可以看出，0-0.2s內(nèi)是轉彎時左右兩端輸出軸的速度曲線，兩側輸出軸的圖像關于橫軸對稱，說明左右兩端輸出軸速度方向相反，大小相同。這時兩側輸出軸帶動驅動輪向相反的方向轉動，驅動輪帶動履帶轉動，就實現(xiàn)了行走機構的原地轉向；0.3-0.5s內(nèi)是直行時左右兩端輸出軸的速度曲線，從圖中可以看出速度曲線基本吻合，說明左右左右兩端輸出軸速度大小相等，方向相同。這時兩側輸出軸帶動驅動輪向相同的方向轉動，驅動輪帶動履帶轉動，就實現(xiàn)了行走機構的直線行駛。

第5章總結與展望5.1論文總結5.1.1本文主要研究內(nèi)容本文通過對比分析國內(nèi)外農(nóng)用采摘機器人的研究現(xiàn)狀以及他們各自的優(yōu)缺點，以草莓作為采摘對象，設計了一款差速轉向式的履帶行走機構，該行走機構環(huán)境適應性強，在溫室的狹窄路面上仍可以靈活轉向。本文主要完成了以下工作：（1）對草莓的生長環(huán)境進行分析，通過對比輪式、履帶式以及足式這幾種行走機構，對這幾種行走機構進行分析最終選擇了合適的機構。（2）選定行走機構類型為履帶后，對履