农业喷雾机器人机械的设计.doc

1、农业喷雾机器人机械的设计摘 要：农业机器人是21世纪农业机械的发展趋势之一。为此，讨论了农业机器人的技术特点和基本特征，重点论述了一款可以自主行走且能避障的农业喷雾机器人机械结构创新设计。其主要包括载体移动系统和车载喷雾系统的创新设计，给出了具体的设计方案和部分结构图以及参数。该农业喷雾机器人一方面提高了农业喷雾作业的效率，实现作业的自动化；另一方面降低了作业对操作者的健康影响。 关键词：自动控制技术；农业机器人；喷雾机器人；创新设计；机械结构设计引言实施精确农业，广泛应用农业机器人，以提高资源利用率和农业产出率，降低劳动强度，提高经济效益将是现代农业发展的必然趋势。现代农业的变革向农业机械化

2、提出了新的要求，如机器能够实现自主行走、识别环境、确定目标，甚至要能辨别颜色、气味等。另一方面，现代科技的发展也为这类机器的开发和应用奠定了科技基础。例如，用GPS系统可精确地确定机器所在的位置，用GIS系统可以了解机器周围的地理环境，计算机图像分析技术的发展可使机器能够识别目标，自动控制技术的发展可使机器按人们预期的设想实现各种动作等。所有这些技术的发展和应用使得现代机器人已具有高度智能化。如果说机械设计和加工技术及电子技术的发展，使得适用于结构性工业机器人的应用变成了现实的话，而现代微电子技术、计算机技术、机电光一体化技术的发展，为非结构性环境的农业机器人的开发和应用打下了坚实的技术基础。

3、由于农业工作环境的复杂性和多变性，决定了对农业机器人要比对一般工业机器人的要求更高。农业机械面对的都是复杂多样的农作物及农产品，这就对农业机器人提出了更高的要求，需要具有“感觉”和“判断”功能。农业机器人的构成和功能决定了它具有如下一些特点：1) 程序性。只要改变程序软件，就能变更判断基准，变更动作顺序。如进行果物的收获，可以根据果物生长情况自动变更所收果物的大小、形状等，提高了作业的选择性。 2) 适应性。根据环境和机械本身的情况，能够自动进行作业量或质的调整。例如，在耕耘作业中，能够针对不同土壤边界、硬度、水分、土壤性质等因素，达到统一的碎土要求，提高作业稳定性。 3) 通用性。只要改变部

4、分软、硬件即可另作它用，如葡萄收获机可改做柑秸收获器。具有上述功能的机器人，可以实现农田作业的自动指挥与控制，即能够按照存储在其内部的信息，或根据外部环境提供的一些引导信号，规划出一条路径，并能够沿着该路径在没有人工干预的情况下，移动到指定的地方去，完成指定的作业，提高农产品的数量与质量。 本文设计一款可以自主行走且能避障的农业用喷雾机器人，论述该喷雾机器人在机械结构部分的创新型设计。该机器人主要由机械移动系统和喷雾系统、伺服驱动器、传感检测元件、控制系统及电源等几部分组成。该款喷雾机器人主要由载体移动系统和车载喷雾系统两部分组成。 1 载体移动系统 当前移动机器人移动结构方案主要有轮式、轨道

5、式和履带式等3种，考虑作业环境要求喷雾机器人沿行间行走，所以采用轮式设计方案。轮式移动系统主要由行走支撑部件和转向部件等组成，行走支撑部件的主要作用是支撑整个机器人并且使机器人具有移动性；转向部件主要作用是使支持喷雾机器人在移动中实现转向功能。 1.1 行走支撑部件 机器人由四轮支承，前轮为驱动轮，其直径是200mm，轮宽30mm；后轮为转向轮，其直径是120mm，轮宽30mm。它有两大特点： 1) 车轮较宽，本案中轮宽系数为（30+30）/320100%=0.313； 2) 驱动轮的直径明显要大于转向轮的直径。这样选定的理由为：一是前轮和后轮主要行驶在松软的土地上作业，所以车轮一定要足够宽才

