苗间锄草机器人设计及优化设计【SW三维仿真+5张CAD图纸+说明书】

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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 目录 摘要 i Abstract ii 第一章 引言 5 1.1 课题研究的目的及意义 5 1.1.1课题研究的目的 5 1.1.2 课题研究的意义 5 1.2苗间锄草机器人国内外的现状 5 1.2.1国内的研究现状 5 1.2.2国外研究现状 6 1.3 国内外可移动机器人的发展现状 6 1.4 移动机器人的关键技术 7 1.5 课题设计思路 9 1.6 课题设计结构 9 第二章 苗间锄草机器人的总体设计方案 10 2.1苗间锄草机器人的组成及各部分关系概述 10 2.2 苗间锄草机器人驱动方案的确认 10 2.2.1 液压驱动 10 2.2.2 气压驱动 10 2.2.3 电动机驱动 11 2.2.4 驱动方案的确认 11 2.3 总体方案拟定 11 第三章 苗间锄草机器人整体结构的设计 13 3.1机器人行走驱动方案的选择 13 3.2驱动电机的选择 14 3.3机器人底盘的设计 17 3.4 机器人车轮的设计 17 3.5锄草刀片的设计 18 3.6 辅助轮阶梯轴的有限元分析 19 3.6.1 阶梯轴零件的三维建模 19 3.6.2 确定材料 19 3.6.3 添加夹具 20 3.6.4 施加载荷 21 3.6.5 生成网格 21 3.6.6 运算求解 22 3.6.7 分析结果输出 22 第四章 苗间锄草机器人三维造型的设计 25 4.1 Solidworks软件简介 25 4.2 零件建模 27 4.2.1阶梯轴三维建模的形成 27 4.2.2 底盘的三维建模形成 27 4.2.3其他零件的三维模型造型 27 4.3零件装配 28 4.4三维向二维的转换 30 第五章 苗间锄草机器人的仿真 33 5.1机构仿真的作用 33 5.2机构仿真类型 33 5.3机构运动仿真步骤 33 5.4 机构功能 33 5.5 本章小结 34 第六章 结论 35 6.1 本论文所取得的结果 35 6.2 技术展望 35 参考文献 36 致谢 38 第一章 引言 1.1 课题研究的目的及意义 1.1.1课题研究的目的 随着农业生产的快速发展，农业生产技术急需发展，各种人工的生产已经不能满足需要。除草机器人的研究，这其中机器人机械臂的运动学分析和图像识别又是比较关键的技术，以及除草方法的不断改进更使效率大大提高。相信随着我国对对农业机器人的高度重视，我国在农业除草机器人的研究领域会取得重大的突破。我国的农业生产能力家大大提高。 1.1.2 课题研究的意义 农田杂草直接与庄稼争夺营养、水分和阳光，影响作物生长，减少作物产量。人工除草劳动强度大，效率低，使用除草剂，可有效抑制杂草，但污染环境。开发高效地去除杂草、降低以致消除生态污染的自动化除草机器人十分必要，从长远来看，将具有很高的经济效益。 力图使得农田除草工作主要由机器人来完成，高效、自动，减少人们的烦琐劳动；有选择地、精确地施用除草剂，避免伤及作物；与传统的喷雾施药方法相比，大幅减少除草剂的用量，保护了环境。 农业机器人的发展，特别是除草机器人的发展是我们国家农业高效产业化走向更多的土地，从各种角度将我们都有很大的动力和空间把我国的农业发展的更加现代化，除草机器人，将会更加科学。 通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。 1.2苗间锄草机器人国内外的现状 1.2.1国内的研究现状 除草机器人可以代替人类进行除草活动，减轻农民的劳动强度，也可以减少农业从业人口数量，提高农业设备的自动化和智能化。国外较早开展了除草机器人研究；在国内，南京林业大学陈勇等率先提出了基于直接施药方法的除草机器人，设计了由主体、机械臂、轮子和摄像头组成的自动施药除草机器人。通过机器视觉检测出杂草，利用机械臂进行“直接施药方法”除草，大大减少了化学除草剂使用量，从而有效地减少了环境污染。 东北林业大学研制了林木球果采集机器人。很好地解决了目前在林区主要依靠人工上树，强度大、安全性差、生产率低，对母树损伤较大的问题。 中国农业大学开展了蔬菜自动嫁接技术研究，实现了幼苗的精确定位、快速抓取、良好切削，解决了蔬菜幼苗柔嫩、易损和生长不一致等难题。机器人采用独特嫁接方法，自动完成嫁接作业，速度达600棵／小时，成功率95％以上。  1.2.2国外研究现状 目前农业机器人的研究主要涉及机器人田间的自主导航和作业目标的识别、定位、作业机构设计两方面。对于前者，研究的重点在于信息获取以及作业规划与自治控制方面，或可粗略地称为行走系列机器人，如：田间耕耘、农田信息采集机器人等。后者则着重于模式分类以及操作结构设计与控制等，或称机械手系列机器人，如：果蔬采摘、品质测定、水果分拣、蔬菜嫁接机器人等。两者相辅相成，互相渗透，根据农作活动的差异，各有侧重。 美国伊利诺依大学农业与生物工程系研究了应用机器视觉系统采集和计算杂草分布特性，进行施用量决策并控制喷头工作的智能喷雾机。该系统能在3．7米×0．