多功能农用机器人底盘结构设计.pdf

2021年 1期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 多功能农用机器人底盘结构设计 陈嘉 辉 单超杰 陈 鋆 辉 蒋 帆 浙江 同济 科技 职 业学院 浙江杭州 311231 1系统设计 1 1整 体 设计 多 功能 农用 机 器 人 以 下简 称 机 器 人 可 用 于 小 型 果 实 采 摘 自 动 播种等 工作 结构 主 要 由执 行 系统 驱 动 系 统 控 制 系统 及 检测 系统 组 成 执 行 系统是 机 器 人 完成 抓 取 行 走 等各种 运动 所 必 需 的 机 械 部 件 它 包括 机 械手末 端 机 械臂 机 身 底 座 和 行 走轮 系 机 构等 驱 动 系统为 执 行 系统的 各 个 部 件 提 供 必 要的 动 力 用 以 驱 动 其 动 力 的 装 置 它 包括 电 机 及 机 械 传 动 部分 控 制 系统 能 对 驱 动 系统 进行 控 制 使 执 行 系统 按照 规 定 的要 求完成动 作 同时 提 供预 警 系统 对 故 障 和 错 误 进行 提 示 提 醒 检测 系统是 通 过 各种 传 感器 对 执 行 机 构 的 运动 情 况 进行 检测 并 将 结 果 反馈给控 制 系统 结 果 数据与 设定 值进行 比 较 以保 证 机 器 人 的 运动 符 合 设定 要 求 另 外 机 器 人 还 设 有 配 重系统 由 于 其 本 体 的 自 重和 载 重 较 大 使 得 机 体 运动 惯 性 较 大 为 使 小臂 接 近静 平 衡 将 伺服 电 机 及 组 件 机 械轮组 等 大 质 量 零 部 件 布 置 在 机 械臂 的 另 一 端 机 器 人 由 本 体 与 夹 持 臂 两 部分 组 成 考虑 到 机 器 人 的 承 重 能 力 在本 体 的 底 盘 主 体 采 用 铝 合 金板 重 叠 组装 以 及在 与 下 方 的 储 物 箱连 接 方 面采 用 小 支杆连 接 既 起 到了 支撑 作用 同时也 为 储 物 箱 的 挪 动 范围 起 到了一个 限 位 作 用 本 体 下 方 配 有 滚轴 装 置 其 特 点 是 摩擦阻 力 小 易 起 动 功 率 消 耗小 机 械 效 率 高 同时 其 轴承 性 能 对 载荷 速 度和 运 行速 度的 波 动 相对 不 敏 感 滚轴 后方 装 置 一个 储 物 箱 可以 用 来存储 植物 种 子 当 机 器 人 检测 到 下 方 为 规 定 播种 区 则 会用 滚轴 进行种 子 的 播种 工作 机 械手 能 自 动 对 果 实进行分类 将成 熟 的 果 实分 成 一 类 未 成 熟 的 分 为 一 类 无 法 识 别 的 果 实 则 标 记 等 待 用 户 进行 筛选 通 过机 械手 自 动 识 别 后 会 自 动将 果 实 采 摘 下 来 放 置 在 边 上 机 械手 采 用 3个 舵 机 控 制 让 机 械臂 做 到 全 方位 地 夹 取 同 时 考虑 到 机 械手 夹 取 物件 的 承 重 本 机 在 机 械手 底 部 舵 机 连 接 处 增 加 了 环 形 滚 动 块 做 到了一个 分 力 支撑 减 少 了 舵 机 本身 的重量 负载 以及 优 化了 机 械臂 转动 的 流 畅 度 车 轮 方 面 选 用 万像 减 震 轮 作为前 车 轮 做 到 控 制 方 便 滚 摘 要 对 多 功 能 农用 机器人底盘 结 构 进 行 了 设计 改 进 根 据 机器人运动 方 式及其差速转弯 的 特 性 设计 了多 功 能 农用 机 器人底盘 的 结 构 建立 了 有限元 结 构模型 并 通过分析 优 化了 底盘 结 构 使 多 功 能 农用 机器人 在 工作 中 能够 快 速地运动转 向 并且 优 化了 承载 能 力 关键词 底盘 结 构 多 功 能 农用 机器人 模型仿真 中图分类号 TP242 文献标志码 A 文章编号 2096 9902 2021 01 0036 03 Abstract Thechassisstructureofamultifunctionalagriculturalrobotwasresignedandimproved Accordingtothechar acteristicsofdifferential speedturningoftherobot thechassisstructureofthemultifunctionalagriculturalrobotisdesigned Thefiniteelementstructuremodelisestablished andthechassisstructureisoptimizedthroughanalysis