農(nóng)業(yè)智能移動平臺的機構(gòu)設(shè)計.doc

農(nóng)業(yè)智能移動平臺的機構(gòu)設(shè)計摘 要農(nóng)業(yè)智能移動平臺（agriculture and smart mobile platform）是運用計算機的計算和控制能力并利用傳感器技術(shù)對環(huán)境的分析和反饋對四輪移動小車的驅(qū)動伺服系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向伺服系統(tǒng)的精確和智能控制以達到移動平臺能攜帶各類機器智能運作的綜合平臺。該平臺能按預定的路線，速度等要求運動，并具有一定的避障，爬坡，制動等功能。農(nóng)業(yè)智能移動平臺由平臺機架，前輪，前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，后輪，后輪驅(qū)動系統(tǒng)，計算機計算和控制系統(tǒng)，傳感器分析和反饋系統(tǒng)等構(gòu)成。前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和后輪驅(qū)動系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)智能移動平臺機構(gòu)部分的基礎(chǔ)，本論文將對前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和后輪驅(qū)動系統(tǒng)進行具體的機構(gòu)設(shè)計和運動分析，設(shè)計工作如下：1：介紹國內(nèi)外各農(nóng)業(yè)機器人的現(xiàn)狀和趨勢，各類農(nóng)業(yè)機器人的工作原理，優(yōu)勢，不足和適應條件和適應范圍，綜合分析各農(nóng)業(yè)機器人的設(shè)計提出自己的設(shè)計概念，做可行性分析和各準備工作。2：對農(nóng)業(yè)機器人的功能需求和設(shè)計概念確定農(nóng)業(yè)智能移動平臺的伺服轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)的機構(gòu)設(shè)計方法。3：綜合移動平臺工作要求選擇伺服電動機和減速器。4：對農(nóng)業(yè)智能移動平臺的骨架和整體布局的設(shè)計。5：對農(nóng)業(yè)智能移動平臺整體機構(gòu)的分析，找出不足之出，提出改進方案并完善。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)，移動機器人，智能平臺。agriculture and smart mobile platform design abstract: intelligent mobile platform is the agricultural use of computers in the computing and control and make use of sensor technology on the environment analysis and feedback on the four-wheel-drive mobile robots servo system and steering precision servo systems and intelligent control to achieve the mobile platform can carry various types of machine intelligence the operation of an integrated platform .the platform according to a predetermined line, the speed of movement, etc., and has a barrier wall, climbing, braking and other functions. agriculture and smart mobile platform by platform rack, front, front-wheel steering systems, rear, rear-wheel drive system, computer and control systems, sensor analysis and feedback systems, etc.。front-wheel steering system and rear-wheel drive system is the agricultural part of the smart mobile platform basis, the paper will be front-wheel steering system and rear-wheel drive system specific institutional design and motion analysis. 