摘 要
由于农业生产的快速发展，农业生产技术同时也急需发展，各种仅仅依靠人工的生产早已不能满足需求。对于自走式除草机器人的研究，其中机器人机械臂的运动学分析和机器人机械臂的设计是更加关键的技术。由于机器人的出现，除草方法不断改进，效率显著提升。随着我国对农业机器人的重视程度地提高，我国农业除草机器人的研究一定会取得重大突破，会使我国农业产能大大提高。
本文设计的自走式除草机器人，总体由机器人行走机构、电源模块、切割杂草的机械手臂、视觉模块、无线功能模块等组成。该自走式除草机器人利用它的视觉处理模块自动移动到整体自动识别杂草处，有目的在进行除草作业的同时，还可以利用其无线功能模块实现遥控除草作业，我的起草机构可以进行作业适应不同的操作情况。该自走式除草机器人在正常工作状态下尺寸：600 mm×240 mm×240 mm，行走速度：4 km/h，最长往返距离：100 m，最大单次活动面积：2000 。本文可以先确认一个机器人方案，完成核心部件的设计和计算，然后利用三维SOLIDWORKS完成自走式除草机机器人的三维模型，并导出二维工程图。
关键词：自走式除草机器人，行走机构，视觉模块，运动仿真，三维建模
1 自走式除草机器人的总体设计方案
1.1 自走式除草机器人的组成及各部分关系概述
自走式除草机器人主要由视觉系统组成、控制系统和、驱动系统、执行系统。
视觉系统：通过机器人视觉完成机器人的智能控制，包括前方障碍的识别、杂草的识别等。
控制系统：通过对驱动系统地控制，让执行系统按照规定的要求工作，出错或发生故障时发出报警信号。
驱动系统：为系统各部件提供动力，驱动其动力的装置，常用的是机械传动、液压传动、气压传动和传动。
执行系统：运行系统是自动除草机机器人完成作业的部件。
2 确认自走式除草机器人驱的动方案
设备的驱动方式分别有和电动式、气动式和液压式气动式。下面分析和比较三种驱动方式。
2.1 电动机驱动
电动机驱动一般可分为：
（1）步进电动机驱动。
（2）交、直流电动机驱动，
（3）交、直流伺服电动机驱动
一般步进电动机则主要用于开环控制系统，一般用于速度和位置精度要求不高。伺服电动机与步进输出力矩相对小，控制性好，可实现速度和位置控制更精确，适合中、小型设备。交、直伺服电动机一般在闭环控制系统中常见，步进电动机主要用于开环控制系统，一般用于速度与位置精度要求不高。交、直流电动机驱动需要加减速装置，输出力矩较大，但控制性能差，惯性较大，适用于大、中型或重型设备。
2.2 液压驱动
该设计之中的驱动系统使用液压驱动，有以下几个优点：
（1）油压系统介质压缩性小，作业稳定，获得较高位置的精度。
（2）油压系统以油为媒介，具有防锈和自身润滑性，提高机械效率，使用寿命长。
（3）油压容易达到较高压力（普通油压2.6~6.2mpa）。体积小，可以得到较大的推力或转矩。
（4）液压传动中力量、速度和方向容易实现自动控制。
液压传动系统的不足点是：
（1）油液黏度随着温度变化而变化，影响工作性能，容易在高温下引发爆炸等危险。
（2）油液泄漏难以克服，需要油压部件的精密度和质量是很严格的，制造的成本相交其他形势而言较高。
（3）相应的油供给系统，特别是电液伺服系统，要求严格的油过滤装置，否则会发生故障。
油压驱动方式地输出力和功率非常之大，通常可以在更大的伺服机构上工作，多用于大型设备的驱动。
2.3 气压驱动
与其他的驱动进行比较，气压驱动的特点是：
（1）空气介质对环境没有污染，相对安全，可直接用于高温作业。
（2）压缩空气黏度低，容易达到高速。
（3）气动元件工由于作压力低，制造要求也低于液压元件。
（4）利用工厂集中的压缩站供给空气，无须添加动力设备。
其不足之处是：
（1）其结构相对更大，因为压缩空气一般压力要40000～60000 Pa，该方式需要获得较大的力。
（2）空气的压缩性较其他介质大，作业稳定性低，难以调速，难以达到准确位置，难以控制。