43米范围内分辨出作物、杂草和土壤，并在O．24秒内做出喷雾决策。这样喷雾机能以14千米／小时的速度行进，目标分辨准确率为91％。 澳大利亚科研人员研发出一种智能化农田施药机械，它在田间移动时，能借助专门的电子传感器来区分庄稼和杂草，一旦发现杂草便喷洒除草剂。这种只针对杂草的喷洒方式使除草剂的花费只有常规喷洒的l／lO，甚至更低，不仅节约了生产成本，还减少了对环境的污染。 1.3 国内外可移动机器人的发展现状 移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:"20世纪的核心武器是坦克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。 初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推动了其它国家对移动机器人的研究与开发。进入90年代，随着技术的进步，移动机器人开始在更现实的基础上，开拓各个应用领域，向实用化进军。如由美国NASA资助研制的“丹蒂II”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人，1994年在斯拍火山的火山口中进行了成功的演示。美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星。为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制，命名为Rocky，并在Lavic湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实验。此外，在民用方面，可移动机器人在国外己被广泛用于扫除、割草、室内传送、导盲、导游、导购、室内外清洗和保安巡逻等各个方面。另外，国外还在高完整性机器人，遥控移动机器人，环境与移动机器人系统，生态机器人学，多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项研究阶段，主要的研究工作有: 清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术:基于地图的全局路径规划技术研究(准结构道路网环境下的全局路径规划、具有障碍物越野环境下的全局路径规划、自然地形环境下的全局路径规划);基于传感器信息的局部路径规划技术研究(基于多种传感器信息的“感知一动作”行为、基于环境势场法的“感知一动作”行为、基于模糊控制的局部路径规划与导航控制);路径规划的仿真技术研究(基于地图的全局路径规划系统的仿真模拟、室外移动机器人规划系统的仿真模拟、室内移动机器人局部路径规划系统的仿真模拟);传感技术、信息融合技术研究(差分全球卫星定位系统、磁罗盘和光码盘定位系统、超声测距系统、视觉处理技术、信息融合技术);智能移动机器人的设计和实现(智能移动机器人THMR-IH的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统)。此外，还有香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中国科学院沈阳自动化研究所的自动导引车AGV和防爆机器人、中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动式机器人视觉导航系统、哈尔滨工业大学研制成功的导游机器人等。总之，近年来移动式机器人的研究在国内也得到很大的重视，并且在某些方面的研究取得丰硕的成果。 1.4 移动机器人的关键技术 移动机器人要想走向实用，必需拥有能胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力，并具有既安全而又友好地与人一起工作的能力。移动机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力(主要通过学习)，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，自己确定工作步骤和工作方式;交互是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。因此，在移动机器人研究中，关键在于以下几个方面： 1.机器人结构.机器人机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。在机器人机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的硕士论文轮式机器人控制问题的研究NASA行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出移动机器人正在以其具有使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。 2.体系结构.机器人的智能系统具有以下特点:信息密集，多层次的信息与知识表示方式，与环境交互丰富多样，信息与知识分布存储等。