1: introduction of the agricultural robot at home and abroad the status and trends of various agricultural robot working principle, advantages, shortcomings and to adapt to the conditions and adapt the scope of a comprehensive analysis of the design of agricultural robot design concept of their own, so the feasibility of analysis and the preparation work. 2: the function of the demand for agricultural robot design concept and to determine the agricultural intelligent mobile platform and the servo steering system, servo-driven design method. 3: an integrated mobile platform demanding servo motor and reducer selection. 4: intelligent mobile platform for agriculture and the overall layout of the skeleton design. 5：intelligent mobile platform for agriculture an analysis of the organization as a whole to identify the deficiencies, to improve and perfect the program.key words: agriculture, mobile robots, intelligent platform. 目錄第一章 緒 論-5-1-1前言- 5 -1.2 課題研究的背景和意義- 6 -1.3國內(nèi)外農(nóng)業(yè)智能移動平臺的發(fā)展現(xiàn)狀- 6 - 1.3.1移動機器人發(fā)展歷史- 6 - 1.3.2農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀- 7 -第二章 機構(gòu)整體選擇-8-2.1驅(qū)動方式的選擇- 8 - 2.1.1燃料機構(gòu)動力和電能機構(gòu)動力的比較- 8 - 2.1.1驅(qū)動方式的選擇- 8 -2.2電能動力的設(shè)計- 8 -2.3移動機構(gòu)的選擇- 8 - 2.3.1幾種移動機構(gòu)移動性能對比- 8 - 2.3.2移動機構(gòu)的選擇- 9 -2.4輪子配置的選擇- 9 - 2.4.1移動輪個數(shù)的比較- 9 - 2.4.2移動輪個數(shù)的選擇- 10 -2.5四輪驅(qū)動和控制方式選擇- 10 - 2.5.1幾種重要四輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和控制方式的比較- 10 - 2.5.2幾種重要的四輪驅(qū)動和其控制方式的分析- 11 - 2.5.3四輪驅(qū)動和控制方式選擇- 12 - 2.5.4選擇方案運動方式分析- 12 -2.6驅(qū)動伺服電機安裝和傳動方式的選擇- 12 - 2.6.1傳統(tǒng)電機的安裝方式- 12 - 2.6.2新型電機的安裝方式- 13 - 2.6.3傳統(tǒng)電機的安裝方式與新型電機的安裝方式的比較- 13 -2.7 轉(zhuǎn)向伺服電機安裝和傳動方式的選擇- 14 -第三章 機構(gòu)整體設(shè)計-14-3.1前輪和轉(zhuǎn)向的設(shè)計- 14 - 3.1.1輪外胎的設(shè)計- 14 - 3.1.2前輪軸和軸上零件的設(shè)計- 14 - 3.1.3前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計-16 -3.2后輪和驅(qū)動的設(shè)計- 16 - 3.2.1后輪驅(qū)動方法的設(shè)計- 16 - 3.2.2定子傳動連接方法- 17 - 3.2.3電機輸出軸和減速器輸出軸軸上零件設(shè)計- 17 -3.3平臺骨架的設(shè)計- 18 -3.4移動平臺總體設(shè)計- 19 -第四章 電機和減速器-19-4.1各類電機的對比初步選擇- 19 -4.2驅(qū)動電機的選擇- 20 - 4.2.1驅(qū)動電機的選擇原則- 20 - 4.2.2驅(qū)動電機和減速器的選擇- 21 -4.3 轉(zhuǎn)向電機的選擇- 22 -第五章 移動平臺的運動分析-23-5.1直線行走運動分析- 23 -5.2轉(zhuǎn)向行走運動分析- 23 -參考文獻-25-致謝-26- 第一章 緒 論1.1前言農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有著重要的地位，代表著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的先進水平，農(nóng)業(yè)智能移動平臺是農(nóng)業(yè)機器人的關(guān)鍵技術(shù)，也是農(nóng)業(yè)機器人的重要的組成部分他設(shè)計的好壞直接影響農(nóng)業(yè)機器人功能的實現(xiàn)情況。