（3）去除空气压缩水的问题是非常重要的问题，如果处理不好的话，钢铁零件会生锈，设备的功能会下降，而排气会引起噪音污染。
空气驱动主要用于点控制、捕捉、开关控制和顺序控制的设备。
3 驱动方案的确认
经研究上述三种驱动方案后，本次设计的自走式除草机器人属于高精度要求的设备，所以本次设计选用电机驱动。
4 总体方案拟定
因为本自走式除草机器人的要求是功能完备，所以本次设计的自走式除草机器人采用如图2.1所示的结构形式：
图2.1 自走式除草机器人原理图
本次自走式除草机器人的结构原理图如图2.1所示，从图中可以看出，本机器人为后轮驱动，前轮为辅助轮；蓄电池为不同机构供电；天线接受外部遥控控制型号；齿轮齿条摆动的机构对于实现自走式除草机器人机构的上下摆动有至关重要的作用，可适应不同工况下的除草作业；除草机构是执行除草任务的关键部件，其包括驱动电机、除草刀片等组成；机器视觉对于路面状况、杂草、植物等检测的工作控制板；用于独立工作拔草的四自由度机械臂；为实现每个动作的核心控制原件，其核心的组件被称之为单片机，通过程序实现各个动作。
4.1 机器人底盘的设计
在设计底盘时，我们必须考虑的底盘的结构强度和各部件的配置关系，底盘设计不能太大，同时各部件的布置要合理，考虑底盘的强度，本次设计的底盘如图3.5所示。
图3.5 底盘设计图
4.2 机器人车轮的设计
在该设计中，可以通过机器人的运动方式选择轮胎，车轮方式提供了多种排列方式，满足不同的情况需求。改变方向的简单化，就可以实现运动的正确控制，机械结构简单。我们考虑到设计好的机器人的工作环境和控制要求，选择了四车轮方式。
选择车轮将不同的因素咕噜进来。例如机器人的电机功率、地形情况、重量、尺寸等。车辆重量和负载重量约为10kg，使用易于加工、质量坚硬的聚苯乙烯为轮毂，不充气的中空橡胶为轮胎。橡胶和地面附着系数大，具有足够的驱动能力，整体轻便是我们选择它的原因。参考由SOLIDWORKS绘制的图3.6如下。
图3.6 车轮三维设计图
5 确定材料
组成的材料是决定零件反应的关键，我们根据材料的弹性属性回馈给程序，可在材料库中选择材料分派给零件，阶梯轴受到了很大的压力和拉力，阶梯轴材料一般选择碳素钢，使用Solid works中 Simlation模块在分析阶梯轴应力选择了碳素钢，如图3.9所示。
图3-9 材料选取
5.1 零件装配
零设计部件结束后，可以在构图模型中以一定的方式组合成一个组件或整个产品模型。部件组装必须在专业部件设计模式下进行，Solidworks 2019可根据下一阶段生成组件设计文件。
打开软件"新建"一个"装配体"，再将各个添加至该文件用约束整合。在组件设计模式下，Solidworks可以通过多种方法将部件添加到组件中。也可以预定义的约束集合（也称为连接）对指定数量有限制。约束装置是一般使用的组合方式。Solidworks 2019元件为操作板的约束列表框提供了各种制约类型，自动、一致、固定、插入、曲面上的一个边、坐标点、曲面上的点、相接、直线上的点等。
首先进行部分装配，再得到自走式除草机器人的整体装配图，总装配图见下图4.5。
图4.5 自走式除草机器人三维装配体
6 结论
通过以上分析完成了自走式除草机器人了本体结构方案设计。根据自走式除草机器人的设计要求完成了自走式除草机器人整体方案的设计最后，运用三维软件SolidWorks完成整体的三维装配，并对部分构建进行受力分析。此次多功能自走式除草机器人的设计可谓温故而知新，不仅完善了过去学习生活中的纰漏，同时也精进了机械设计方面的技能。
通过本次设计我可以更加系统地了解多功能自走式除草机器人方面的知识。对于自走式除草机器人在农业方面的应用，有了更深入地了解，对其未来的发展趋势更是有所启发。在设计过程当中遇到的各种困难，我通过思考和咨询同学和全老师获得了多解决问题的方法和方式。