自走式除草机器人结构设计

本科论文目录TOC\o"1-3"\h\u8301摘要 13515引言 343701自走式除草机器人介绍 4282831.1课题研究的目的及意义 411241.1.1课题研究的目的 4191801.1.2课题研究的意义 4262391.2自走式除草机器人国内外的现状 4282731.2.1国内的研究现状 435941.2.2国外研究现状 5270251.3课题设计思路 579671.4课题设计结构 5153542自走式除草机器人的总体设计方案 6210582.1自走式除草机器人的组成及各部分关系概述 698082.2自走式除草机器人驱动方案的确认 633652.2.1电动机驱动 6308762.2.2液压驱动 7152332.2.3气压驱动 7295412.2.4驱动方案的确认 8227022.3总体方案拟定 856073自走式除草机器人整体结构的设计 1069623.1机器人行走驱动方案的选择 1020163.2驱动电机的选择 10291493.3机器人底盘的设计 13293773.4机器人车轮的设计 1417153.5除草刀片的设计 15198223.6辅助轮阶梯轴的有限元分析 16241153.6.1阶梯轴零件的三维建模 16304513.6.2确定材料 1676073.6.3添加夹具 1781443.6.4施加载荷 1866623.6.5生成网格 18160823.6.6运算求解 1959703.6.7分析结果输出 20198223.7除草机械臂传动装置计算 22241153.7.1除草机械臂机构传动轴的校核计算 22304513.7.2除草机械臂机构传动齿轮的校核计算 23301034自走式除草机器人三维造型的设计 27118234.1Solidworks软件简介 27107844.2零件建模 2795524.2.1阶梯轴三维建模的形成 2715794.2.2底盘的三维建模形成 27199724.2.3其他零件的三维模型造型 28210374.3零件装配 2986514.4三维向二维的转换 304486结论 3211073致谢 3315101参考文献 34本科论文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：600mm×240mm×240mm，行走速度：4km/h，最长往返距离：100m，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

AbstractDuetotherapiddevelopmentofagriculturalproduction,agriculturalproductiontechnologyisalsoinurgentneedofdevelopment,allkindsofproductiononlyrelyonhumancannotmeetthedemand.Theresearchofweedingrobots,amongwhichthekinematicsanalysisofroboticrobotarmsandthedesignofroboticarmsarethekeytechnologies,andthecontinuousimprovementofweedingmethodshasgreatlyimprovedtheefficiency.ItisbelievedthatasChinaattachesgreatimportancetoagriculturalrobots,Chinawillachieveamajorbreakthroughinthefieldofagriculturalweedingrobotresearch.China'sagriculturalproductioncapacityhasgreatlyimproved.

Theself-propelledweedingrobotdesignedinthispaperincludesrobotwalkingmechanism,weedcuttingrobotarm,wirelessfunctionmodule,powermodule,visionmoduleandsoon.Thisautomaticweedingrobotusesitsvisionprocessingmoduletoautomaticallymovetothewholebodytoautomaticallyidentifyweeds.Whileweeding,itcanalsouseitswirelessfunctionmoduletorealizeremotecontrolweeding.Mydraftingorganizationcanworktoadapttodifferentoperatingconditions.Thesizeoftheself-propelledweedingrobotis600mm×240mm×240mmundernormalworkingconditions,thewalkingspeedis4km/h,thelongestround-tripdistanceis100m,andthemaximumsingleactivityareais2000.Inthisarticle,wecanconfirmarobotscheme,completethedesignandcalculationofthecorecomponents,thenuse3DSolidWorkstocompletethethree-dimensionalmodeloftheself-propelledlawnmowerrobot,andderivethetwo-dimensionalflowchart.