本設(shè)計致力于設(shè)計一臺低成本性能優(yōu)越結(jié)構(gòu)緊湊美觀的農(nóng)業(yè)智能移動平臺，從研究課題的意義和可行性出發(fā)，分析國內(nèi)外各相類似設(shè)計，綜合其設(shè)計方法和理念，從解讀和對比各類方法的優(yōu)缺點，找出合適的方法。本設(shè)計的要求和指標如下：1)結(jié)構(gòu)簡單輕便，轉(zhuǎn)向靈活，機動性好。外形尺寸適于果園或蔬菜溫室環(huán)境，并 具有一定高度的離地間隙。2)平臺自重小于60kg，載重量大于150kg，總重230kg左右。3)爬坡能力不小于，垂直越障能力大于30mm o4)峰值速度0.5m/s左右，工作速度大約0.3m/s，加速度。 5)車體具有防塵性，可在自然裸露山地上行駛。6)平臺車體能直線行走、轉(zhuǎn)向行走和制動。 可將移動平臺的設(shè)計分為幾個方面的設(shè)計：1)設(shè)計整體方案的對比與選擇。2)前輪和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)部分。3)后輪和驅(qū)動系統(tǒng)部分。4)移動平臺整體骨架部分。5)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向電動機和減速器選擇。6)移動平臺直線行走、轉(zhuǎn)向行走和制動的運動分析。1.2 課題研究的背景和意義機器人技術(shù)是一種面向未來的、現(xiàn)代化的高新技術(shù)。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的進步與發(fā)展，機器人技術(shù)與其它高新技術(shù)之間的融合和相互滲透程度也越來越廣泛。當前，工業(yè)機器人在美國、日本、德國以及西方一些發(fā)達國家已經(jīng)應用十分廣泛了，充分運用于汽車制造業(yè)、造船業(yè)、芯片制造業(yè)、電子等領(lǐng)域中。 農(nóng)業(yè)機器人是一種以農(nóng)產(chǎn)品為操作對象，兼有模擬人類智能感知和四肢行動功能、可重復編程的柔性自動化或者半自動化設(shè)備。隨著工業(yè)機器人技術(shù)的高速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人的研究于上世紀80年代初拉開序幕，日本、法國和美國已成為農(nóng)業(yè)機器人研究的先鋒。農(nóng)業(yè)機器人的作用可以簡單歸納為以下幾點:1)緩解農(nóng)業(yè)勞動力的不足;2)替代人類從事臟、累、辛苦的勞動;3)替代人類從事機械式的單調(diào)勞動;4)獲得高品質(zhì)、高附加值的農(nóng)產(chǎn)品;5)實現(xiàn)植物工廠內(nèi)的無菌化生產(chǎn);6)吸引更多年輕的有識之士從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。另外，農(nóng)業(yè)機器人具有先進的感知能力，大數(shù)據(jù)量存儲和強勁的處理能力。所以，在未來農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過程信息化中，農(nóng)業(yè)機器人將起到舉足輕重的作用。 目前，農(nóng)業(yè)機器人主要應用在移栽、嫁接、噴藥、采摘、果實分級等領(lǐng)域，其中采摘是水果生產(chǎn)中最重要的環(huán)節(jié)之一，果樹采摘機器人是最可能得到廣泛應用的領(lǐng)域。果樹采摘機器人可充分利用機器人的信息感知功能，對被采摘對象的成熟程度進行識別，從而保證采摘的果實的質(zhì)量，并能夠大大提高采摘的工作效率。各農(nóng)業(yè)發(fā)達國家都在積極進行果樹收獲自動化的研究，真正達到代替人類完成采摘任務(wù)，且實用化、普及化，尚需要解決提高智能化程度和降低生產(chǎn)成本兩個技術(shù)難題。在國外果樹采摘機器人的研究已經(jīng)取得了較大的進展，我國在這方面的研究尚在起步階段。但隨著科技水平的不斷提高，農(nóng)業(yè)規(guī)模化的不斷發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人將逐漸在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大作用?？