所以，它是一个高智能、多系统的复杂系统工程，不是单元技术的简单连接，系统的总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成，因此，机器人的总体集成技术是一个核心问题，其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的研究，主要针对有意识行为和反射行为而展开的，如何将两者相统一，是目前的一个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的，其体系结构，一般只能在“积木世界”中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导引车AGV设计了一种分层体系结构。德国还开发了一种具有很高水平的移动机器人系统KAMRO，其体系结构基本上采用NASREM模型的思想。美国MIT的人工智能实验室提出了包容体系结构思想，并建立了一系列新型的移动机器人。包容体系结构采用所一谓“感知一动作”·结构，也称基于行为的结构。实验表明，包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的低级反射行为方面具有很多优点。目前，这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段，很多工作有待深入。 3.移动机器人路径规划技术.移动机器人的路径规划就是给定机器人及其工作环境信息，按照某种优化指标，寻求有界输入使系统在规定的时间内从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于20世纪70年代，目前对这一问题的研究仍十分活跃，许多学者做了大量的工作。其主要研究内容按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境、动态己知环境和动态不确定环境，按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的一个重要问题，对于自由运动的机器人，即机器人的运动不受约束，运动规划问题可以通过在自由位形空间内计算一条路径加以解决，这样的一条路径与工作空间内的一条可行的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束，并不是任意路径都一定是可行的。在复杂动态的环境中，还要考虑运动中的避障问题，因此，移动机器人的运动规划是一个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研究。 4.导航与定位。移动机器人根据运动行为方式分为自主和半自主式，根据应用的环境有室内和室外机器人之分。在移动机器人的应用中，精确的位置知识是一个基本问题。有关位置的测量，可分为两大类:相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种:里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔，全球定位系统，路标导航和地图模型匹配。 1.5 课题设计思路 1） 参考所有与苗间锄草机器人产品相关数据，了解整个苗间锄草机器人的整机系统的组成。 2）苗间锄草机器人整机方案的确认。 3）苗间锄草机器人整机的设计计算，并对主要零部件进行设计校核。 4）苗间锄草机器人整机三维建模。 5）苗间锄草机器人整机仿真 1.6 课题设计结构 本文以苗间锄草机器人项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为六章，各章的主要内容如下： 第一章前言部分，主要介绍苗间锄草机器人的研究现状和课题研究的目的及意义； 第二章对整个苗间锄草机器人的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。 第三章完成整个苗间锄草机器人的设计计算； 第四章对苗间锄草机器人进行三维建模； 第五章对苗间锄草机器人进行仿真 第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 第二章 苗间锄草机器人的总体设计方案 2.1苗间锄草机器人的组成及各部分关系概述 苗间锄草机器人主要由机械系统(执行系统、驱动系统)、控制系统和视觉系统组成。 执行系统：执行系统是苗间锄草机器人完成工作的部件。 驱动系统：为执行系统各部件提供动力，并驱动其动力的装置。常用的有机械传动、液压传动、气压传动和电传动。 控制系统：通过对驱动系统的控制，使执行系统按照规定的要求进行工作，当发生错误或故障时发出报警信号。 视觉系统：通过机器人视觉完成机器人的智能控制，包括前方障碍的识别，杂草的识别等。 2.2 苗间锄草机器人驱动方案的确认 设备的驱动方式有液压式、气动式、和电动式。下面将三种驱动方式进行分析比较。 2.2.1 液压驱动 设备的驱动系统采用液压驱动，有以下几个优点： (1)液压容易达到较高的压力（常用液压为2.5～6.3MPa），体积较小，可以获得较大的推力或转矩； (2)液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度； (3)液压传动中，力、速度和方向比较容易实现自动控制； (4)液压系统采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性能，可以提高机械效率，使用寿命长。 