2021年 1期 大數(shù)據(jù)與人工智能 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 多功能農用機器人底盤結構設計 陳嘉 輝 單超杰 陳 鋆 輝 蔣 帆 浙江 同濟 科技 職 業(yè)學院 浙江杭州 311231 1系統(tǒng)設計 1 1整 體 設計 多 功能 農用 機 器 人 以 下簡 稱 機 器 人 可 用 于 小 型 果 實 采 摘 自 動 播種等 工作 結構 主 要 由執(zhí) 行 系統(tǒng) 驅 動 系 統(tǒng) 控 制 系統(tǒng) 及 檢測 系統(tǒng) 組 成 執(zhí) 行 系統(tǒng)是 機 器 人 完成 抓 取 行 走 等各種 運動 所 必 需 的 機 械 部 件 它 包括 機 械手末 端 機 械臂 機 身 底 座 和 行 走輪 系 機 構等 驅 動 系統(tǒng)為 執(zhí) 行 系統(tǒng)的 各 個 部 件 提 供 必 要的 動 力 用 以 驅 動 其 動 力 的 裝 置 它 包括 電 機 及 機 械 傳 動 部分 控 制 系統(tǒng) 能 對 驅 動 系統(tǒng) 進行 控 制 使 執(zhí) 行 系統(tǒng) 按照 規(guī) 定 的要 求完成動 作 同時 提 供預 警 系統(tǒng) 對 故 障 和 錯 誤 進行 提 示 提 醒 檢測 系統(tǒng)是 通 過 各種 傳 感器 對 執(zhí) 行 機 構 的 運動 情 況 進行 檢測 并 將 結 果 反饋給控 制 系統(tǒng) 結 果 數(shù)據(jù)與 設定 值進行 比 較 以保 證 機 器 人 的 運動 符 合 設定 要 求 另 外 機 器 人 還 設 有 配 重系統(tǒng) 由 于 其 本 體 的 自 重和 載 重 較 大 使 得 機 體 運動 慣 性 較 大 為 使 小臂 接 近靜 平 衡 將 伺服 電 機 及 組 件 機 械輪組 等 大 質 量 零 部 件 布 置 在 機 械臂 的 另 一 端 機 器 人 由 本 體 與 夾 持 臂 兩 部分 組 成 考慮 到 機 器 人 的 承 重 能 力 在本 體 的 底 盤 主 體 采 用 鋁 合 金板 重 疊 組裝 以 及在 與 下 方 的 儲 物 箱連 接 方 面采 用 小 支桿連 接 既 起 到了 支撐 作用 同時也 為 儲 物 箱 的 挪 動 范圍 起 到了一個 限 位 作 用 本 體 下 方 配 有 滾軸 裝 置 其 特 點 是 摩擦阻 力 小 易 起 動 功 率 消 耗小 機 械 效 率 高 同時 其 軸承 性 能 對 載荷 速 度和 運 行速 度的 波 動 相對 不 敏 感 滾軸 后方 裝 置 一個 儲 物 箱 可以 用 來存儲 植物 種 子 當 機 器 人 檢測 到 下 方 為 規(guī) 定 播種 區(qū) 則 會用 滾軸 進行種 子 的 播種 工作 機 械手 能 自 動 對 果 實進行分類 將成 熟 的 果 實分 成 一 類 未 成 熟 的 分 為 一 類 無 法 識 別 的 果 實 則 標 記 等 待 用 戶 進行 篩選 通 過機 械手 自 動 識 別 后 會 自 動將 果 實 采 摘 下 來 放 置 在 邊 上 機 械手 采 用 3個 舵 機 控 制 讓 機 械臂 做 到 全 方位 地 夾 取 同 時 考慮 到 機 械手 夾 取 物件 的 承 重 本 機 在 機 械手 底 部 舵 機 連 接 處 增 加 了 環(huán) 形 滾 動 塊 做 到了一個 分 力 支撐 減 少 了 舵 機 本身 的重量 負載 以及 優(yōu) 化了 機 械臂 轉動 的 流 暢 度 車 輪 方 面 選 用 萬像 減 震 輪 作為前 車 輪 做 到 控 制 方 便 滾 摘 要 對 多 功 能 農用 機器人底盤 結 構 進 行 了 設計 改 進 根 據(jù) 機器人運動 方 式及其差速轉彎 的 特 性 設計 