毕业设计（论文）-全自动植树机器人设计

摘要关键字：生态修复；节能减排；复杂机构；

目录摘要 I1.4课题研究内容与方法本课题主要针对全自动植树机器人进行分析和设计，进行机械手的总体方案的制订与机械手总体的结构详细设计.本文利用SolidWorks软件对所设计的全自动植树机器人进行三维数字化建模，做出主要搬运机械手的零件的三维详细数字化设计，并对三维模型的装配图进行motion运动仿真以及simulation分析。详细设计的全自动植树机器人的主要内容如下面所示一共包括：（1）学习和掌握全自动植树机器人等相关知识，制定总体设计方案。对搬运机械手进行系统特性的详细分析和设计，研究全自动植树机器人的传动系统详细结构分布图。（2）运用大学里面所学到的知识，包括材料力学和理论经典力学、动力学分析、大学经典物理学的相关基础知识,然后再通过去查找机械设计手册，完成全自动植树机器人的结构详细设计。（3）对全自动植树机器人机构的基础零件进行设计，基础零件用SolidWorks三维建模软件进行三维绘制并且装配约束、干涉检测等；（4）用SolidWorks三维建模motion软件进行对全自动植树机器人机构进行运动仿真；2全自动植树机器人的总体设计进一步将人工的栽苗过程集于全自动一体化机械，具体原理设计方案如下。树灌溉机构以及装置后端拢土夯实机构。挖坑—松土机构器的机动性、对不同地面的适应性和机械化程度。结合人工植树动作，植树前的挖坑动作主要采用钻孔机构。螺旋型钻头该钻头由钻杆、钻尖、刀片（钻铧）和螺旋翼片组成（2-2所示。工（钻铧图2-2单头螺旋钻头图示

