农业喷雾机器人机械的设计.doc
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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
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