中期答辩思路梳理

设备、机构的用途以及需要具备的功能青花菜采收机器人用于自动化田间采收，能够实现青花菜的选择性收获，需要具备的功能包括：精准采收、运输分级、适应复杂路面、除尘。末端执行器的主要机构包括：支撑机构、套筒机构以及切割机构。需要保证在整机平稳运行的过程中同时精准采集成熟的青花菜，能够依靠支撑机构带动套筒机构下压过程中的力触发切割机构完成对青花菜的采收。设计参数（根据什么得来）以及整机和其他重要参数60cm70cm60cm70cm110cm40cm15cm50cm40cm整机设计：跨单垄作业，车架总长约4000mm，宽2200mm，高度约1500mm，移动作业平台底部离地高度1050mm，青花菜通道内侧宽度1000mm。行驶速度为1-1.5m/min。整机重量：空心方管计划采用Q235钢（密度7.85g/cm³）。假设使用80×80×3mm的空心方管，总长度约40m。单根方管重量（1m）为7.5kg/m，车架总重量为300kg；传送带系统包括传送带、滚筒和支架等，估算140kg；末端执行器包括套筒机构+切割机构，估算80kg；分级装置估算100kg；储存箱+青花菜的货物，估算100kg；驱动从动轮估算200kg；操作人员70kg；合计990kg；蓄电池加上安全冗余保守算1500kg。轮子尺寸：高足轮直径1000mm，轮距设计为1250mm，轮宽设计为150mm，保证车轮在两个临近排水沟中行走。舵轮采用两个立式双舵轮（相比于卧式舵轮的优点在于牵引电机不会在行走过程中于田垄产生干涉）。卧式舵轮立式舵轮立式舵轮参数：轮子外径为200mm，机构连接平台距地面282mm，高于垄面高：150mm，能够适应田间通过。防护等级IP65，能够适应田间工作环境。最大转向角度为±140°。舵机牵引及转向电机参数：根据以上整车重量，整车工作时行驶速度，舵轮外径等参数，计算得表格参数：电机类型数量功率（W）扭矩（Nm）牵引电机2150190转向电机2450735（牵引力包括滚动阻力、坡度阻力、加速阻力，计算牵引电机功率时假设传动系统效率为0.85，计算转向电机功率时假设角速度为0.5rad/s。）应用公式：FP=T=TP=传送带尺寸及电机选型：一级传送带横向放置在整机前端，长度设计为1750mm，能够覆盖所有横向距离，二级传送带垂直提升高度850mm，水平距离2800mm，传送带宽度250mm，大于青花菜直径。一二级传送带所需驱动电机参数分别大致为5W和20W，可对应选用小型直流电机和直流减速电机。末端执行器系统：末端执行器支撑系统由4个电机驱动滚珠丝杠组成，最大运动行程尺寸分别为：1000mm*3，2100mm*1。其中一组1000mm滚珠丝杠负责整体前后平移，一个滚珠丝杠负责上下平移，2100mm滚珠丝杠负责左右移动。摆臂长度900mm。青花菜种植成之字型分布，连续采收青花菜时相邻两株整机运行方向的垂直距离为200mm，1000mm的设计参数保证套筒在采收的过程中整机依然能匀速稳定运行。上升平移丝杠和摆臂的参数设计保证套筒能够套住不同高度的青花菜。因为支撑机构只对应一个套筒机构，每次采摘过程中套筒需要左右移动，青花菜种植左右垂直距离为400mm，需要保证套筒机构的左右移动行程大于这个范围。摆臂的关节同样需要电机参与进行套筒的位姿调节，可以使用大功率伺服电机，保证足够的扭矩，减少电机尺寸。关节的旋转需要用到轴承，轴肩和端盖进行限位，接触面粗糙度Ra1.6，非接触面粗糙度Ra12.5。套筒机构的关键尺寸参数包括：主套筒内径190mm，红外触发面距离套筒底部155mm，这个参数是根据青花菜厚度加菜梗保留长度的距离相加得到的。在蓄力弹射装置中，弹射机构和副套筒之间的蓄力行程为100mm，切割机构最大张开角度在40°到50°之间，保证切割机构张开后能够使青花菜通过的同时避免与主套筒形成干涉。由于切割机构的运动杆长比大约为1：1.5，而切割青花菜的力需求为150-600N，在弹簧力等效传递的情况下，所需释放时弹簧力为大约1000N，因此弹簧刚度可选10-15N/mm。弹簧结构可选用普通圆柱形压缩弹簧，材料可选不锈钢（抗腐蚀能力强）或碳钢弹簧（强度高但需要电镀或图层处理）。