Keywords:self-propelledweedingrobot,walkingmechanism,visionmodule,motionsimulation,3Dmodeling

引言在我国工业科技不断发展的过程中，工业科技对农业科技的发展同时也产生了巨大的影响，而农业机器人作为公共农业发展的共同产物而受到重视，2019年我国粮食总产量达到66384吨，同时由于我国人口基数大，中国的粮食消耗量也相当大。而在农业生产活动中，杂草不仅是不可避免的，也是影响粮食产量的主要问题之一，杂草可以说是谷物的天敌。首先，杂草具有很强的生命力，在田地里争夺作物和多种生长所需的养分，降低农业生产效率。其次，杂草会产生多种病虫害，影响农作物的生长。我国受杂草灾害困扰的农地约为4300万公顷，每年减少我国粮食产量100亿千克。到现在为止中国主要除草方式主要是人工除草和化学除草两种。人工除草主要通过使用简单的农具或直接使用人力拔草，效率极低，工作量大，大大消耗了农业生产中的劳动力，而化学除草是通过化学药物改变土质除草，农民在除草过程中大量的喷射方式除草。节约时间容易，但容易造成环境污染和化学渣滓，危害人们的身体健康。另外，由于面积大的除草对杂草没有目标性，除草效率不高，需要反复进行。近几年来，中国第一产业劳动力大幅下降。中国的人口基数虽大，但劳动力更多地分布在其他产业，中国人口老龄化问题使得农业生产成本不断提高，研究自走式除草器人具有重要意义。农业机械化、智能化也是国家农业发展的必然趋势。特别是在2013年中央下发的文件中，现代化农业科技的发展乃是中国新农村建设中不可缺少的重要部分，提出了对农业的新概念。而农业最重要的是利用现代先进的技术条件对自然进行减少，环境污染的破坏，其中除草机器人的研究不仅大大降低了劳动的成本，而且对环境污染和人类健康的危害云的影响也会避免。另外农业机械化的水平也会从不同层次上代表一个国家的农业水平，农业机械化水平越高，农业生产效率就会越高。因此，农业机器人的研究不仅是对国利民的研究，而且非常同时也是对广阔市场的研究。1自走式除草机器人介绍1.1课题研究的目的及意义1.1.1课题研究的目的当今时代，农业生产随之快速发展，农业生产技术也急需提高需求，各种人工生产所获得的收益和成就早已不能满足，在对除草机器人的研究中，机器人的运动学分析，机械结构设计和图像认识是关键技术。不断改进除草方法，除草效率显著提高，中国农业生产才能力大大提高。1.1.2课题研究的意义通过使用自走式除草机器人这种方式，除草农田的工作主要由机器人完成，高效，自动作业减少人们的麻烦。并且选择土地，正确使用除草剂，避免损伤农作物。与传统的喷雾剂试药方法相比，大幅减少除草剂的容量，保护环境。农业机器人的发展，特别是除草机器人的发展，是从我国农业的高效产业化向更多的领域发展。展望未来的经济效果是不可估量的，农田的除草作业可以以自动机器为主，节约时间，自觉地减少人们过重的劳动。使用精准高效的除草剂可避免农作物受损。与旧的喷射方式相比，大大减少了除草剂等化学药品的使用，对环境也有积极的影响，从各个方面来看，我们拥有巨大的力量和发展空间，实现了农业现代化时代发展的目标，并使除草机器人更加科学。同时通过本课题，综合利用学生在毕业设计过程中所学的基础课程和专业课程，整合知识和技能会使我们的能力具现化。1.2自走式除草机器人国内外的现状1.2.1国内的研究现状东北林业大学开发出了采果球机器人。解决了产能低、时间长、危险度高、对树木资源造成巨大危害的问题，中国农业大学研究了蔬菜自主嫁接机器人，完善了机器人蔬菜苗木的准确作业、迅速地捕捉和优质的嫁接对象，解决了蔬菜苗的柔软、脆弱、改善了生产不平衡等问题，机器人使用独特的嫁接方法，自行折叠，最高时速600株/小时，合格率95%以上，目前农业机器人研究的重点主要涉及几个方面。主要分为，机器人的自动导航、有效目标的选择和定位、作业机械结构的设计，电子的重点主要集中在图像信息的获取、作业计划和自主控制等方面，也可以笼统的称之为行走串联机器人，例如野外培养、野外信息采集机器人等；后者的研究主要集中在实际操作模式区别和具体操作结构的设计与控制等，或是机械臂串联机器人，如果蔬摘取、成熟度检测、植物嫁接机器人等，它们互相配合，互相交融。根据农业活动的不同，他们有自己的侧重点。1.2.2国外研究现状伊利诺大学农业与生物工程系对机器感应视觉系统对某些植物的普遍特征的采集和计算中的应用进行了深入研究，该装置为3.7m和0.43m范围内各种各样的植物、石头、土壤等，且在0.24秒内喷洒，因此喷射函数以14km/h的速度出现，准确度高达91%。澳大利亚的科研机构开发了智能型的耕地应用机器，在田里作业期间，利用特别的传感器进行喷洒。