6、行。二是在承载的比重中前轮应能够承担较大的部分，驱动轮的直径明显要大于转向轮的直径；因为后轮还是转向轮，为了转向灵活，要尽量减小它的惯性，所以不能做得很大，以满足最小承重要求即可。另外，需要说明的是，前后轮皆采用轮箍轮胎组合模式。这样的好处：一是可以有效的减小车轮的惯性力，从而有利于降低移动机器人的启动力的要求；二是可以有效地减小车轮的自重，有利于提高整个机器人质效比。 1.2 转向部件 转向部件（后轮）结构图，如图1所示。图1 喷雾机器人载体移动转向部件（后轮）结构图两车轮的垂直轴上各有一摇臂，两摇臂由一连杆相连，伺服电机通过摇臂连接在这个连杆上，通过连杆带动车轮的垂直摇臂，使机器人的移动系

7、统实现转向功能。其转向原理如图2和图3所示图2 转向系统转向示意图 图3 转向系统转向原理图在双曲柄机构中，相对两杆平行且长度相等则称其为平行四边形机构。它有两个显著的特性：一是两曲杆以相同速度同向转动；二是连杆平动。也正是这种特性，本方案中选用了它应用到转向机构中，简化了机构，实现了转向功能。这种结构有两个很明显的优点：一是结构简单，改变车轮行驶方向灵活，快捷；二是操纵直接，伺服电机的摇臂改变的角度和车轮改变的角度相同。 值得特别说明的是，在转向轮的固定方式上，采用了L型轮轴，如图4所示。喷雾机器人需要在土地里工作，考虑到实际情况，地面不会很平整，所以移动型喷雾机器人的设计上要求它离地间隙一

8、定要大，但不可太大，防止重心过高，影响它的稳定性。本方案中的机器人经过充分考虑后离地间隙定为80mm，而转向轮的半径仅为60mm，所以采取了上述设计，以弥补移动系统悬空高度不足的问题。 图4 L型转向轮轴示意图 2 车载喷雾系统 喷雾系统主要由水箱、升降机构、电动泵（电动机和水泵组合件）、喷雾竿、过滤芯及附属管路等组成。下面主要介绍水箱和升降机构。 2.1 水箱 考虑到降低农业喷雾机器人的自身质量，水箱采用轻量化设计方案。 一个结构件的设计需要从材质、剖面形状、构件组合形式等方面加以考虑，以便妥善地解决容许应力、变形、质量、固有震动频率（共振）等问题。在本方案中，水箱的材质主要是采用了玻璃钢。

9、选用玻璃钢作为喷雾机器人水箱主要是基于以下3个理由：一是较之钢材，玻璃钢质量小，且强度足够；二是遇水不会腐蚀，耐用性强；三是加工制作工序简单，成本低。 另外，根据喷雾机器人的特殊要求，在设计水箱时，考虑到机器人所工作的地面环境并不是很理想，为了防止它在工作中因为地面不平引起的水箱内的药液晃动导致机器人的倾倒。所以，在水箱中添加了2层4块翼板，用于阻挡来回震荡的液体，降低水的冲击，从而避免机器人的翻倒。为了使药液充分利用，不会残留，在水箱底部添加了漏斗结构，收集残留药液。在漏斗结构中安放了过滤装置，防止不洁药液中夹带的杂物堵塞喷雾器喷头。该水箱的主要尺寸如下： 水箱壁厚/mm：5 最大高度/mm

10、：430 最大宽度/mm：320 长 度/mm：560 翼板宽度/mm：145 翼板长度/mm：550 翼板厚度/mm：4 2.2 升降机构 本方案中设计升降机构的主要作用是在此支架上安装喷雾杆，并可以随意调节喷雾杆的高度，以适应不同工作环境，完成喷雾任务。升降机构如图5和图6所示。 图5 升降支架示意图 图6 支架上升时连杆状态示意图 该机构是一个伸缩支架，由32根连杆组装而成的，分为4层，其动力来自位于它底部的伺服电机。伺服电机上有一长为60mm的摇臂，它的摆动范围为0180，当摇臂位于0时，它与连杆位于同一条直线上，此时升降支架位于最低位置；当摇臂位于180时，它与连杆也位于同一条直线上

11、，此时升降支架位于最高位置。采用这种支架结构具有以下几点优势： 1) 结构轻巧、简单、升降效率高。2) 较其他如液压升降机构等制作精度较低，要求不高，生产成本较低。 3) 整个机构在上升过程中是按先加速后减速工作的，且减速时间大于加速时间，降低了在上升过程中的冲击和振动，这样就增强了这个系统在工作时的稳定性。下降过程正好相反，加速时间大于减速时间，使在高处的喷雾工作部件快速收回，也同样增强了系统的稳定性。 4) 在上升启动时，伺服电机的摇臂和连杆在同一条直线上，摇臂在沿它本身轴线方向拉力为无穷大，这样就保证了升降机构的顺利启动。 5) 在上升到最高的位置的时候，伺服电机的摇臂旋了180，仍然与

