苗间锄草机器人设计及优化设计论文

毕业设计题 目苗间锄草机器人设计及优化设计学生姓名学 号系 部专 业班 级指导教师二一五年X月摘要随着农业生产的快速发展，农业生产技术急需发展，各种人工的生产已经不能满足需要。除草机器人的研究，这其中机器人机械臂的运动学分析和图像识别又是比较关键的技术，以及除草方法的不断改进更使效率大大提高。相信随着我国对对农业机器人的高度重视，我国在农业除草机器人的研究领域会取得重大的突破。我国的农业生产能力家大大提高。本文设计一款苗间锄草机器人，其包括机器人行走机构、无线功能模块、除草机构、电源模块、视觉模块等组成。本苗间锄草机器人利用其视觉处理模块可实现全自动自行移动除草工作，同时利用其无线功能模块可实现遥控除草工作。除草机构可上线摆动工作，适应不同的工况。本文首先确认除草机器人方案，完成关键部件设计计算，然后利用三维SOLIDWORKS完成苗间锄草机器人的三维建模，并导出二维工程图，最后利用SOLIDWORKS对苗间锄草机器人进行运动仿真。关键词：苗间锄草机器人，行走机构，视觉模块，运动仿真，三维建模AbstractWith the rapid development of agricultural production, agricultural production technology need development, all kinds of artificial production has been unable to meet the needs. Study on weeding robot, the kinematics analysis and recognition robot manipulator is the key technology, continuous improvement and weeding method more improve the efficiency. I believe that with the country attaches great importance to the agricultural robot, in our country agricultural weeding robot research field will make breakthroughs. China's agricultural production capacity greatly increased home.The design of a weeding robot in this paper, including the robot, wireless module, power supply module, weeding mechanism, visual module etc. The weeding robot using the visual processing module can realize the automatic self moving weeding work, while using its wireless remote control module can realize the function of weeding. Weeding mechanism can work on-line swing, adapt to different working conditions. This paper first confirms the weeding robot program, complete the key components of the design calculation, 3D modeling and 3D SOLIDWORKS to complete the weeding robot, and the output of engineering drawing, finally using SOLIDWORKS motion simulation for weeding robot.Keywords: weeding robot, walking mechanism, vision module, motion simulation, 3D modeling目录摘要iAbstractii第一章 引言51.1 课题研究的目的及意义51.1.1课题研究的目的51.1.2 课题研究的意义51.2苗间锄草机器人国内外的现状51.2.1国内的研究现状51.2.2国外研究现状61.3 国内外可移动机器人的发展现状61.4 移动机器人的关键技术71.5 课题设计思路91.6 课题设计结构9第二章 苗间锄草机器人的总体设计方案102.1苗间锄草机器人的组成及各部分关系概述102.2 苗间锄草机器人驱动方案的确认102.2.1 液压驱动102.2.2 气压驱动102.2.3 电动机驱动112.2.4 驱动方案的确认112.3 总体方案拟定11第三章 苗间锄草机器人整体结构的设计133.1机器人行走驱动方案的选择133.2驱动电机的选择143.3机器人底盘的设计173.4 机器人车轮的设计173.5锄草刀片的设计183.6 辅助轮阶梯轴的有限元分析193.6.1 阶梯轴零件的三维建模193.6.2 确定材料193.6.3 添加夹具203.6.4 施加载荷213.6.5 生成网格213.6.6 运算求解223.6.7 分析结果输出22第四章 苗间锄草机器人三维造型的设计254.1 Solidworks软件简介254.2 零件建模274.2.1阶梯轴三维建模的形成274.2.2 底盘的三维建模形成274.2.3其他零件的三维模型造型274.3零件装配284.4三维向二维的转换30第五章 苗间锄草机器人的仿真335.1机构仿真的作用335.2机构仿真类型335.3机构运动仿真步骤335.4 机构功能335.5 本章小结34第六章 结论356.1 本论文所取得的结果356.2 技术展望35参考文献36致谢38第一章 引言1.1 课题研究的目的及意义1.1.1课题研究的目的随着农业生产的快速发展，农业生产技术急需发展，各种人工的生产已经不能满足需要。