所以可以区分作物和杂草，发现非作物植物时，会释放相应的喷雾，这种方式只适用于非作物植物，为一般药物成本的1/10，甚至还会是一个更小的比例。不仅节约了生产成本，而且减少了环境污染，通过机械视觉发现了非作物植物，再利用手臂进行物理作业，大大减少了化学除草剂的使用，有效地减少了环境污染。1.3课题设计思路（1）参照目前市面上大部分与自走式除草机器人产品相关数据，了解整个自走式除草机器人的整机系统的组成。（2）自走式除草机器人整机方案的确认。（3）自走式除草机器人整机的设计与计算，并对其主要零部件进行设计和校核。（4）自走式除草机器人整机的Solidworks三维建模。1.4课题设计结构本文以自走式除草机器人项目作为应用背景，对其机械结构进行了研究。全文共分为四章，每个章节的简介如下：第一章前言部分，主要介绍自走式除草机器人的研究现状和课题研究的目的及意义；第二章对整个自走式除草机器人的整机方案进行确认，包括传动系统，驱动系统等确认。第三章完成整个自走式除草机器人的设计与计算；第四章对于自走式除草机器人进行Solidworks三维建模；总结全文的研究与设计工作，归纳出存在的问题并以便更深入地研究。2自走式除草机器人的总体设计方案2.1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。2.2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。2.2.1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。2.2.2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：油压系统介质压缩性小，作业稳定，获得较高位置的精度。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。2.2.3气压驱动与其他的驱动进行比较，气压驱动的特点是：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40000～60000Pa，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。2.2.4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。2.3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。3自走式除草机器人整体结构的设计3.1机器人行走驱动方案的选择轮式机器人的机械结构如图3.1，图3.2，图3.3。图3.1两轮独立驱动结构图3.2前轮驱动兼转向结构图3.3后轮驱动，前轮转向结构如图3.1，使用分别独立的驱动结构，不同直流伺服系统驱动带动不同的驱动轮，旋转速度或力矩被供给。我们将前轮选取为万向轮，可保证不同角度移动，这种结构优势：简单、轻便、控制性好，运动灵活、旋转半径小。图3.2中的机器人是前轮驱动轮型的机器人。后轮仅作为辅助轮胎，方向并不会改变。前轮包含了驱动和转向两项工作，两轮拥有一致的驱动速度，转向速度。这种轮组结构的优势在于运动时平滑，整体结构具有稳定性；不足之处是结构相对更复杂，控制难度高。图3.3中，后轮为驱动轮，前轮为转向轮，前后各电机结构相对复杂。综合上述三种驱动方案，我们选择第一种驱动方案。但我们把前辅助轮采用固定轮结构，通过驱动轮两个电机的差动实现方向转化工作。3.2驱动电机的选择在现代机器人行业的发展中，机器人的运动控制中通常使用的电机有步进电机、交流伺服电机和直流伺服电机，对其基本性能、作业方式和操控进行分类介绍。以下简称表3.1。通常状况下机器人使用发动机的基本要求；（1）反转与正转时的特性相同，有良好的响应特性。（2）启动、停止和反向均能连续有效地进行，运行特性稳定。（3）良好的阻力在出口上体积小，重量轻。（4）修理容易，不用维护。驱动轮是两个后轮，稳定性好，具有一定的过载能力，能量消耗低，控制性好，精密度高，能量消耗低，输出转矩大。通过对上述电机的传动机构特征、自身重量、特性、控制方式和移动机器人的移动性能要求、作业原理等因素的比较，我们将直流电器作为驱动电机。直流电动机由于高效、优秀的动态特性，简单的控制性能，良好的线性调速特性，占据了调节和控制速度的绝对地位。表3.1不同电机的特性、工作原理与控制方式电机类型主要特点构造与工作原理控制方式步进电机直接用数字信号控制，与计算机接口简单，没有电刷，维修方便，寿命长。缺点是能量转换效率低，易失步，过载能力弱。