12、连杆在同一直线上，这是伺服电机的摇臂只承受支架系统给它的压力，而不存在扭矩，这样有利于保护伺服电机。 3 农业喷雾机器人总体结构 这是一款可以自主行走且能避障的农业用喷雾机器人，论述该喷雾机器人在机械结构部分的创新型设计。该机器人主要由机械移动系统和喷雾系统、伺服驱动器、传感检测元件、控制系统及电源等几部分组成。该款喷雾机器人主要由载体移动系统和车载喷雾系统两部分组成。本方案设计的农业喷雾机器人总体结构如图7所示。 19 20 21 22 23 1.支承支架 2.中央处理器 3.转向连杆 4.转向伺服电机 5.转向轮轴 6.转向轮 7.转向摇臂 8.电源 9.隔板 10.轴承 11.轴套 12

13、.驱动轴 13.驱动轮 14.进液管 15.微型水泵 16.联轴器 17.喷雾电机 18.驱动电机 19.升降伺服电机 20.接雾喷杆 21.升降连杆 22.升降支架 23.升降平台 图7 农业喷雾机器人总体结构 在本方案农业喷雾机器的开发设计中，除机械结构包括移动系统和喷雾系统所采取的创新型方案外，还需强调以下几点： 1) 该农业喷雾机器人采用了轮式移动方案，主要是考虑了轮式较其它移动方式优缺点及在田地里工作的适应性； 2) 前后轮皆采用轮箍轮胎组合模式，可以有效地减小车轮的惯性力，从而有利于提高移动机器人的启动性能； 3) 采用平行四边形机构的转向结构，充分利用了双曲柄的角速度相同特性，且

14、结构简单，便于组装和维护； 4) 转向轮的固定支架，采用了双等边三角形结构，使得移动机器人的稳定性有了极大的提高； 5) 其创新是在水箱中添加了4块翼板，自身的质量没有很大改变，却可以极大地降低摆动惯性； 6) 独特的升降系统让喷雾机器人极大地提高了工作能力。 4商品化设计产品的商品化设计在产品的开发设计中占有举足轻重的地位,一个产品要成功地推向市场,离不开商品化设计这一阶段,它是在产品推向市场前对产品进一步完善和完美的一个过程。商品化的设计理念是贯穿于整个产品创新设计中的，包括商品化设计包括的内容 ：1）产品的外观造型和色调：外观入眼预选决赛 ；2）进行价值优化设计：运用价值工程原理对产品各

15、分 功能对应的成本进行对比，从而实现价值配比的优化；3）产品实现“三化”：标准化，系列化，模块化，从 而降低产品成本、缩短制造和设计周期；4）产品性能的适用性变化：考虑多功能的组合来满足不同用户的不同需求。人机工程设计属于产品的实用化设计与商品化设计的衔接阶段，在进行商品化设计中如何体现，使设计能够满足人的生理需要更要满足人的心理需求，譬如在移动式打包机机设计中采用的降低高度设计、除尘设计、降噪音设计等，这样可大大降低人的疲劳程度，改善现场操作环境，提高工作效率等，以最大限度的实现人性化设计的要求。产品的造型设计应遵循“功能第一、艺术第二”和“要体现以人为核心，不要为艺术而艺术的原则”，对产品

16、的美化造型不应影响产品的功能和性能，更不能因为造型设计对产品成本影响太大，颠倒了主次关系。造型设计的设计要点一定要分清主次，第一位的是形体，掌握好比例与尺度，能采用黄金分割比的形体尽可能采用，从总体结构上给人以美感。造型第二位的是色彩。色彩虽不如形态给人的美感强烈，但通过合理的色彩搭配同样能都改变人们对某些产品的看法。综上，本机器以蓝白色为主要基调设计，整体尺寸符合造型美。5.价值优化设计提高产品的品质，降低产品的成本，要建立产品的“差异性”特质。价值和价值优化设计在价值工程中，对产品的社会效益和经济效益的考核，通常使用 “价值”概念。“价值”是一种评价标准，以此评价事物的有益程度。产品的价值