液压传动系统的不足之处是： (1)油液的粘度随温度变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃爆炸等危险； (2)液体的泄漏难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价较高； (3)需要相应的供油系统，尤其是电液伺服系统要求严格的滤油装置，否则引起故障。 液压驱动方式的输出力和功率更大，能构成伺服机构，常用于大型设备的驱动。 2.2.2 气压驱动 与液压驱动相比，气压驱动的特点是： (1)压缩空气粘度小，容易达到高速； (2)利用工厂集中的空气压缩站供气，不必添加动力设备； (3)空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业； (4)气动元件工作压力低，故制造要求也比液压元件低。 它的不足之处是： (1)压缩空气常用压力为0.4～0.6MPa，若要获得较大的力，其结构就要相对增大； (2)空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要达到准确的位置控制很困难； (3)压缩空气的除水问题是一个很重要的问题，处理不当会使钢类零件生锈，导致设备失灵。此外，排气还会造成噪声污染。 气动式驱动多用于点位控制、抓取、开关控制和顺序控制的设备。 2.2.3 电动机驱动 电动机驱动可分为普通交、直流电动机驱动，交、直流伺服电动机驱动和步进电动机驱动。 普通交、直流电动机驱动需加减速装置，输出力矩大，但控制性能差，惯性大，适用于中型或重型设备。伺服电动机和步进输出力矩相对小，控制性能好，可实现速度和位置的精确控制，适用于中小型设备。交、直伺服电动机一般用于闭环控制系统，而步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高的场合。 2.2.4 驱动方案的确认 通过比较上述三种驱动方案，本次设计的苗间锄草机器人属于高精度要求的设备，所以本文选用电机驱动。 2.3 总体方案拟定　 因为本苗间锄草机器人的要求是多功能，所以本次设计的苗间锄草机器人采用如图2-1所示的结构形式： 图2-1 苗间锄草机器人原理图 本次锄草机器人的结构原理图如图2-1所示，从图中可以看出，本机器人为后轮驱动，前轮为辅助轮；蓄电池为各个机构供电；无线接受天线接受外部遥控控制型号；控制板为实现各个动作的核心控制原件，其核心原件为单片机，通过程序实现各个动作；机器视觉完成障碍、杂草等检测工作；齿轮齿条摆动机构实现锄草机构的上下摆动，以适应不同工况下的锄草工作；锄草机构是执行锄草任务的关键部件，其包括驱动电机、锄草刀片等组成。 第三章 苗间锄草机器人整体结构的设计 3.1机器人行走驱动方案的选择 轮式机器人的机械结构如图2-1，图2-2，图2-3。 图2-1 两轮独立驱动结构 图2-2 前轮驱动兼转向结构 图2-3 后轮驱动，前轮转向结构 如图2-1，采用两轮独立驱动的结构，驱动轮分别由两套直流伺服系统驱动，提供需要的转速或者力矩;前轮为万向轮，可任意移动。这种结构优点：简单轻便，控制性好，运动灵活转弯半径小。 图2-2中的机器人，称为前轮驱动轮型机器人，后轮为辅助轮，方向不变，前轮为驱动轮兼转向轮，两轮驱动速度相同，转向速度一致。这种结构优点：运动平稳，稳定性好。缺点：结构复杂，控制难度高。 图2-3中后轮为驱动轮，前轮为转向轮，前后各一个电机，相对来说结构比较复杂。 综合上述三种驱动方案，我们选择第一种驱动方案，但是，我们把前辅助轮采用固定轮结构，通过驱动轮上两个电机的差动同样可以实现转向工作。 3.2驱动电机的选择 目前在机器人的运动控制中较为常用的电机有直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机，对它们的特性、工作原理与控制方式有分类介绍，下面总结如表2-2所示： 一般机器人用电机的基本性能要求； 1. 启动、停止和反向均能连续有效的进行，具有良好的响应特性； 2. 正转反转时的特性相同，且运行特性稳定； 3. 良好的抗干扰能力，对输出来说，体积小、重量轻； 4. 维修容易，不用保养。 驱动轮为两后轮，要求控制性好且精度高，能耗要低，输出转矩大，有一定过载能力，而且稳定性好。通过比较以上电机的特性、工作原理、控制方式以及移动机器人的移动性能要求、自身重量、传动机构特点等因素，所以我们决定选用直流电机作为驱动电机。 直流电动机以其良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优异的动态特性，一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受 表2-2不同电机的特性、工作原理与控制方式 电机类型 主要特点 构造与工作原理 控制方式 步进电机 直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维修方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。 