按产生转矩的方式可分为：永磁式，反应式和混合式。混合式能产生较大转矩，应用广泛。永磁式是单向励磁，精度高，但易失步，反应式是双向励磁，输出转矩大，转子过冲小，但效率低；混合式是单-双向励磁，分辨率高，运转平稳。直流伺服电机接通直流电即可工作，控制简单；启动转矩大，转速和转矩容易控制，效率高；需要定时维护和更换电刷，使用寿命短，噪声大。由永磁体定子，线圈转子，电刷和换向器构成。通过电刷和换向器使电流方向随转子的转动角度而变化，实现连续转动。转动控制采用电压控制方式，两者成正比。转矩控制采用电流控制方式，两者也成正比。交流伺服电机没有电刷和换向器，无须维修；驱动电路复杂，价格高。按结构分为同步和异步。无刷直流电机结构与同步电机相同，特性与支流电机相同。分为电压控制和频率控制两种方式。异步电机常采用电压控制。尽管受到其他电动机（如交流变频电动机、步进电动机等）的地位上的威胁，许多调速控制电动机的最佳拍档仍是直流电动机，用途广泛。所需电机的电力计算：机器人小型车的力量强度与图3.4相同。机器人所需的牵引力（3-1）式中——机器人移动需要的牵引力（3-2）式中——自身重力而产生的阻力（3-3）式中——机器人移动所受摩擦力图3.4机器人小车的受力简图则有：（3-4）式中——摩擦系数式中——最大爬坡角度（据课题要求可以按0计算）这里我们估算机器人的总重为10，运行速度为0.6，静摩擦因数为0.15则机器人在水平面上运动的功率为：（3-5）传动装置的总效率：（3-6）按照表3.2确定的个部分效率有：直接传动效率：；滑动轴承效率：代入得到：所需直流电机的最小功率：（3-7）即一台电机的功率是4.05W。经过严密的计算与选择，最终我们认为广东德昌微型电机公司的SRC-5555-3250型直流电动机是最符合要求的。技术变量如表3.2。表3.2直流电机技术参数表型号额定电压空载最大效率下制动转速电流转速电流力矩功率力矩功率r/minAr/minAg.cmWg.cmWSRC-555-325012vCONSTANT61000.2453000.792296.216509.203.3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3.4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3.5除草刀片的设计本次设计的除草机构，采用了直接用直流电机通过联轴器接割草的圆盘。结构更简单，拆装刀具更方便，为我们的自走式除草机器人提供更多功能的延展性。刀片的三维结构图如图3.7。图3.7除草刀片3.6辅助轮阶梯轴的有限元分析首先，阶梯轴的主体结构进行三维建模.完成三维建模后，对该部分进行有限元分析，阶梯轴的轴承、螺栓等部件可以不必单独受力分析。对阶梯轴整体结构进行静态分析，会引发大量数据可以生产，系统的计算时间会持续几天或几天以上。所以为了缩短计算时间，更准确、更系统地分析阶梯轴主体。即直接将阶梯轴主体分离出来单独进行静态分析，以确保系统的强度和稳定性，具体步骤如下：3.6.1阶梯轴零件的三维建模利用SOLIDWORKS软件对阶梯轴零件进行三维模型，全部绘制过程无法逐一详细描述，我们将部分非标零件进行简单的说明。得到的三维模型如图3.8所示。图3.8阶梯轴模型3.6.2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Solidworks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3.6.3添加夹具在夹具选项卡上，固定其约束。各个约束都可以包含多面，被约束的面会受到所有方向的限制。为了由于刚性实体运动而导致分析失败，必须对零件的其中一面进行约束。分析前，要先确认夹具，如图3.10所见，阶梯轴的两端端是固定端，即模拟软件中夹具夹住阶梯轴轴承固定端的部分。图3.10添加夹具3.6.4施加载荷我们将阶梯轴的载荷设定为1200N。载荷选项中，应用力和压力载荷至我们设计的轴体的面，不同的力可以使用一个面上，在阶梯轴实际工况得出的受力情况如图3.11。图3.11阶梯轴竖直方向施加载荷3.6.5生成网格下一阶段，阶梯轴应按网格划分。首先我们要进行曲面网格化，将段网格器将节放置于边界上。再把在内部生成节，用四面单元填充体积，并将中侧节放置于边线上。我们通常优先选择网格参数，如图3.12。设置网格密度良好，对阶梯轴生成定义的网格。图3.12阶梯轴网格化3.6.6运算求解完成上述操作后点击运行，Solidworks开始对算例自行进行分析与计算，求解过程如下图3.13所示。图3.13运行算例分析当运行结束后，就可以得到阶梯轴模型安全系数、位移、应变、应力等各项参数的有限元分析结果。