1-钻尖2-刀片3-螺旋翼片3-钻杆图2-3螺旋齿式钻头图示1-上螺旋齿2-下螺旋齿3-钻头2-4所示。植树灌溉机构（送苗盘间歇送苗机构）苗部分的主要功能是：在植树作业前存放容器苗（存苗，在植苗过程中向植树执行机构递送容器苗（取苗。构，其能够将树苗准确、定点地投放入挖好的树坑中。植树执行与灌溉部分采用的铰接菱形多杆机构能够推动送苗盘间歇送苗机程大、稳定性好。2-6所示。图2-6送苗、植树执行机构图示1-树苗桶2-铰接菱形多杆机构3-步进电机4-出苗口5-漏苗孔6-送苗盘2-7所示。图2-7送树苗端口位置设计图1-灌溉喷口2-送树口（漏苗孔）3-末端梯状铲拢土夯实机构（曲柄滑块机构2-8所示。图2-8拢土夯实机构三维图示1-驱动块2-保护罩3-拢土板4-压实块5-杆件图2-9拢土夯实机构三维图示（侧视图）与压实块相配合的曲柄滑块机构三维结构如图2-10所示。图2-10曲柄滑块机构三维图示1-摇杆2-电机3-滑块整体4-曲柄功能模块划分PWM2-13所示。图2-13功能模块划分图（单片机设备与控制装置电性连接核心电路板设计2560ArduinoMega756016MHz16个模拟输入端口，最大的特点就是具有多达5414PWMI/0接口的设计。无线数据传输模块设计APC220无线数据传输模块是一款高度集成的半双工微功率无线数据传输模24bitsAPC220模GFSKTTL电平串行接口，同时提供多个频APC2201APC220USB/TTL转换USB口进行参数配置，完成之后，其中一个模块仍与计2-142-15APC220与计算机和单片机的连线图。图2-14计算机与APC220的模块连线图图2-15单片机与APC220模块连线图上、下位机执行程序设计（控）2-16所示。图2-16执行步骤示意图进行选择并连接。Arduino下位机程序中的主程序，首先检测串口是否接受到数据，若有，则过上位机按需选择不同的功能执行，或者自主编程保证装置自主运行。3全自动植树机器人的设计计算树苗移栽控制树苗选择规格选择根系完整无缺损、苗干通直二根二干(或三根二干)大苗，胸径1.5cm、苗高100cm以上无病虫害的健康苗木。树苗运输苗木处理苗木运输到造林地块后，对根系较长者要适当修剪，然后用清水充分浸泡，浸泡苗木时间至少2—3d。在栽植之前，利用甲基托布津溶液（50%可湿性粉剂800—1000倍液）对苗木整株进行杀菌消毒处理，以防止生长期间发生病害。栽植方法挖坑松土部分结构设计与受力（静力）分析本模块主要实现自主植树功能，挖坑松土部分三维结构如图3-4所示。3-4a挖坑部分三维结构图示通过采用螺旋齿式钻头来达到松土挖坑的目的，相关理论计算如下：中钻头下钻时受到的阻力。3-53-5(a)3-5(b)为作用在刀片上的阻力图。图中：R变形为土壤变形阻力，它是正压力和摩擦力的矢量和；R切土为刀片切土阻力；R动能为使土壤具有动能的阻力，其值很小，可以忽略。刀片切土所产生的力矩3-5刀片的切土阻力存树苗结构设计与空间配置分析（送苗盘间歇送苗机构）苗部分的主要功能是：在植树作业前存放容器苗（存苗，在植苗过程中向植树执行机构递送容器苗（取苗。考虑到装置整体的设计要求，送苗部分的苗盘体3-6图3-6储苗盘三维结构设计图0.85m0.7m5475mm、壁厚2mm、高120mm的圆柱形直筒，容器苗将放置于苗杯中，每个苗杯内仅存放1个容器幼苗。苗盘系统上的苗杯连接及布置方式如图3-7所示。图3-7苗杯连接方式3-7钉铆接于柔性尼龙带上，形成了苗杯链。（3-8a3-8b3-8c）所示。 图3-8a滑移式排布 图3-8b圆盘式排布 图3-8c链式排布色方格数目记为N,记为空间利用率，则有：N/S100% （10）图3-8a为滑移式布置，左侧若干黑色方格代表紧密排列在滑轨上的苗杯，右侧空白方格代表苗杯滑移的剩余空间，要使黑色方格完全滑移到右侧，白色方格所占用面积至少要等于黑色方格所占用的面积，即黑、白方格数目至少相同。图中共有120个方格(5=120)，黑色以及白色方格数目(N和M)均为60，因此，滑轨式储苗盘的空间利用率为50%。3-8b100个方格(5=100)N40M6040%。3-8c10格(5=110N58M52，故链式储苗盘空52.73%。利用效率最高，采用链式苗杯布置方式是可行的。送树苗部分机构设计与分析（送苗盘间歇送苗机构）送树部分采用送苗盘间歇送苗机构，如图3-9所示。图3-9送苗盘间歇送苗机构示意图1-承载盘；2-被动轮；3-苗杯；4-尼龙袋；5-拨动轮；6-漏苗孔由图3-9可见，由苗杯与尼龙带连接形成的苗杯链蛇形布置于承载盘上。苗5（拨动轮2从而完成间歇送苗的过程。3-106动时，苗杯与之啮合。图3-10拨动轮三维图60°，苗杯与苗盘上的漏苗孔重合一次（3。图3-11拨动轮与苗杯啮合3-5%，且误差不会累积，来驱动拨动轮。阻力矩MF主要来源于苗杯与苗盘的摩擦产生的摩擦力矩Mf1以及苗盘与幼苗间的摩擦力矩Mf2即：MFMf1Mf2

（11）其中苗杯与苗盘的摩擦产生的摩擦力矩Mf1，可由下式计算：Mf1fnR

（12）式（12）中，f——苗杯在不锈钢板表面滑动时的平均摩擦力，结合苗杯使用不锈钢板制f0.330429N；nn54；RR=60mm。由于幼苗与苗盘的摩擦阻力难以测量，故在此处对Mf1引入一个补充系数，用倍的Mf1来代替苗盘与幼苗间摩擦力矩Mf2，即:Mf2Mf1