按产生转矩的方式可分为：永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，应用广泛。 永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁，分辨率高，运转平稳。 直流伺服电机 接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。 由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。 转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。 交流伺服电机 没有电刷和换向器，无须维修；驱动电路复杂，价格高。 按结构分为同步和异步。无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与支流电机相同。 分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。 到其他电动机(如交流变频电动机、步进电动机等)的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中有着广泛的应用。 所需电机的功率计算： 机器人小车的受力简图如图2-4所示： 机器人所需的牵引力: 式中 ——机器人移动需要的牵引力 式中 ——自身重力而产生的阻力 式中 ——机器人移动所受摩擦力 图2-4 机器人小车的受力简图 则有： 式中 ——摩擦系数 式中 ——最大爬坡角度（据课题要求可以按0计算） 这里我们估算机器人的总重为10KG，运行速度为0.6m/s，静摩擦因数为0.15 则机器人在水平面上运动的功率为： 传动装置的总效率： 按照中表2.1-1确定的个部分效率有：直接传动效率：；滑动轴承效率： 代入得到： 所需直流电机的最小功率： 即单个电机的功率为4.05W 通过以上的比较和计算，我们决定选用广东德昌微电机公司生产的 SRC-555-3250型直流电动机其技术参数如表2-3所示: 表2-3直流电机技术参数表 型号 额定电压 空载 最大效率下 制动 转速 电流 转速 电流 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机器人底盘的设计 在设计底盘时，我们要考虑的底盘的结构强度和各个元器件的布置关系，底盘设计不宜过大，同时要保证各个元器件的布置要合理，考虑到底盘的强度。本次设计的底盘如图3-4所示： 图3-4 底盘设计图 3.4 机器人车轮的设计 本设计中可选用机器人的运动方式为轮子方式，轮子方式可以提供多种排列方式，从而满足不同情况需要，而且转向容易，可以实现运动的精确控制，机构实现简单。所以我们考虑到所设计机器人的工作环境和控制要求，我们选用了四轮方式。 选择车轮需要考虑多种因素：有机器人的尺寸、重量、地形状况、电机功率等。车重加负载重量为10kg,所以用质地坚硬且易于加工的聚苯乙烯作轮毂，采用不充气的中空橡胶轮胎，其优点在于不仅重量小而且橡胶与地面的附着系数大，保证了足够的驱动能力，轮胎及轮毂SOLIDWORKS参考图图如图3-5所示： 图3-5 车轮三维设计图 3.5锄草刀片的设计 本次设计的锄草机构是直流电机通过联轴器直接带动割草圆盘，采用割草的方式。机构更加简单，刀具拆装方便。我采用的锄草机构方案结构比较简单，刀片的三维结构图如图3-6所示。 图3-6 锄草刀片 3.6 辅助轮阶梯轴的有限元分析 首先，对阶梯轴的主体结构进行三维建模。完成三维建模后，再对相应部分进行有限元分析。由于阶梯轴的轴承，螺栓等零件无需单独进行受力分析，而且如果对阶梯轴整体结构进行静态分析，将会产生庞大的数据，系统的计算时间将会持续几天甚至更多。所以为了使计算更加精确，缩短系统计算时间，我们在这里只对阶梯轴主体进行分析，即直接将阶梯轴主体分离出来单独进行静态分析，以确保系统的强度和稳定性。阶梯轴有限元分析的具体步骤如下： 3.6.1 阶梯轴零件的三维建模 利用SOLIDWORKS软件对阶梯轴零件进行三维模型，这个的具体绘图过程就不一一详细描述。得到的三维模型如图3-7所示。 图3-7 阶梯轴模型 3.6.2 确定材料 零件的反应取决于其所构成的材料，程序必须知道零件材料的弹性属性，通过从材料库选择材料来给零件指派材料。由于阶梯轴承受重量大，阶梯轴主体会受到较大的压力和拉应力，所以阶梯轴材料选择普通碳钢。但在用Solidworks Simulation对阶梯轴进行应力分析时，由于材料库没有这一材料，因此选择近似的材料碳钢，具体选择如下图3-8所示。 图3-8 材料选取 3.6.3 添加夹具 在夹具选项卡中，可以定义固定约束。每个约束可以包含多个面。受约束的面在所有方向都受到约束。必须至少约束零件的一个面，以防由于刚性实体运动而导致分析失败。在对阶梯轴主体进行应力分析前，首先要确定其夹具固定的部分。