自由度分析：末端执行器至少需要四个自由度，包括前进（x）方向的平移，左右（y）方向的平移，上下（z）方向的平移以及围绕y方向的旋转。三个方向的平移在前文讲过，围绕y方向的旋转的自由度是为了保证套筒机构的位姿始终保持套筒垂直向下对准青花菜。设备由哪些系统组成/部件由哪些机构组成需要在重要或脆弱零件外增加防护板材末端执行器人工位末端执行器人工位分级传送带分级系统总结田间和植株参数：60cm70cm110cm40cm15cm50cm40cm青花菜田间种植株距为35-40cm，一垄双行种植，行距为40cm，田垄宽度为110cm，垄面为60cm70cm110cm40cm15cm50cm40cm行驶速率：依据西兰花选择性采收装备关键技术研究与试验_徐港吉内容，现有青花菜采收实验农机采收效率为2-6颗/min，实际生产中人工采收效率为7-8颗/min，因此本项目设计采收效率10颗/min，保证可行性的同时提高采收效率，换算成整机的行驶速度为2m/min。1-1.5m/min整机设计：跨单垄作业，车架总长约4000mm，宽2200mm，高度约1500mm，移动作业平台底部离地高度1050mm，青花菜通道内侧宽度1000mm。整车重量：组件重量（kg）备注车架（空心方管）400-600Q235钢舵轮（驱动+转向电机）2×15=302个舵轮，各15kg高足轮（从动轮）2×10=202个从动轮，各10kg传送带电机6-104台电机，共40-80W一级传送带20-30不锈钢+PVC二级传送带50-80不锈钢+PVC末端执行器（丝杠+电机）130-18045钢+铝合金切割机构（含套筒）30-5045钢+铝合金储存箱（满载10箱）200-250单箱20-25kg蓄电池80-150供电5小时以上控制系统15-30控制器、传感器等其他附件20-40线束、支架等总重量范围（1001-1470）kg，考虑安全系数和安全冗余，保守估算整机2000kg。行走阻力：11785NFP=T=TP=驱动及转向电机选型：电机类型数量功率（W）扭矩（Nm）牵引电机2343590转向电机2490433青花菜受力：依据西兰花采收机械手的设计与试验_牛晨宇内容，青花菜花球表面所受负载在40N以下，25-35N时，花球表面无明显破损；且为了顺利切割青花菜茎秆，切割力需在30-40N之间。末端执行器设计参数：（1）切割机构的最大张开幅度需要大于青花菜采收要求中目标青花菜的直径范围，因此设计最大张开幅度需达20cm。（2）青花菜夹持力或青花菜花球所受力的范围在25-35N之间。（3）合理结构设计和材料选型，车架选用Q235，成本低、易加工、强度适中，通过喷漆或镀锌的方式增强耐腐蚀性；齿轮或传动轴材料选用45钢，强度高、耐磨性好；切割机构采用SS304。关键零部件有限元分析（ansys）；动力学分析（adams）部件推荐材料理由车架Q235成本低、易焊接传动轴、关键运动件45钢高强度耐磨接触食品的零件（如刀具）SS304不生锈、耐腐蚀欠驱动机构：本设计为欠驱动机构，欠驱动机构是指驱动自由度（独立执行器数量）少于系统的自由度的机构。方案二和方案三的驱动自由度都只有一个，来自于执行机构带动套筒下降驱动。方案二的系统自由度有两个，初始副套筒相对于套筒静止，该自由度被约束，弹射装置相对于副套筒向上平移；之后弹射装置相对于副套筒静止，该自由度被约束，副套筒相对于套筒向上平移，成为工作自由度。方案三的系统也有两个自由度。。。运动副、零部件约束关系：部件1部件2约束部件1部件2约束主套筒副套筒移动副副套筒弹射装置移动副执行机构套筒固定副青花菜地面固定副切割机构主套筒旋转副拨杆副套筒旋转副其他装置参数：横向传送带：长度1750mm，宽度250mm，运行速度0.1m/s，承载量1kg，皮带质量5kg。考虑启动冲击和安全冗余，电机功率选择10W的直流无刷电机，配合减速器达到目标运行速度。上升传送带：提升高度0.85m，水平长度2.8m，运行速度0.1m/s，承载量1kg，皮带质量5kg。电机功率选择20W，配合减速器达到目标运行速度。上升传送带需要分隔板设计，保证物料在上升过程中不