（13）PAGEPAGE30M可用式（14）表示：MFMf1Mf2(1)fnR

（14）步进电机与拨动轮的传动关系可由图3-12表示。图3-12传动关系图1-步进电机；2-直齿轮；3-拨动轮；4-滚动轴承；5-苗盘支撑板；6-直齿轮图3-12中，1为步进电机，2、6是一组传动比为1、齿数为23、模数为2MM与阻力矩MF的关系可用下式表示：MMF

（15）η为传动效率，这里采用切制齿、开式齿轮传动，η取0.95。故步进电机产生的扭矩M应满足下式：M(1)fnR

（16）将已知量代入，补充系数取1.5，得电机扭矩M应至少为2.8NM。植树执行与灌溉部分机构设计（铰接菱形多杆机构）3-13所示。图3-13植树执行机构（铰接菱形多杆机构）三维结构图合灌溉喷头进行灌溉。整个铰接菱形多杆机构升程大、稳定性好。3-14所示。3-14树苗运输种植机构三维结构图3-15所示。图3-16铰接菱形多杆机构三维图示铰接菱形多杆机构组成及力学分析PAGE16所示。3-17所示。以此类推，可以得到四级、五级剪叉式机构等。图3-17不同形式的剪叉式机构图本团队将三级剪叉式机构作为典型机构来说明其工作原理。式提升机构可以将水平方向的推力转化为竖直向上的运动。几何关系3-18hR2r为首铰链点或末铰3-18所示相关量的几何关系可表示为：lrcosh4rsin

图3-18剪叉机构的几何关系图设在水平推力Ｆ作用下的虚位移为dldh分别将式（17（18）左右两端对θ求导，得：dl/rsindh/4rcos

（19）（20）由虚位移原理，得Qdh2Fdl0

（21）将式（19）～（21）联立，可求得：FQdh/(2dl)2Qcot

（22）力学分析（3-18中粗实线部分（中细实线部分（二级剪叉机构起升荷载同样满足式（22，下面对其轴力、弯矩等受力特性进行推导与分析。a.双叉结构中各节点的受力分析由于剪叉机构具有对称性，所以取机构的一半进行研究，其受力分析如图3-19所示。图3-19剪叉臂受力分析图3-191、34、6ab25ab的中间铰接点。a1处所承受的起b634受力互为作用力和反作用力，因此有F3xF4xF F

（23）3y 4y根据式（22）并结合图3-18，可得：F04Q0cot

（24）由剪叉臂ａ和ｂ分别在ｘ和ｙ方向上的受力平衡关系，得：F2xx0FQ03y 0F0F4xF5x0

Q00对铰链点３、４分别取矩并简化，得：Q02rcosF2xrsin0

（25）Q02rcosF5xrsinF02rsin0

（26）由式（25，得：F2x2Q0cot

（27）将式（24）代入式（26，得：F5x6Q0cot

（28）b.剪叉臂所受轴力及力矩的计算对于剪叉臂a，其1－2段和2－3段所受轴力分别为：N12Q0sin

（29）N230sin2xo0sin0oto0

（30）取剪叉臂a左半部分进行分析，可得点2处所受力矩为：M2Q0rcos

（31）对于剪叉臂b，其4－5段和5－6段所受轴力分别为：N45F4xcosF4ysin2Q0cotcosQ0sin

（32）N56Q0sinF0cosQ0sin4Q0cotcos

（33）取剪叉臂b左半部分进行分析，可得点5处所受力矩化为：M5rrcosrcos

（34）在求得了点2和点5处的弯矩后，可求出剪叉臂在各铰点处所受的弯曲应力：Mi/

（35）i处剪叉臂所受的弯曲应力；Wixi处剪叉臂的抗弯MiiIixi处剪叉臂截面绕中性ymax为横截面上距中性轴最远的距离。剪叉臂间连接件的力学分析通过分析可以发现，剪叉臂a中铰点2、3处连接件所受的剪力分别为：N2F2x2Q0cot