17、（以V表示）通常定义为产品的功能（以F表示） 与实现该功能所耗成本（以C表示）的比。用公式表示： V = F C F可以通过用户为获得一定功能所付的费用来表达。 C厂家为生产、销售产品所付出的总成本。 从上式可看出，价值是一个比较的概念其意义在于表示对于付出这样多的耗费而取得那么多的成果是否值得的一种衡量。V值的大小可作为衡量功能与成本关系的标准： 当Vl时，表示以最低的费用实现了产品要求的必要功能， 两者的比例合适； 当V1时表示实现产品的必要功能付出了较高或过高的成本， 两者的比例不合适，应予改进。提高产品的价值应从以下方面入手：1） 改进设计，使产品在提高功能的同时降低成本或成本不变；2

18、） 保持功能不变的基础上，通过新工艺、新设计降低产品的成本；3） 在成本略有提高的基础上大幅度提高商品的功能；4） 在不影响主要功能前提下，削减不必要的功能从而使成本降低。降低产品成本应从以下方面入手：生产成本、运行成本和维修成本。其中生产成本占成本的绝大部分，降低生产成本首当其冲。产品的材料成本在其生产成本中占有相当大的比例，在材料上选择合理廉价或代用材料、新型材料并考虑材料的重复利用等；对于功能与总体尺寸无关的产品，要注意应用紧缩设计法，即在设计中贯彻紧凑原则，使产品体积小、质量轻。这不仅可以降低成本，还能显著减少储存费用和运输费用。在结构设计上尽量减小零件及构件尺寸，尽量减少零件数目，设

19、计便于加工的结构，减少加工工序的结构和降低公差与技术要求的结构，并尽可能大量使用标准件及模块式组合结构6.绿色设计产品的视觉形象对环境保护也会产生间接的影响。主要体现在产品寿命期限和相对材料的选择两个方面。由于人们以往的生活方式造成大量的产品品种的过时，以及产品频繁更换的速度对环境保护产生了不好的影响，如果能延长产品寿命期限，就可以减少对资源无谓的浪费。从某些角度看，“绿色设计”不能被看作是一种风格的表现。成功的“绿色设计”的产品来自于设计师对环境问题的高度意识，并在设计和开发过程中运用设计师和相关组织的经验、知识和创造性结晶。目前大致有以下几种设计主题和发展趋势： 1)使用天然的材料，以“未

20、经加工的”形式在家具产品、建筑材料和织物中得到体现和运用。 2)怀旧的简洁的风格，精心融入“高科技”的因素，使用户感到产品是可亲的、温暖的。 3)实用且节能。 4)强调使用材料的经济性，摒弃无用的功能和纯装饰的样式，创造形象生动的造型，回归经典的简洁。 5)多种用途的产品设计，通过变化可以增加乐趣的设计，避免因厌烦而替换的需求；它能够升级、更新，通过尽可能少地使用其它材料来延长寿命；使用“附加智能”或可拆卸组件。 6)产品与服务的非物质化。 7)组合设计和循环设计。 7.设计试验设计试验可以分为两大类：1.基础试验，对有关零件的材料、工艺和结构方面的试验，主要解决强度、寿命、选择合理结构问题；

21、2.功能和行为特性试验，进行工作原理、工作特性、振动、噪声、精度和稳定性试验。首先应进行的是基础试验，在零件的材料、工艺和结构均符合的情况下，再进行功能和行为特性试验。功能和行为特性试验则主要分为以下两种：功能原理设计阶段的模型试验是为了验证所构思的功能原理解法是否能实现原定功能目标，了解各种功能原理有何不同和是否可取。实用化设计阶段的样机试验是新产品正式投产之前，进行产品的试制。通过样机试验来验证一下技术状况：1）产品是否有良好的功能原理；2）产品的实际工作效果、效率及技术性能指标；3）样机的零件性能，如强度、刚度、可靠性、寿命。参考文献：1 宗光华.机器人的创意设计与实践M.北京:北京航空航天大学出版社,2004. 2 檀润华.创新设计-TRIZ:发明问题解决理论M.北京:机械工业出版社,2002. 3 沈明霞,姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向J.农机化研究,2000(2):31-35. 4 清弘智昭 铃木升.机器人制作宝典M.北京:科学出版社,2002. 5 城井田胜仁.机器人组装大全M.北京:科学出版社,2002.