【《草莓采摘机器人行走机构方案设计案例》3600字】

草莓采摘机器人行走机构方案设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u14656草莓采摘机器人行走机构方案设计案例 120591.1草莓生长环境特性 1310121.2行走机构的需求分析 1166701.3行走机构方案的选取 2154411.4行走机构主要零部件设计 388321.4.1驱动轮 3135791.4.2履带板 422611.4.3导向轮 669491.4.4支撑轮 6274821.4.5托带轮 1053071.4.6张紧装置 111.1草莓生长环境特性查阅相关资料得知一种标准的温室大棚参数：焊接结构大棚焊接钢结构大棚，这种钢结构大棚，拱架是用钢筋、钢管或两种结合焊接而成的平面衍架，上弦用16mm钢筋，下弦用12mm钢筋，纵拉杆用9~12mm钢筋。跨度8~12m，脊高2.6~3m，长30~60m。本论文以一间40m×8m×3m草莓种植方式最常见的是地面垄作高架模式，草莓种在地面，采用木架、支撑杆等装置作为支撑，使得枝蔓向上生长。1.2行走机构的需求分析草莓采摘机器人行走机构需求分析如下表2-1所示：表2-1行走机构需求分析表1工作要求作为承载机构，在草莓种植大棚内工作2性能要求承载能力强，要求转向灵活，运行平稳，适应性好3可靠性要求长时间工作后不容易出现故障4安全要求行走机构应设计有安全保护装置行走机构必须满足并适应现场的环境，为了能够顺利进入大棚工作，其最大宽度不应该大于两列植株之间的距离（1.2m左右）。运动底盘必须能支撑采摘机构和采摘草莓的重量，以及有较灵活的转向功能，暂定行走机构总重为100kg。一、草莓采摘机器人行走机构应具有较强的转弯性能，最好能实现行走机构的原地转向，从而减小转弯半径，灵活性更高。二、温室大棚地面整体环境良好，但行走机构设计仍需具有爬坡能力，以适应特殊情况（坡度<25°）。三、温室大棚的采摘环境就要求采摘机器人整机体积不能过大，高度和宽度应小于1m，整机长度应小于2m。四、温室内环境比较潮湿，同时防止采摘活动频繁导致的土地板结，应该尽可能的减小整车的重量。1.3行走机构方案的选取本文研究的采摘机器人属于移动式机器人，目前，地面移动机器人根据运动方式的不同，可以分为轮式、足式以及履带式机器人[8]。用于农业生产的机器人一般为履带式机器人和轮式机器人。轮式机器人对地面要求比较高，适用于平地，且轮式行走机构的越障能力和越野性能不高；履带式机器人灵活性高，转向容易，橡胶履带底盘牵引性能好，且履带触地面积大接地比压低，对温室地面土壤的破坏程度轻，在穿越复杂地形时可以保证整机的平稳性，不容易发生侧翻等情况。在路面的通过性比较中：轮式机器人只有轮子与地面接触，接触面积过小导致对地面的压力过大，容易使土壤板结，硬化；履带式机器人的履带触地面积大接地比压低，可以承载很大重量的同时牵引力也比较大。综合各方面考虑，本文选择履带机构作为草莓采摘机器人的行走机构。1.4行走机构主要零部件设计1.4.1驱动轮目前，履带与驱动轮配合的设计标准，各种齿形的设计方法有很多，没有一个统一的标准。驱动轮的分度圆直径大小受行走机构整体高度的影响，同时与履带节距和驱动轮齿数密切相关。确定驱动轮主要尺寸（根据相关数据得）分度圆直径计算公式：d0=式中：d0为驱动轮分度圆直径；p为履带节距；z为驱动轮齿数一般取8~15，此处取12；d为滚子直径，查《机械手册》得为28.58mm计算得出分度圆直径d0=193mm，取整为齿顶圆直径da计算公式：da取d齿底圆直径dbdb齿宽b：b=0.4p=20mm（2-4）履带两端的轮子哪一个做导向轮，哪一个做驱动轮，与履带机构的形状有关。履带机构形状主要有两类：整体式履带板构型；组合式履带板构型。根据前期的文献及相关书目的阅读，采用后轮驱动的方式。1.4.2履带板目前应用比较广泛的履带分为橡胶履带和金属履带[15]。金属履带受材料的限制，导致整体重量偏大，对地面的破坏较为严重；橡胶履带具有金属制履带的优点，同时橡胶履带的重量比较轻。主要优点体现在：接地比压小，通过性好，可以确保机械在湿地环境下正常工作，扩展了机械的作业地域。