（37）F2F2F23x 3y

Q0

14cot2

（38）剪叉臂b中铰点5和6处连接件所受的剪力分别为:N5F5x6Q0cot

（39）F2F2Q20 0

116cot2

（40）i的切应力为：ip4Niip

（41）3Ai式中：Ni为铰点i处单销所受的剪力；Ai为i铰点处销轴的截面面积。拢土夯实部分机构设计与三维示意（曲柄滑块机构）压土夯实部分三维结构如图3-20所示。图3-20拢土夯实模块三维结构图1-曲柄滑块机构2-可替换中空管（有盖）3-驱动块4-外壳5-拢土板6-压实块（中空）7-连接杆8-固定筋板9-滑杆满足植树苗的规范化要求。梭梭树等灌木和胡杨等树苗。二维结构原理设计向下挤压土壤的同时，压土组件带动拢土组件工作，使得拢土组件将土坑周3-21所示。图3-21拢土压土二维结构示意图1-压实块护罩；2-驱动块；3-连杆；4-弹性件；5-导向块；6-底座；7-连接件；8-导板；9-牵引件；10-压土件；11-限位槽；12-容纳槽；13-拢土件；14-复位件图3-22拢土压土二维结构俯视图 图3-23拢土压土结构局部放大图3-24所示。图3-24升降块功能实现二维图1-曲柄滑块机构；2-支架；3-驱动块；4-拢土压土其余部件；5-车座通过驱动块向上提拉连杆，带动压土件上移，压土件带动拢土组件向中间聚拢，（通过驱动块，能够使得压土件将土壤压实。当曲柄滑块机构完成一个周期之后，弹性（3-25所示。图3-25拢土夯实机构三维图示1-驱动块2-保护罩3-拢土板4-压实块5-杆件曲柄滑块机构动态静力学分析图3-26为工程上常用的曲柄滑块机构示意图，图中S1和S2分别为曲柄及连杆的质心，滑块仅在竖直方向移动，其质心可假定与铰接点Ｂ重合．定义曲柄OAAB的长度分别为和l2OS1长度为AS2长度为设为1和1。

图3-26曲柄滑块机构（工程）1-曲柄2-连杆3-滑块4-支架根据运动学分析，结合图3-26坐标系，可获得各构件的质心及运动副间的铰接点位移、速度、加速度函数，以及角位移、角速度、角加速度函数。装置所搭载的电机等效作用于曲柄上的驱动力矩为Md，滑块作为输出构件，