如图3-9所示，选择阶梯轴两轴承安装端为固定端，即模拟夹具夹住阶梯轴轴承固定端部分。 图3-9添加夹具 3.6.4 施加载荷 阶梯轴我们设定载荷为120KG，即为1200N。在载荷选项卡上，可以应用力和压力载荷至模型的面，可以应用多个力至单个或多个面。由阶梯轴实际工况得出其受力情况见图3-10 图3-10 阶梯轴竖直方向施加载荷 3.6.5 生成网格 接下来需对阶梯轴划分网格。实体模型的网格化由两个基本阶段组成。在第一阶段，网格器将节放置于边界上，此阶段称为曲面网格化。如果第一个阶段成功，网格程序开始第二个阶段，将在内部生成节，以四面单元填充体积，并将中侧节放置于边线上。在实际操作中，我们先要选择网格的参数，如图3-11所示，将网格密度设置为良好。选择好网格参数之后，对阶梯轴模型生成定义的网格。 图3-11 阶梯轴网格化 3.6.6 运算求解 网格化参数后点击运行，软件开始自动对算例进行计算分析，求解过程如下图3-12所示。 图3-12运行算例分析 当运行结束后，就可以得到阶梯轴模型应力、应变、位移和安全系数等各项参数的有限元分析结果。 3.6.7 分析结果输出 Simulation的结果选项卡中生成的图解可以生动形象的表现出阶梯轴各部位的应力—应变情况、位移情况及安全系数情况，如图3-13所示。结果选项卡的第一个屏幕显示阶梯轴所有位置的最小安全系数。标准工程规则通常要求安全系数为 1.5 或更大。对于给定的最小安全系数，Simulation程序会将可能的安全与非安全区域分别绘成蓝色与红色。阶梯轴主体部分有限元分析的应力、位移、应变及安全系数分布云图如图3-14至3-17所示。 图3-13 输出结果 图3-14 安全系数 图3-15 位移分布图 图3-16 应变分布图 图3-17 应力分布图 由图3-9可知，阶梯轴在工况载荷下，施加载荷时候的最小安全系数是1.39，。根据图3-12所示，阶梯轴的屈服力大约为220MPA，而所用材料的抗拉强度为490MPA，完全符合设计要求。 第四章 苗间锄草机器人三维造型的设计 4.1 Solidworks软件简介 首先我要对Solidworks进行介绍一下，它是一种先进的，智能化的参变量式CAD设计软件，在业界被称为“3D机械设计方案的领先者”，易学易用，界面友好，功能强大，在机械制图和结构设计领域，掌握和使用Solidworks已经成为最基本的技能之一。 与传统的2D机械制图相比，参变量式CAD设计软件具有许多优越性，是当代机械制图设计软件的主流和发展方向。传统的CAD设计通常是按照一定的比例关系，从正视，侧视，俯视等角度，根据投影，透视效果逐步绘出所需要的各个单元，然后标注相应尺寸，这就要求制图和看图人员都必须具备良好的绘图和三维空间想象能力。如果标注尺寸发生变化，几何图形的尺寸不会同步变更；如果改变了几何图行，其标注尺寸也不会发生变化，还要重新绘制，标注，因此绘图工作相当繁重。 参变量式CAD设计软件，是参数式和变量式的统称。在绘制完草图后，可以加入尺寸等数值限制条件和其他几何限制条件，让草图进入完全定义状态，这就是参数式模式。由于软件自动加入了关联属性，如果修改了标注尺寸，几何图形的尺寸就会同步更新。也可以暂时不充分的限制条件，让草图处于欠定义状态，这就是变量式操作模态。 美国Solid Works公司是一家专门从事开发三维机械设计软件的高科技公司，公司宗旨是使每位设计工程师都能在自己的微机上使用功能强大的世界最新CAD/CAE/CAM/PDM系统，公司主导产品是世界领先水平的Solid Works软件。 90年代初，国际微机市场发生了根本性的变化，微机性能大幅提高，而价格一路下滑，微机卓越的性能足以运行三维CAD软件。为了开发世界空白的基于微机平台的三维CAD系统，1993年PTC公司的技术副总裁与CV公司的副总裁成立SolidWorks公司，并于1995年成功推出了SolidWorks软件，引起世界相关领域的一片赞叹。在SolidWorks软件的促动下，1998年开始，国内、外也陆续推出了相关软件；原来运行在UNIX操作系统的工作站CAD软件，也从1999年开始，将其程序移植到Windows操作系统中。 由于SolidWorks出色的技术和市场表现，不仅成为CAD行业的一颗耀眼的明星，也成为华尔街青睐的对象。终于在1997年由法国达索公司以三亿一千万的高额市值将SolidWorks全资并购。公司原来的风险投资商和股东，以原来一千三百万美元的风险投资，获得了高额的回报，创造了CAD行业的世界纪录。并购后的SolidWorks以原来的品牌和管理技术队伍继续独立运作，成为CAD行业一家高素质的专业化公司。 功能描述 （1） Top Down(自顶向下)的设计 （2） Down Top (自下向上)的设计 （3） 配置管理 （4） 易用性及对传统数据格式的支持 （5） 零部件镜像 （6） 装配特征 （7） 工程图 （8） eDrawing Solidworks模形由零件，装配体和工程图等文件组成，没有生成零件之前的图纸称为草图。由2D，3D草图直接生成3D模形和工程图时，如果修改了草图的标注尺寸，其3D模形和工程图会同步更新；相反，如果修改了工程图的标注尺寸，其3D模形和草图也会同步更新。