Themulti functional agriculturalrobotcanquicklyturnduringwork anditsbearingcapacityisoptimized Keywords chassisstructure multi functional agriculturalrobot modelsimulation 基金项目 浙江省中华职业教育科研项目 编号 ZJCVC37 通讯作者 蒋帆 1984 女 硕 士 副教授 专 业 部主 任 研究方向 农用 机械装备 图 1 整体 结 构 图 36 2021年 1期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 表 1合金钢材料具体 分析 图 3 转 向 运动模型 轴零 件 方 面 分 为 3D打 印 件 滚筒 以及 天 然 橡胶材 质 的 软 滚 筒 做 到 针 对 不 同 种 子 都可以进行 高效 播种 1 2转 向 结构 设计 机 器 人 的前 轮 采 用了一个 滚珠 式 全 向 移 动 轮 后 轮 为 驱 动 轮 采 用 直 流 电 机 驱 动 提 供 机 体 主 要前 进 动 力 机 器 人通 过 后 侧两 个 驱 动 轮 与前 端 一个 全 向 轮组 成 了一个 稳 固 的 三角 形 力 学 结构 为 机 器 人 整 体 提 供 了 可 靠 的 承载 能 力 在 转 向 方 面采 用的是 两 个 独立 的 直 流 电 机 驱 动 轮 进行 正 反 转 和 差 速 转 向 控 制 达 到 多 功能 农用 机 器 人在 转 向 方 面 的 灵 活 与 快速 以及在多 功能 农用 机 器 人 工作 时也能 够 达 到 多 级 调 速 针 对 不 同 的工作 环 境 改 变 不 同 的 运动 速 度 以 到 达 理 想 的工作效 果 图 2底 部 转 向 机构 2驱动轮差速转向运动模型及分析 机 器 人 的 底架 由 后 侧两 个 驱 动 轮 和前 端 一个 万 向 轮 组 成 直 流 电 机 通 过 减 速 器 直接 驱 动 驱 动 轮 驱 动 电 机 正 反 转 带 动机 器 人 前 进 和 后 退 通 过 其 左右 电 机 的 旋 转转 速 差 实 现机 器 人 的 转 向 样 机采 用 额 定功 率 1 3W 额 定 电 压 6V 额 定转 速 1280r min 减 速 比 为 6 25 电 流 为 1A的 直 流 减 速 电 机 驱 动 其 动 力 源 由 两 个 12V的 锂 电 池串 联 组 成 图 3是一个 简 化的 多 功能 农用 机 器 人 的 转 向 运动 模型 假 设 直接电 机 驱 动 轮 相对 于 地 面 只做纯滚 动 由 机 器 人 的 运 动 学 原 理 分析可 知 V V r V l 2 1 V r V l D 2 式 中 V为 机 器 人 的 瞬 时 线 速 度 为 横摆角 速 度 V r 为 右 轮 线 速 度 V l 为 左 轮 线 速 度 D为 驱 动 轮 的 轮 距 令 机 器 人 的 转 弯 半 径 为 R 则 有 R V D V r V l 2 V r V l 3 分析可 得 机 器 人 的 运动 状 态 有 三 种 分 别 是 1 当 V r V l 0且 V r V l 0时 机 器 人 线 速 度 V V r V l 横摆角 速 度 0 转 弯 半 径 R 此 时 机 器 人 做 直 线 运动 2 当 V r V l 时 机 器 人 线 速 度 V 0 横摆角 速 度 2V r D 转 弯 半 径 R 0 表示 机 器 人 原 地 转 弯 3 当 V r V l 0且 V r V l 0时 机 器 人 线 速 度 V V r V l 2 角 速 度 V r V l D 转 弯 半 径 R D V r V l 2 V r V l 表 明 机 器 人 围绕某 一 圆 心 做 半 径 为 R的 转 弯 运动 多 功能 农用 机 器 人可以通 过 arduinomega2560开 发 板 进行 控 制 与 调 节 达 到 直 线 运动 转 向 以及 转 圈 等多 种 运动 3静应力分析及结构改进 机 器 人 的 整 体 结构 材 质 由 合 金 钢 组 成 在 最 初 的 材 料 选 择 方 面 有合 金 钢 和 铝 合 金两 个 方 面 的 选 择 虽 然从 经 济 效应 上 说 铝 合 金 的 价 格 要 比 合 金 钢 低 但是 考虑 到 多 功能 农用 机 器 人 的 整 体 承 重 力 在使 用 寿命 以及 耐磨 程度 上 要 比 铝 合 金 高 可以 适应的 环 境也 多 考虑 到 多 功能 农用 机 器 人 的 功能 性 合 金 钢 比 铝 合 金 要 更 加 耐腐蚀 安 全 性 