3.6.7分析结果输出Simulation模块的结果标签中生成的图形可以生动地表现阶梯轴各部位的应力—应变的情况、位移的情况和安全系数的情况。如图3.14所示，结果第一个窗口显示的是阶梯轴所有位置的最低安全系数，标准工序规则一般要求安全系数高出1.5或更大，对给定的最低安全系数。软件按照可能的安全性和非安全性，安全区域与非安全区域分别绘制不同颜色，阶梯轴主体部分应力、位移、应变及安全系数分布图3.14至3.18。图3.14输出结果图3.15安全系数图3.16位移分布图图3.17应变分布图图3.18应力分布图阶梯轴在作业情况的负荷下进行载荷时，最低安全系数为1.39，如图3.13所示，阶梯轴的屈服力大约为220MPA，材料的抗拉强度为490MPA，符合设计要求。3.7除草机械臂传动装置计算从强度，硬度，受力，弯曲疲劳强度等多个角度对对传动轴进行校核，对齿轮进行选取。图3.18传动轴图3.7.1除草机械臂机构传动轴的校核计算辅助机构中的传动轴结构如下：图3.19传动轴图按轴的扭转强度计算轴径最小值，由（3-8）该作品中以10mm的传动轴作为最小传动轴，合乎设计需求。2、根据轴的扭转刚度计算其轴径的最小值，如表所示：表3.3剪切弹性模量时的B值0.250.511.522.5R12910991.582.77772.8注:1.表中值为每米轴长允许的扭转角。2.许用扭转角的选用，应按实际情况面定。椎荐供参考的范围如下:对于费求精密、稳定的传动，可取=0.25-0.5(0)/m;对于一般传动，可取=0.5-;对于要求不高的传动，可大于，起重机传动轴，=;重型机床走刀轴，=5’/m。式中B按以上表格选取，则B=77。此计算结果也符合要求。3.7.2除草机械臂机构传动齿轮的校核计算除草机机械臂的正常工作是由主轴传递动能到各个机械关节来进行传动的。第一次减速是由小齿轮和齿轮1完成的。齿轮1、2相互啮合完成反向传动。齿轮2和大齿轮完成了另一次的减速。在整个工作过程中完成了两次的减速运动。机械臂拔取杂草的长度被定为l=24mm。根据公式可得出：（3-9）从而得到的机械关节的转速。并且它的传动比为3.49分配其传动比，另一个周的转速是311r/m。直齿锥齿轮的轴交角为90°。（1）齿轮材料、齿轮精度等级、齿轮齿数的选择根据传动方案，齿轮传动中选择了支持圆柱齿轮。工作时转速不高，所以齿轮的精度选择了7级。小齿轮的材料选择为40，齿面的硬度为275，大齿轮的材料为45钢，吃面硬度为230，两者的材料硬度差了45。根据上面的传动比，可算出齿轮1、2的齿数分别为：。（2）按齿面接触强度设计根据设计的计算公式进行尝试计算，即 （3-10）①小齿轮的分度圆直径d1t初次计算，将[σ]H最小值带去进去。==48.94mm②圆周速度v的计算。（3-11）③齿宽b的计算 48.94mm （3-12）④齿宽与齿高之比的计算模数：2.04mm（3-13）齿高：h=2.25mt=2.25×2.04=4.59mm（3-14）=10.66（3-15）⑤载荷系数的计算。根据，精度选择为7级，查得动载荷系数=1.09；直齿轮，；查文献可得，使用系数=1，当精度为7级时、小齿轮相对支撑非对称布置时，=1.418。根据=10.66，=1.418，参考图10-13可得出=1.35；所以载荷系数：==1.546（3-16）⑥由实际载荷系数校正计算得出分度圆直径，通过下述公式可得：=51.85mm（3-17）⑦模数的计算。=2.16mm（3-18）（3）根据齿根弯曲强度设计。通过完全强度的设计公式：（3-19）将公式内各个数值进行确定。①查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限=500MPa；大齿轮的弯曲疲劳强度=380MPa；②查得弯曲疲劳寿命系数；；③弯曲疲劳许应用力的计算。取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得（3-20）=303.57MPa=238.86MPa④载荷系数的计算=1×1.09×1×1.35=1.472⑤查取齿形系数由表10-5查得=2.65；=2.30。⑥查取应力校对系数由表10-5查得=1.58；=1.715。⑦大、小齿轮的并加以比较。==0.01379==0.01651大齿轮的数值大。设计计算：=1.48mm将计算结果进行比较，齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲强度计算的模数。