软件使用起来非常方便，大大减少了设计人员的工作量，提高了工作效率。 通常，从打开一个零件文件或建立一个新零件文件开始，绘制草图、生成基体特征、然后在模型上添加更多的特征，生成零件。也可以从其他软件导入曲面或几何实体开始，编辑特征，生成零件和装配体工程图。这是常用的设计方法，也就是自下而上的设计方法。 草图绘制从零件文件开始，对于一个新的产品设计，要首先建立零件文件。 由于零件、装配体及工程图的相关性，所以当其中一个视图改变时，其他两个视图也会自动改变。 Solidworks2014允许自定义功能,选择菜单栏中的“工具”-“选择”命令,可以显示.定义”系统选项”和”文件属性”选项卡. Solidworks2014可以自动保存工作.自动恢复功能可以自动保存零件,装配体或工程图文件的信息,在系统死机时不会丢失数据.如果设定此选项,则选择”工具”_”选项”菜单命令.在”系统选项”选项卡上,单击”备份”选项,选择”每(n)次更改后,自动恢复信息”复选框,然后设定信息自动保存前应发生的变更次数. Solidworks2014具有很强的文件交换功能,可以输入,输出数十种文件格式,可以与AutoCAD，pro/ENGINEER,Solid Edge,CAM等软件很方便地进行文件交换。 Solidworks2014在草图绘制模式及工程图中提供显示网格线和捕捉网格线功能。可将网格线与模型边线对齐，还可捕捉到角度。网格线和捕捉功能在Solidworks2014中不太使用，因为SolidWorks是参变量软件，尺寸和几何关系已提供了所需的精度。 4.2 零件建模 4.2.1阶梯轴三维建模的形成 在SolidWorks中，阶梯轴的形成比较容易实现，通过拉伸、旋转等指令，阶梯轴的三维模型如图4-1所示。 图4-1 阶梯轴三维图 4.2.2 底盘的三维建模形成 由于底盘的三维模型比较复杂，运用了拉伸，切除，圆角，等特征，形成底盘的三维模型。如图4-2所示 图4-2 底盘三维图 4.2.3其他零件的三维模型造型 另外，SolidWorks里toolbox里包含了各种传动件，螺栓，螺母，螺钉，轴承等数据，可直接调用输入自己参数即可。 轴承的建模，从toolbox中选择轴承，滚动轴承如图4-3所示 图4-3 添加轴承 由于控制模块的三维模型比较复杂，运用了拉伸，圆角，阵列,切除等特征，形成背拉杆的三维模型。如图4-4所示 图4-4 背拉杆的三维建模 其它零部件的三维建模这里就不一一描述 4.3零件装配 零件设计好了，可以将其在组建模式下通过一定的方式组合在一起，从而造成一个组件或完整产品模型。 零件装配需要在专门的组件设计模式下进行。在Solidworks2014 中，可以按照以下步骤来创建一个组件设计文件： 单击新建按钮，打开“新建”对话框。 在“类型”选项组中选择“组件”单选按钮，在“子类型”选项组中寻则“设计”单选按钮，在“名称”文本框中输入组件名称，清除“使用缺省模板”复选框，然后单击“确定”按钮。 弹出“新建文件选项”对话框。从“模板”选项组的列表框中选择“mmns _SLDASM_design”，单击“确定”按钮。 在组件设计中（装配设计），主要有两种主流设计思路，即自底向上设计和自顶而下设计。通俗一点而言，前者是将已设计好的零部件按照一定的装配方式添加到装配体中；而后者则是从顶层的产品结构着手，由顶层的产品结构传递设计规范到所有相关子系统，从而有利于高效地对整个设计流程项目进行协作管理。 在组件设计模式下，系统允许采用多种方法将元件添加到组件，包括使用放置定义集（简称约束集）和使用元件界面自动放置等。通常元件放置根据放置定义集而定，这些集合决定了元件与组件的相关方式及位置，这些集既可以是由用户定义的，也可以是预定义的。用户定义的约束集含有0个或多个约束；预定义约束集（也叫连接）具有预定义数目的约束。 约束放置是较为常用的装配方式。在 Solidworks2014元件放置操控板的约束列表框中，提供了多种放置约束的类型选项，包括缺省、固定、曲面上的边、曲面上的点、直线上的点、相切、坐标系、插入、匹配、对其、和自动。 在使用约束放置选项时，需要注意约束放置的一般原则及注意事项。例如，“匹配”约束或“对齐”约束的一组参照的类型要相同（平面对平面、旋转对旋转、点对点、轴对轴）；一次只能添加一个也是，譬如不能使用一个单一的“匹配”约束选项将一个零件上的两个不同的平面与另一个零件上的两个不同的平面配对，二必须定义两个单独的“匹配”约束；元件的装配需要定义放置约束集，放置约束集由若干个放置约束构成，用来组合定义元件的放置和方向。 装配通过一个中心线重合，面重合或给定距离来配合圆弧曲面的零件。首先进行部装，在得到苗间锄草机器人的装配图，总装配图见下图4-5所示： 图4-5 苗间锄草机器人三维装配体 4.4三维向二维的转换 SolidWorks作为一套功能强大的计算机辅助绘图和设计软件，可以建立零件的三维实体图，三维装配体图及二维工程图，且大多数生产一线的工程技术人员对二维绘图软件，如autocad，caxa电子图版，等更加熟悉，而且二维软件在绘制，尤其是标注装配体，零件图时，具有独特的优势。所以，充分利用SolidWorks和二维图之间的转换，把SolidWorks自动生成的工程视图与二维软件的标注结合起来，达到“以二维之长补三维之短”的目的。