也 更 高 属性 数值 单位 弹性模量 2 1e 11 N m 2 中泊松比 0 28 不适用 中抗剪模量 7 9e 10 N m 2 质量密度 7700 张力强度 723825600 屈服强度 620422000 N m 2 热膨胀系数 1 3e 05 K 热导率 50 W m K 比热 460 J kg K 37 2021年 1期 大数据与人工智能 智慧农业导刊 JournalofSmartAgriculture 涉 农 企 业 大数据 企 业和农业生产 经 营 主 体 多方 合 力 共 同 推进 农业大数据的 示 范 与 推广 参考文献 1 张妮 刘铸德 微 信 小 程 序 在 互联网 农业 中的应用 探 析 J 广西 农 学报 2019 34 2 42 45 2 孙洪民 基 于大数据的 智慧 农业 物 联网 系统研究 J 南 方 农 机 2019 50 23 83 3 郭广礼 农业大数据在 智慧 农业中的应用 探讨 J 农业 工 程 技术 2019 39 33 64 65 4 周万献 大数据在农业领域 发展 与运 用 分析 J 南 方 农业 2019 13 35 155 156 5 于 超 张哲 罗建军 等 基 于 微 信 小 程 序 的农业 精准扶贫 信 息 平台研究 以湖南省 农业 科 学 院 对 口 扶贫 点 为 例 J 湖 南 农业 科 学 2019 10 93 95 6 王 一 鹤 杨飞 王卷乐 等 农业大数据 研究 与 应用进 展 J 中 国农业信息 2018 30 4 48 56 7 孙 忠富 杜克 明 郑飞翔 等 大数据在 智慧 农业中 研究 与 应 用 展 望 J 中国农业 科 技 导 报 2018 15 6 63 71 8 张 浩然 李 中 良 邹腾飞 等 农业大数据 综述 J 计 算 机 科 学 2017 41 S2 387 392 9 温孚江 农业大数据 研究 的 战 略 意义 与 协 同 机 制 J 高 等 农 业 教 育 2019 11 3 6 10 许 世卫 农业大数据 与 农 产品 监测预警 J 中国农业 科 技 导 报 2018 16 5 14 20 11 李道亮 杨昊 农业 物 联网技术 研究 进 展 与 发展 趋势 分析 J 农业 机械学报 2019 49 1 1 20 12 李秀峰 陈 守 合 郭 雷风 大数据时代农业信息 服务 的技术 创新 J 中国农业 科 技 导 报 2018 16 4 10 15 13 王 文生 郭 雷风 农业大数据 及其 应用 展 望 J 江苏 农业 科 学 2017 43 9 1 5 14 孟祥宝 谢秋波 刘 海 峰 等 农业大数据应用 体 系 架 构 和 平台 建 设 J 广 东 农业 科 学 2018 41 14 173 178 采 用 solidworks进行 上 底 座 的 底 盘 受 力 分析 负载 强 度 约 5kg 考虑 到 极 限 的 材 料受 力 应 力 测 试 分析 约 为 49N 在 最 初 的 仿 真 模 拟 中 发 现 在 机 器 人 的 底 板 结构 承 重 能 力 较 差 重 力 支撑 点 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 数量 在 一些 受 力 薄弱 的地 方 增 加 了 承 重 板 机 器 人 的 受 力 中心 在 手 爪 以及 机 器 人 中心 所 以 改 进后 的 方 案 是 在 最 底 下 的一个 舵 机 框架 上 增 加 承 重的 铜柱 让 整 个 机 械手臂 的 力 能 够 集 中 在 中心然 后通 过 加 厚 的合 金板 均 匀 的 分 散 到 全 向 轮 以及 驱 动 轮 4结束语 本 文 在基 础 的农用 机 器 人 上 添 加 了 其 他 的 多 功能 模 块 并 且 研究 多 功能 农用 机 器 人 的 转 向 结构 再 通 过 多种 数据的对 比 以及结构 的 优 化 选 用 差 速 运动 模型 演 示 让 多 功能 农用 机 器 人在 工作 中 能 够 快速 的 运动转 向 并 且 优 化了 承载 能 力 参考文献 1 程 颖 刘 安 高升华 等 轮 式机器人底盘 的应 力 应 变 分析 J 科 学 技术 创新 2020 34 169 170 2 宛俊 机器人机械 结 构 设计 J 科 学 技术 创新 2021 2 157 159 3 叶日鸿 周 梓达 林泽润 等 一 种轨道 式 巡检 机器人底盘 的 设 计 与 实现 J 机械 2020 47 10 74 81 4 刘 勇 吕 艳 辉 白云裳 三轮 全向 轮 机器人底盘 控制 与 分析 J 中 国 新 通 信 2019 21 16 143 图 4 最 初 压 力 分析图 图 5 改 进 结 构 后 分析图 上接 35页 38