由于齿轮模数m的大小主要取决于由弯曲强度决定的承载能力，也因为齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，所以最好的弯曲强度的模数1.48为基准值m=1.5，以接触强度计算的分度圆径＝51.84mm，计算小号齿轮的齿数。=34.56，取=35大齿轮齿数=2.3×35=80.5，故取81。将齿轮传动设计成这个样子，不仅仅被满足吃面接触疲劳强度不仅仅被满足，也达到了齿根弯曲疲劳强度要求，而且结构紧凑，还节省了材料。4自走式除草机器人三维造型的设计4.1Solidworks软件简介SolidWork是一款三维制图仿真软件，相比传统的2D机械制图，参数变量型CAD设计软件具有无法轻易超越的功能，是行业内部的集大成者。传统的CAD根据透视效果，逐渐画出自己想要的各单元，并标出相应的尺寸。那么，画的人和看画的人都要有较深的绘画功底和空间想象力。Soldworks2019功能丰富，在制图上方便快捷易学习。同时还可以输出超多种不同类型的文件，SolidEdge、AutoCAD、CAM、pro/ENGINEER等主流软件和文件兼容交互。还在绘制底图模式及工程图中提供了网格线的显示和网格线的截图功能可以说是非常强大。4.2零件建模4.2.1阶梯轴三维建模的形成在SolidWorks中，自走式除草机器人的阶梯轴较为简单，通过旋转、拉伸等指令，阶梯轴的三维模型如图4.1所示。图4.1阶梯轴三维图4.2.2底盘的三维建模形成由于底盘的三维模型相对于其他模型来说会复杂一些，运用了阵列、圆角、切除、拉伸等特征，绘制出自走式除草机器人底盘的三维模型。如图4.2所示图4.2底盘三维图4.2.3其他零件的三维模型造型另外，SolidWorks的标准件库里包含了各种轴承，螺钉，传动件，螺母，螺栓等数据，方便调用。自走式除草机器人轴承从库中选择轴承，滚动轴承如图4.3所示图4.3添加轴承由于自走式除草机器人控制模块的三维模型比较复杂，使用切除，圆角，阵列，拉伸等操作，形成背拉杆的三维模型。如图4.4所示图4.4背拉杆的三维建模其它零部件的三维建模这里就不一一描述4.3零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，Solidworks2019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。Solidworks2019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4.4三维向二维的转换SolidWorks是一个具有强大功能的计算机辅助绘图和设计软件，可以输出超多种不同类型的文件，SolidEdge、AutoCAD、CAM、pro/ENGINEER等主流软件和文件兼容交互。特别是装配体，在显示部件图时有独到之处。软件内自动转化并以标注相结合，以“以二维的长处来弥补三维的短处”为目的，实现了会吐的高效性。在SolidWorks上制作二维工程图。在SolidWorks的新模板中新建工程图模板。打开工具栏，在工具栏上单击“新建”按钮，右键单击创建图像的区域，从文件中选择生成工程图像的三维模型，选择创建工程图像的方向，并可以拖拽其他角度的视图，最终完成图纸后将图纸以“dwg/dxf”格式保存。如图4.6所示。图4.6新建工程自定义图纸大小，或在标准图纸里进行选取，如图4.7所示图4.7选择图纸打开生成工程图的部件并拖入设计图，单击左键确定位置，持续移动鼠标延某方向拖拽，会出现不同视图。确定需要的工程图，并通过上方工具栏中的工具分析解剖部分试图。另外，还可以标注该装配体的零件及其名称。也可以在导出都在CAD中进行修改，最后获得的工程图如图4.8。图4.8除草机器人工程图结论 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。 毕业设计的过程是充满探索性，研究性和坚持性的。解决问题，迸发灵感是趣味感，充实感和成就感相结合的。我们只要怀着严谨的学习态度，努力钻研，一定会成为行业内的翘楚。致谢在这次的毕业设计是在导师赵民、赵艳华的悉心指导下完成的。从选择设计课题和自走式除草机器人的设计到论文完成，导师渊博的学识、先进的学术思想、对待研究的严谨态度和无私地奉献精神都是学生的楷模，使我受益匪浅，在论文完成之际，谨向尊敬的导师致以崇高的敬意和由衷地感谢。由于受时间和水平的限制，自走式除草机器人的结构设计还存在着不够完善的方面甚至有些错误，恳请老师和专家指教，能使本设计更完善并能付诸实际，制造出所设计的自走式除草机器人操作器，将是很欣慰的事情。参考文献[1]陈勇,侯学贵,胡娜.除草机器人机械臂的逆向求解与控制郭伟斌[J].农业工程学报,2009(4):108-112