除草机器人的研究，这其中机器人机械臂的运动学分析和图像识别又是比较关键的技术，以及除草方法的不断改进更使效率大大提高。相信随着我国对对农业机器人的高度重视，我国在农业除草机器人的研究领域会取得重大的突破。我国的农业生产能力家大大提高。1.1.2 课题研究的意义 农田杂草直接与庄稼争夺营养、水分和阳光，影响作物生长，减少作物产量。人工除草劳动强度大，效率低，使用除草剂，可有效抑制杂草，但污染环境。开发高效地去除杂草、降低以致消除生态污染的自动化除草机器人十分必要，从长远来看，将具有很高的经济效益。力图使得农田除草工作主要由机器人来完成，高效、自动，减少人们的烦琐劳动；有选择地、精确地施用除草剂，避免伤及作物；与传统的喷雾施药方法相比，大幅减少除草剂的用量，保护了环境。农业机器人的发展，特别是除草机器人的发展是我们国家农业高效产业化走向更多的土地，从各种角度将我们都有很大的动力和空间把我国的农业发展的更加现代化，除草机器人，将会更加科学。通过本课题，让学生在毕业设计过程中综合大学所学基础课程及专业课程，培养学生综合应用所学知识和技能去分析和解决一般工程技术问题的能力；进一步培养学生分析问题、创造性地解决实际问题的能力。1.2苗间锄草机器人国内外的现状1.2.1国内的研究现状除草机器人可以代替人类进行除草活动，减轻农民的劳动强度，也可以减少农业从业人口数量，提高农业设备的自动化和智能化。国外较早开展了除草机器人研究；在国内，南京林业大学陈勇等率先提出了基于直接施药方法的除草机器人，设计了由主体、机械臂、轮子和摄像头组成的自动施药除草机器人。通过机器视觉检测出杂草，利用机械臂进行“直接施药方法”除草，大大减少了化学除草剂使用量，从而有效地减少了环境污染。东北林业大学研制了林木球果采集机器人。很好地解决了目前在林区主要依靠人工上树，强度大、安全性差、生产率低，对母树损伤较大的问题。 中国农业大学开展了蔬菜自动嫁接技术研究，实现了幼苗的精确定位、快速抓取、良好切削，解决了蔬菜幼苗柔嫩、易损和生长不一致等难题。机器人采用独特嫁接方法，自动完成嫁接作业，速度达600棵小时，成功率95以上。 1.2.2国外研究现状目前农业机器人的研究主要涉及机器人田间的自主导航和作业目标的识别、定位、作业机构设计两方面。对于前者，研究的重点在于信息获取以及作业规划与自治控制方面，或可粗略地称为行走系列机器人，如：田间耕耘、农田信息采集机器人等。后者则着重于模式分类以及操作结构设计与控制等，或称机械手系列机器人，如：果蔬采摘、品质测定、水果分拣、蔬菜嫁接机器人等。两者相辅相成，互相渗透，根据农作活动的差异，各有侧重。美国伊利诺依大学农业与生物工程系研究了应用机器视觉系统采集和计算杂草分布特性，进行施用量决策并控制喷头工作的智能喷雾机。该系统能在37米×043米范围内分辨出作物、杂草和土壤，并在O24秒内做出喷雾决策。这样喷雾机能以14千米小时的速度行进，目标分辨准确率为91。澳大利亚科研人员研发出一种智能化农田施药机械，它在田间移动时，能借助专门的电子传感器来区分庄稼和杂草，一旦发现杂草便喷洒除草剂。这种只针对杂草的喷洒方式使除草剂的花费只有常规喷洒的llO，甚至更低，不仅节约了生产成本，还减少了对环境的污染。1.3 国内外可移动机器人的发展现状移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代，就己经开始有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的，对于水下机器人，则是推进器。其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。第三，必须考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感融合，特征提取，避碰及环境映射。因此，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。由于对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、扫雷排险、核、化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步较早，不管是在应用还是在研究方面，日本和美国都处于遥遥领先的地位。美国国家科学委员会曾预言:"20世纪的核心武器是坦克。21世纪的核心武器是无人作战系统，其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队，并走向战场”。为此，从80年代开始，美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项，制定了地面无人作战平台的战略计划。从此，在全世界掀开了全面研究室外移动机器人的序幕。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于80年代对机器人的智能行为期望过高，导致室外机器人的研究未达到预期的效果，但是却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验，同时也推