了多 功 能 農用 機 器人底盤 的 結 構 建立 了 有限元 結 構模型 并 通過分析 優(yōu) 化了 底盤 結 構 使 多 功 能 農用 機器人 在 工作 中 能夠 快 速地運動轉 向 并且 優(yōu) 化了 承載 能 力 關鍵詞 底盤 結 構 多 功 能 農用 機器人 模型仿真 中圖分類號 TP242 文獻標志碼 A 文章編號 2096 9902 2021 01 0036 03 Abstract Thechassisstructureofamultifunctionalagriculturalrobotwasresignedandimproved Accordingtothechar acteristicsofdifferential speedturningoftherobot thechassisstructureofthemultifunctionalagriculturalrobotisdesigned Thefiniteelementstructuremodelisestablished andthechassisstructureisoptimizedthroughanalysis Themulti functional agriculturalrobotcanquicklyturnduringwork anditsbearingcapacityisoptimized Keywords chassisstructure multi functional agriculturalrobot modelsimulation 基金項目 浙江省中華職業(yè)教育科研項目 編號 ZJCVC37 通訊作者 蔣帆 1984 女 碩 士 副教授 專 業(yè) 部主 任 研究方向 農用 機械裝備 圖 1 整體 結 構 圖 36 2021年 1期 大數(shù)據(jù)與人工智能 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 表 1合金鋼材料具體 分析 圖 3 轉 向 運動模型 軸零 件 方 面 分 為 3D打 印 件 滾筒 以及 天 然 橡膠材 質 的 軟 滾 筒 做 到 針 對 不 同 種 子 都可以進行 高效 播種 1 2轉 向 結構 設計 機 器 人 的前 輪 采 用了一個 滾珠 式 全 向 移 動 輪 后 輪 為 驅 動 輪 采 用 直 流 電 機 驅 動 提 供 機 體 主 要前 進 動 力 機 器 人通 過 后 側兩 個 驅 動 輪 與前 端 一個 全 向 輪組 成 了一個 穩(wěn) 固 的 三角 形 力 學 結構 為 機 器 人 整 體 提 供 了 可 靠 的 承載 能 力 在 轉 向 方 面采 用的是 兩 個 獨立 的 直 流 電 機 驅 動 輪 進行 正 反 轉 和 差 速 轉 向 控 制 達 到 多 功能 農用 機 器 人在 轉 向 方 面 的 靈 活 與 快速 以及在多 功能 農用 機 器 人 工作 時也能 夠 達 到 多 級 調 速 針 對 不 同 的工作 環(huán) 境 改 變 不 同 的 運動 速 度 以 到 達 理 想 的工作效 果 圖 2底 部 轉 向 機構 2驅動輪差速轉向運動模型及分析 機 器 人 的 底架 由 后 側兩 個 驅 動 輪 和前 端 一個 萬 向 輪 組 成 直 流 電 機 通 過 減 速 器 直接 驅 動 驅 動 輪 驅 動 電 機 正 反 轉 帶 動機 器 人 前 進 和 后 退 通 過 其 左右 電 機 的 旋 轉轉 速 差 實 現(xiàn)機 器 人 的 轉 向 樣 機采 用 額 定功 率 1 3W 額 定 電 壓 6V 額 定轉 速 1280r min 減 速 比 為 6 25 電 流 為 1A的 直 流 減 速 電 機 驅 動 其 動 力 源 由 兩 個 12V的 鋰 電 池串 聯(lián) 組 成 圖 3是一個 簡 化的 多 功能 農用 機 器 人 的 轉 