同时对土壤的压实程度较小，减小了对植物根系的损害程度；橡胶履带可以吸收部分振动，减小噪声的同时可以延长机械的使用寿命；对地面的破坏程度远低于金属履带，橡胶履带在硬质路面上行驶不会对地面造成损伤；相比于金属履带，橡胶履带与地面的接触面积更大，有利于获得更大的牵引力。综合分析后，选择使用寿命长且灵活性高的橡胶履带。每条履带是由几十块履带板和链轨等零件组成的。其结构基本上可分为四部分，即履带的下面为支撑面，上面为链轨，中间为与驱动链轮相啮合的部分，两端为连接铰链。履带支撑长度L,轨距B和履带板宽度b应该合理匹配，使其能够符合性能要求。确定履带的主要参数为整机的重量，本机初定整机重量为100kg。由经验公式计算履带链轨节节距t：经验公式t=15~17.5式中：t为履带链轨节节距（mm）G为整机重量（kg）取整机重量为100kg，计算得t=47.4~55.3mm方便计算故取整数t=50mm履带高度ℎ=270mmL0表示接地履带长度，单位m；ℎ0表示履带的高度，单位m；G表示整机重量，单位T；经验公式：L0L≈LL取整为592mmL0B≈1.07bL0≈0.22~0.8取b=233mm履带总长：L总1.4.3导向轮导向轮主要起引导履带正确绕转，防止履带跑偏和越轨。导向轮直径加大，能够减少冲击，增加整机作业的平稳性。导向轮直径一般较驱动轮小，一般情况下导向轮上方位置应比驱动轮缘低30~80mm，使这一区段的履带在运动时顺势前滑。导向轮可以制成无齿的，本设计的无齿导向轮的优点是中间可以与履带啮合，两侧的挡肩能够支撑履带。为了使履带在通过导向轮这一区段时可以顺势前滑，减小功率损耗，导向轮的尺寸一般略小于驱动轮尺寸。根据经验公式：D1式中：D1为导向轮直径；D计算得到D1可得相关数据：导向轮宽110mm,挡肩宽15mm,导向轮轴孔直径30mm。1.4.4支撑轮在设计履带时，要充分考虑履带是否与路面充分接触。若选择很长的履带，则有可能在某一时间段内履带没有与路面充分接触，即履带未能紧贴路面，直接导致整个车体的移动速度下降。这时候就要加装支撑轮。履带式行走机器人的重量主要是通过支撑轮压于履带板的轨道传递到地面上。根据履带支撑轮传递压力的情况，可以分为多支点式和少支点式。如图2-1和2-2：图2-1该履带底盘为多支点式支撑图2-2该履带底盘为少支点式支撑本文设计的履带底盘支撑轮一侧有2排，每排2个，共8个支撑轮。在履带上的分布如图2-3所示。支撑轮的尺寸和布置，应使接地压力均匀分布，为此可采用直径小个数多的支撑轮。但支撑轮太小，将使支撑轮滚动阻力增大。支撑轮数目过多会使支撑轮尺寸过小。一般支撑轮为5~8个。支撑轮直径一般不小于200mm，通常drt=1.5~3（dr图2-3支撑轮排列方式支撑轮直径drdr得d选定支撑轮直径dr为对于支撑轮轴强度的计算，应考虑经常载荷，而不考虑偶尔承受的最大载荷。支撑轮轴的直径为20mm，长度为175mm，材料为50Mn。预定整机总重为100kg，重量均匀分布在支撑轮上。每个支撑轮承重M:M=Ma式中Ma为整机重量，单位kg所以G=Mg=125通过对支撑轮轴进行受力分析，分析结果如图2-4所示：图2-4支撑轮轴受力示意图该受力分析图是根据支撑轮的受力特点将三维图简化为数学模型。根据受力分析图可知，支撑轮轴两端承受压力G=Mg=125N图2-5剪力图图2-6弯矩图M=F∙X=125×50Wzσmax本支撑轮采用50Mn材料制成，查表得到：σ查《材料力学》得到该材料是脆性材料,所以σb=66Mσ=根据上式得σmax1.4.5托带轮托带轮安装在履带上分支的下方，以减少履带的下垂量，保持它平稳运。托带轮只承受履带自身的重量，所需尺寸比较小，结构也比较简单。托带轮的个数取决于履带上分支的长度，一般驱动轮到导向轮轴距大于等于2m时，每侧的托带轮为2个，轴距小于2m时为1个。托带轮的直径一般比支撑轮小，因其受力、受泥水侵蚀均比支撑轮小，结构也可以简化。托带轮的高度，应使其滚动表面和驱动轮、导向轮的滚动表面大约在一条直线上。目前有些履带底盘的设计过程中，会将托带轮的高度增加，以减少履带的振跳，并保持履带一定的张紧度。托带轮直径一般比支撑轮小，所以设计托带轮直径为80mm，个数为4个。1.4.6张紧装置履带行走机构中，张紧弹簧必须有一定的预压缩量，使履带中产生预张紧力