，

和m3；曲柄和连J1J23-27所示（a）曲柄 （b）连杆 （c）滑图3-27构件受力示意图327ijx,ijyMijijxy向作用力及摩擦阻力矩,ij,xRjix,ijyRjiy,MijMji，定义运动副间的摩擦系数为ijAXB(x)曲柄滑块机构具体参数分析曲柄长度的确定0.3m，同时考虑到自动植树机在移的距离应大于0.2m0.3m所示。图3-29曲柄滑块机构三维设计图1-摇杆2-电机3-滑块整体4-滑杆5-曲柄摇杆长度的确定对于本团队所采用的曲柄滑块机构，在曲柄长度一定时，滑块的运动特性主要受摇杆长度的影响。滑块的运动特性又决定了自动植树机的拢土压土的效果。故为确定摇杆的长度应先找到摇杆长度和滑块速度的关系，再根据压土升土理论确定摇杆长度。3-24ABb；BCa；C为滑块。AB与竖直线夹角为θ，BC与竖直线夹角为β，运动起点为滑块位于最高点，此时θ，β都为0。图3-30曲柄滑块进给机构运动简图0cB点分别向o和c作垂线并分别交于HCPHCPB,CPB。由上述几何关系得到：由瞬心法求出的滑块瞬心半径CO最大值可求出对应的滑块进给速度最大值。sa式中：Vs──钻头进给速度，m/slco──滑块瞬心半径（即C，mq──曲柄转速，d/s3.4.6滑块的运动速度和位移分析设曲柄的转速为q则曲柄与竖直方向夹角为：qt联立式（59（60（61）可得（本曲柄滑块机构工作时曲柄实际转速取0.33d/s：通过求解，可知滑块带动驱动块运动的纵向位移约为0.5m。3-31所示。3-31可替换中空管三维结构示意图履带行进部分三维结构设计如图3-26所示。图3-32履带行进部分结构示意图4全自动植树机器人装配与干涉检查4.1全自动植树机器人的装配体建模及爆炸图对于所设计的全自动植树机器人的设备，我们所真正在意的是全自动植树机器人的装配体中每一个小的部件，全自动植树机器人小部件的装配形式以及小部件的装配过程。因此，在对全自动植树机器人的虚拟装配里面，先进行确定全自动植树机器人装配体，装配里面的全部的小零部件，在给全自动植树机器人确定，其中的全部的构件的按照顺序进行装配安装，从而可以判断全自动植树机器人每个构件进行约束，判断所需的装配关系的约束。以上弄完之后，可以说是通过相对较为连续的方式，能过完成全自动植树机器人的整体装备的安装装配。全自动植树机器人装配安装过程是添加一些相关的约束，达到限制零件相对位置和自由度，全自动植树机器人总装配的一系列过程是降大的安装装配进行打开分为几个小的装配图，全自动植树机器人的整体装配变为了几大块的部装图来进行分步装配，将几部分由总装分开的一个个的部装图，每一部分的部装图都像总装配体，按照安装顺序来进行装配。在进行安装的时候注意细节，全自动植树机器人的主体安装部件结构实现全部安装完成即可。新建一个总装配图，以此命名“全自动植树机器人”的安装总装图。然后将之前添加部分安装来进行一个总体的组件，将刚才分开逐步进行安装的结构，装配完成的分开安装的部装图都分别加载到总装图里面，如图所示。图4-1装配完成的全自动植树机器人总装图4.2全自动植树机器人的爆炸视图及干涉分析文用爆炸图来辅助说明组成和装配情况，进行的全自动植树机器人的爆炸图如图所示。图4-2爆炸图效果如图进行展示，全自动植树机器人装配爆炸图。图4-3全自动植树机器人爆炸视图（二）干涉检查全自动植树机器人干涉检查相对来说很重要，能过很直观的看出所设计的全自动植树机器人是否存在安装问题。因为在传统的二维设计里面，不太容易检测到全自动植树机器人的零件之间有没有干涉的地方存在。全自动植树机器人的干涉检查只能在最后的设计出来的机械产品，在进行全自动植树机器人的组装装配和整机的调试过程里面才能够发现。到那时候出现的干涉问题，往往非常致命，必须对初始的全自动植树机器人设计进行改图纸和工艺改进，但是当导致的无法更改或者改进的结构错误的时候，就会之间导致全自动植树机器人的总体设计和布置失败的情况，最糟糕的会直接造成零件的报废结果。有一种名为模型间隙干涉检查分析的功能，在solidworks三维软件里面，对于装配图可来进行整体安装结构的干涉检查步骤，这也是相对来说比较直观的方法，从而发现全自动植树机器人的干涉，相对来说比较方便地查找到干涉的位置和进行修改全自动植树机器人装配体的干涉点的位置，保证了最终机械设计的结果相对来说最为完整的准确性。干涉检查步骤为“全自动植树机器人装配总体”—“打开安装的装配图”—“装配图的干涉检查”，当solidworks里面出现对话框，下一步来进行选择，全自动植树机器人总装配图，然后出现“是否进行总装配的干涉检查”，点击确认，来进行分析全自动植树机器人的