向 運動 模型 假 設 直接電 機 驅 動 輪 相對 于 地 面 只做純滾 動 由 機 器 人 的 運 動 學 原 理 分析可 知 V V r V l 2 1 V r V l D 2 式 中 V為 機 器 人 的 瞬 時 線 速 度 為 橫擺角 速 度 V r 為 右 輪 線 速 度 V l 為 左 輪 線 速 度 D為 驅 動 輪 的 輪 距 令 機 器 人 的 轉 彎 半 徑 為 R 則 有 R V D V r V l 2 V r V l 3 分析可 得 機 器 人 的 運動 狀 態(tài) 有 三 種 分 別 是 1 當 V r V l 0且 V r V l 0時 機 器 人 線 速 度 V V r V l 橫擺角 速 度 0 轉 彎 半 徑 R 此 時 機 器 人 做 直 線 運動 2 當 V r V l 時 機 器 人 線 速 度 V 0 橫擺角 速 度 2V r D 轉 彎 半 徑 R 0 表示 機 器 人 原 地 轉 彎 3 當 V r V l 0且 V r V l 0時 機 器 人 線 速 度 V V r V l 2 角 速 度 V r V l D 轉 彎 半 徑 R D V r V l 2 V r V l 表 明 機 器 人 圍繞某 一 圓 心 做 半 徑 為 R的 轉 彎 運動 多 功能 農用 機 器 人可以通 過 arduinomega2560開 發(fā) 板 進行 控 制 與 調 節(jié) 達 到 直 線 運動 轉 向 以及 轉 圈 等多 種 運動 3靜應力分析及結構改進 機 器 人 的 整 體 結構 材 質 由 合 金 鋼 組 成 在 最 初 的 材 料 選 擇 方 面 有合 金 鋼 和 鋁 合 金兩 個 方 面 的 選 擇 雖 然從 經(jīng) 濟 效應 上 說 鋁 合 金 的 價 格 要 比 合 金 鋼 低 但是 考慮 到 多 功能 農用 機 器 人 的 整 體 承 重 力 在使 用 壽命 以及 耐磨 程度 上 要 比 鋁 合 金 高 可以 適應的 環(huán) 境也 多 考慮 到 多 功能 農用 機 器 人 的 功能 性 合 金 鋼 比 鋁 合 金 要 更 加 耐腐蝕 安 全 性 也 更 高 屬性 數(shù)值 單位 彈性模量 2 1e 11 N m 2 中泊松比 0 28 不適用 中抗剪模量 7 9e 10 N m 2 質量密度 7700 張力強度 723825600 屈服強度 620422000 N m 2 熱膨脹系數(shù) 1 3e 05 K 熱導率 50 W m K 比熱 460 J kg K 37 2021年 1期 大數(shù)據(jù)與人工智能 智慧農業(yè)導刊 JournalofSmartAgriculture 涉 農 企 業(yè) 大數(shù)據(jù) 企 業(yè)和農業(yè)生產 經(jīng) 營 主 體 多方 合 力 共 同 推進 農業(yè)大數(shù)據(jù)的 示 范 與 推廣 參考文獻 1 張妮 劉鑄德 微 信 小 程 序 在 互聯(lián)網(wǎng) 農業(yè) 中的應用 探 析 J 廣西 農 學報 2019 34 2 42 45 2 孫洪民 基 于大數(shù)據(jù)的 智慧 農業(yè) 物 聯(lián)網(wǎng) 系統(tǒng)研究 J 南 方 農 機 2019 50 23 83 3 郭廣禮 農業(yè)大數(shù)據(jù)在 智慧 農業(yè)中的應用 探討 J 農業(yè) 工 程 技術 2019 39 33 64 65 4 周萬獻 大數(shù)據(jù)在農業(yè)領域 發(fā)展 與運 用 分析 J 南 方 農業(yè) 2019 13 35 155 156 5 于 超 張哲 羅建軍 等 基 于 微 信 小 程 序 的農業(yè) 精準扶貧 信 息 平臺研究 以湖南省 農業(yè) 科 學 院 對 口 扶貧 點 為 例 J 湖 南 農業(yè) 科 學 