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论文的研究方法和手段有哪些

（1）调查法

调查法是科学研究中最常用的方法之一。它是有目的、有计划、有系统地搜集有关研究对象现实状况或历史状况的材料的方法。一般是通过书面或口头回答问题的方式获得大量数据，进而对调查中收集的大量数据进行分析、比较、总结归纳，为人们提供规律性的知识。

（一）典型例子

调查法中最典型的例子是问卷调查法。它是通过书面提问收集信息的一种方法，即调查人员编制调查项目表，分发或邮寄给相关人员，询问答案，然后收集、整理、统计和研究。

（二）研究步骤

1.确定调查课题

确定题目时要注意选题是否具有研究的必要性和可能性，同时要注意选题切忌太大，也要避免无意义的重复劳动。

2.制定调查计划

要明确调查课题、调查目的、调查对象、调查范围、调查手段、调查步骤、时间安排。

3.收集材料

收集材料时要尽可能保持材料的客观性，尽可能采取多种手段或途径。

4.整理材料

将收集到的材料进行整理，以便后续总结归纳、形成结论。

5.总结研究

对整理完的材料进行分析、总结、归纳，得出一般性的结论。

（三）特点

调查法相对其他研究方法来说较为耗时耗力，但也有其优势，即获得的一手资料信息真实具体，能够对研究对象有更加准确、清晰的认识。

（2）观察法

观察法是指人们有目的、有计划地通过感官和辅助仪器，对处于自然状态下的客观事物进行系统考察，从而获取经验事实的一种科学研究方法。

（一）典型例子

皮亚杰的儿童认知发展理论就是通过观察法提炼总结出来的；儿童心理学创始人——普莱尔，也是在一次次地使用观察法后，提出了儿童心理学领域中的诸多理论。

（二）研究步骤

1.明确观察对象

在选择和确定研究问题的基础上确定观察者与观察对象。

2.制定观察计划

在观察计划中要规定明确的观察目的、重点、范围以及要搜集的材料。

3.做好观察准备

观察准备是否充分，往往影响观察的成败。

4.做好记录

在观察过程中要时时记录，不放掉任何一个关键信息。

（三）特点

观察法具有拓展人们的感性知识、启发思想等优点，但是由于其强调研究要在自然环境下进行，且不允许掺杂个人的偏见，确为实际操作带来了一定困难。

（3）实验法

实验法是指经过精心设计，在高度控制的条件下，通过操纵某些因素，从而发现变量间因果关系以验证预定假设的研究方法。核心在于对所要研究的对象在条件方面加以适当的控制，排除自然状态下无关因素的干扰。

（一