一下是三维建模生成二维工程图的详细过程。 在SolidWorks中生成二维工程图。在SolidWorks中的新建模板中，新建一个工程图模板，打开工程图工具条，在工程图工具条中点击“新建”按钮，并在作图区域中单击右键，“从文件中选择”，确认要生成工程图的三维模型，并选择要形成工程图的视图方向；在绘制区域内单击左键，以确定图形位置，单击“确定，完成工程图的绘制，并将其保存为“dwg/dxf”格式的文件。如图4-7所示 图4-7新建工程 选用标准图纸，或自定义图纸大小，如图4-8所示 图4-8 选择图纸 打开需要生成工程图的零件，并将其拖入此工程图。左键确定位置，继续移动鼠标，会显示鼠标移动方向的视图。从而确定所需工程图，此外，还可通过上方的工具来分析剖视图。也可标注此装配体的零件及其名称。因此图还将在CAD中修改，最后得到的工程图如图4-9所示： 图4-9 锄草机器人工程图 第五章 苗间锄草机器人的仿真 5.1机构仿真的作用 利用SOLIDWORKS软件建立的机械系统的三维模型和力学模型， 在计算机上创建机械产品的电子样机，并对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，在预测分析过程中发现问题，进而改进产品的设计，直至获得最佳设计方案。 5.2机构仿真类型 1、运动学仿真。 2、动力学仿真。 3、控制理论仿真。 5.3机构运动仿真步骤 1、创建零件模型。使用各种特征创建工具创建模型。 2、组装零件模型。使用装配命令，组装零件模型，生成连接。 3、运动仿真设置。按产品要求进行运动定义。 4、仿真结果分析。对仿真结果进行分析保存。 5.4 机构功能 1、 打开装配体，在界面中单击动画1，将所有时间归零，然后界定时间。 2、单击动画弹出“分析”对话框→点击“新建”→接受默认的名称→选择分析类型为“运动学”→输入运行时间为20→接受下面所有默认的选项→点击“运行”→运行完后确定→回到“分析”对话框→关闭。 3、点击进入“回放”对话框→继续按→弹出“动画”对话框→按播放，察看运动情况 4、最后对机构运动进行保存得到的动画截图如图5-1所示。 图5-1 锄草小车动画 5.5 本章小结 本章主要利用Solidworks2014中动画仿真功能，完成苗间锄草机器人的动画仿真，动画仿真能够更加直观的了解机构的工作过程。 第六章 结论 6.1 本论文所取得的结果 1、完成了苗间锄草机器人了本体结构方案设计。 2、根据苗间锄草机器人的设计要求完成了苗间锄草机器人整体方案的设计 3、最后，运动三维软件SOLIDWORKS完成整体的三维装配。 4、完成苗间锄草机器人的动画仿真。 6.2 技术展望 此次多功能苗间锄草机器人的设计不仅重温了过去所学知识，而且学到了很多新的内容。相信这次毕业设计对我今后的工作会有一定的帮助。所以，我很用心的把它完成。在设计中体味艰辛，在艰辛中体味快乐。 通过本次设计我可以更加系统的了解多功能苗间锄草机器人方面的知识；能够加强多功能苗间锄草机器人结构设计能够加强多功能苗间锄草机器人功能部件的选型和设计计算；能够加强多功能苗间锄草机器人的方法和理论；能够检验自己能否将四年学习的理论知识转化为实际应用；能够培养自己自学和与人合作的能力。 这次设计不但锻炼我的思维能力，还锻炼我的查阅资料获取有用信息的能力，通过绘制设计图纸，使我熟练的掌握了CAD和SOLIDWORKS绘图软件的使用，我把自己的理论用到实际当中去，在设计过程当中遇到的各种困难，我通过思考和咨询同学和全老师获得了多解决问题的方法和方式。 毕业设计的过程是艰辛的，解决问题的过程是快乐的，成长过程是痛苦的，我相信只要我们保持严谨的学习态度，我一定能够成长起来。 参考文献 [1] 熊滨生. 现代机械机构设计. 北京：化学工业出版社，2004 [2] 张晓玲，沈韶华. 实用机构设计分析. 北京：北京航空航天大学出版社，2005 [3] 吴宗泽. 机械设计实用手册. 北京：化学工业出版社，2004，773-779，2626-2627 [4] 成大先. 机械设计手册. 第四版第五卷. 北京：化学工业出版社，2005， [5] 吴宗泽. 机械设计师手册（下册). 北京：机械工业出版社，2004，1309-1317 [6] 程友联. 机械原理．北京：中国农业出版社，2007，136-137 [7] 孙桓，陈作模，葛文杰. 机械原理．北京：高等教育出版社，2001，240-244 [8] 徐灏. 机械设计手册第二版第三卷. 北京：机械工业出版社，2000，26-5 [9] 濮良贵，纪名刚. 机械设计第七版. 北京：高等教育出版社，2001，390-402 [10] 陆玉，何在洲，佟庭伟. 机械设计课程设计. 北京：机械工业出版社，2000，126-127 [11] 曹国安，毕宝庆，沈维蕾，等. 机械设计与制造. 北京：机械工业出版社 2001，39-40 [12] 周伟平. 机械制造技术. 武汉：华中科技大学出版社，2002，84-103 [13]王贤坤，机械CAD/CAM技术、应用与开发.北京:机械工业出版社，2000. 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