2019 10 93 95 6 王 一 鶴 楊飛 王卷樂 等 農業(yè)大數(shù)據(jù) 研究 與 應用進 展 J 中 國農業(yè)信息 2018 30 4 48 56 7 孫 忠富 杜克 明 鄭飛翔 等 大數(shù)據(jù)在 智慧 農業(yè)中 研究 與 應 用 展 望 J 中國農業(yè) 科 技 導 報 2018 15 6 63 71 8 張 浩然 李 中 良 鄒騰飛 等 農業(yè)大數(shù)據(jù) 綜述 J 計 算 機 科 學 2017 41 S2 387 392 9 溫孚江 農業(yè)大數(shù)據(jù) 研究 的 戰(zhàn) 略 意義 與 協(xié) 同 機 制 J 高 等 農 業(yè) 教 育 2019 11 3 6 10 許 世衛(wèi) 農業(yè)大數(shù)據(jù) 與 農 產品 監(jiān)測預警 J 中國農業(yè) 科 技 導 報 2018 16 5 14 20 11 李道亮 楊昊 農業(yè) 物 聯(lián)網(wǎng)技術 研究 進 展 與 發(fā)展 趨勢 分析 J 農業(yè) 機械學報 2019 49 1 1 20 12 李秀峰 陳 守 合 郭 雷風 大數(shù)據(jù)時代農業(yè)信息 服務 的技術 創(chuàng)新 J 中國農業(yè) 科 技 導 報 2018 16 4 10 15 13 王 文生 郭 雷風 農業(yè)大數(shù)據(jù) 及其 應用 展 望 J 江蘇 農業(yè) 科 學 2017 43 9 1 5 14 孟祥寶 謝秋波 劉 海 峰 等 農業(yè)大數(shù)據(jù)應用 體 系 架 構 和 平臺 建 設 J 廣 東 農業(yè) 科 學 2018 41 14 173 178 采 用 solidworks進行 上 底 座 的 底 盤 受 力 分析 負載 強 度 約 5kg 考慮 到 極 限 的 材 料受 力 應 力 測 試 分析 約 為 49N 在 最 初 的 仿 真 模 擬 中 發(fā) 現(xiàn) 在 機 器 人 的 底 板 結構 承 重 能 力 較 差 重 力 支撐 點 少 容 易 造 成下 基 板 的 底 座 塌陷 在 研究 改 良 后 增 加 了 底 板 的合 金板 厚 度 以及 數(shù)量 在 一些 受 力 薄弱 的地 方 增 加 了 承 重 板 機 器 人 的 受 力 中心 在 手 爪 以及 機 器 人 中心 所 以 改 進后 的 方 案 是 在 最 底 下 的一個 舵 機 框架 上 增 加 承 重的 銅柱 讓 整 個 機 械手臂 的 力 能 夠 集 中 在 中心然 后通 過 加 厚 的合 金板 均 勻 的 分 散 到 全 向 輪 以及 驅 動 輪 4結束語 本 文 在基 礎 的農用 機 器 人 上 添 加 了 其 他 的 多 功能 模 塊 并 且 研究 多 功能 農用 機 器 人 的 轉 向 結構 再 通 過 多種 數(shù)據(jù)的對 比 以及結構 的 優(yōu) 化 選 用 差 速 運動 模型 演 示 讓 多 功能 農用 機 器 人在 工作 中 能 夠 快速 的 運動轉 向 并 且 優(yōu) 化了 承載 能 力 參考文獻 1 程 穎 劉 安 高升華 等 輪 式機器人底盤 的應 力 應 變 分析 J 科 學 技術 創(chuàng)新 2020 34 169 170 2 宛俊 機器人機械 結 構 設計 J 科 學 技術 創(chuàng)新 2021 2 157 159 3 葉日鴻 周 梓達 林澤潤 等 一 種軌道 式 巡檢 機器人底盤 的 設 計 與 實現(xiàn) J 機械 2020 47 10 74 81 4 劉 勇 呂 艷 輝 白云裳 三輪 全向 輪 機器人底盤 控制 與 分析 J 中 國 新 通 信 2019 21 16 143 圖 4 最 初 壓 力 分析圖 圖 5 改 進 結 構 后 分析圖 上接 35頁 38