梢灶A計，在21世紀提高農(nóng)業(yè)工程的自動化水平將成為我國農(nóng)業(yè)科技領(lǐng)域的一個重要研究熱點，用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)方面的各類機器人作為高級自動化設(shè)備，在我國也將得到推廣應用。 農(nóng)業(yè)智能移動平臺是農(nóng)業(yè)機器人的一個重要的組成部分，是農(nóng)業(yè)機器人的整體構(gòu)件運動執(zhí)行機構(gòu)，是農(nóng)業(yè)機器人工作的核心部分，他的設(shè)計合理與否直接影響到農(nóng)業(yè)機器人的功能和智能效果。 所以農(nóng)業(yè)智能移動平臺的研究設(shè)計將對農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展帶來巨大的機會，屆時會對農(nóng)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)出深淵的影響。1.3國內(nèi)外農(nóng)業(yè)智能移動平臺的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.1移動機器人發(fā)展歷史移動機器人的研究始于60年代末期。斯坦福研究院(sri)的nils nilsseo和charles rosen等人，在1966年至1972年中研發(fā)出了取名shakey的自主移動機器人。目的是研究應用人工智能技術(shù)，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構(gòu)方面的研究，以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問題，設(shè)計并研制出了多足步行機器人。70年代末，隨著計算機的應用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺。90年代以來，以研制高水平智能型移動平臺。1.3.2農(nóng)業(yè)機器人的發(fā)展現(xiàn)狀1.3.2.1國外情況20世紀90年代以來，“精確農(nóng)業(yè)”技術(shù)的研究與應用在發(fā)達國家受到了普遍的重視，已被國際農(nóng)業(yè)科技界認為是21世紀實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的先導性技術(shù)之一。各個國家先后研制出各種農(nóng)業(yè)機器人.如日本早在20世紀7.年代后期，已研制出嫁接機器人，扦插機器人，移摘機器人，采摘機器人，這不僅可以減少農(nóng)民的辛苦，而且減少了除草劑對環(huán)境的污染。西班牙發(fā)明了采摘柑橘機器人，英國開發(fā)了采蘑菇機器人，法國研制的分揀機器人，美國發(fā)明了一種多用途的自動聯(lián)合收割機等等。1.3.2.2國內(nèi)情況我國目前已開發(fā)出來的農(nóng)業(yè)機器人由：耕耘機器人，除草機器人、施肥機器人，噴藥機器人、蔬菜嫁接機器人、收割機器人，采摘機器人等。我國已研制成功蔬菜嫁接機器人，并成功進行試驗性嫁接生產(chǎn)，由中國農(nóng)業(yè)大學研制的蔬菜機器人解決了蔬菜幼苗的柔嫩性，易損性和生長不一致性等難題，可廣泛用于黃瓜，西瓜，甜瓜等菜苗的嫁接，我國還成功的研制了采摘西紅柿機器人，他帶有彩色攝像頭，能夠判斷果實的生熟，由于位置的誤差，采摘成功率為70%，但對于實際的需要，這個數(shù)字是可以接受的，東北林業(yè)大學研制出林木球果采摘機器人，它的應用有望克服我國的森林資源危機，改進我國的森林資源的利用。 農(nóng)業(yè)智能移動平臺示意圖 第二章 機構(gòu)整體選擇2.1驅(qū)動方式的選擇2.1.1燃料機構(gòu)動力和電能機構(gòu)動力的比較 性能指標重量反映時間與控制器的配合度體積控制性能價格負載性能穩(wěn)定性影響燃料動力機構(gòu)笨重慢差大差一般好差有電能動力機構(gòu)輕快好小好貴一般好無說明：1農(nóng)業(yè)智能機器人必須有控制系統(tǒng)而控制系統(tǒng)的能源是電驅(qū)動。 2伺服電機普遍昂貴。 3在田間作業(yè)要考慮對環(huán)境的影響。2.1.1驅(qū)動方式的選擇結(jié)合燃料機構(gòu)動力和電力機構(gòu)動力的各性能和適應條件等因素最后得出結(jié)論采用電能驅(qū)動方式為農(nóng)業(yè)智能移動平臺機構(gòu)驅(qū)動方式。2.2電能動力的設(shè)計電能驅(qū)動以電動機為主動源，由于農(nóng)業(yè)智能移動平臺在田地間工作，所要求速度為低速但驅(qū)動力要求較大，但普遍電動機為高速電機，所以要在電動機后加一高變速比的減速器，且移動平臺為智能性移動平臺對控制性要求較高所以要求電動機為伺服電動機。 初步設(shè)計：伺服電動機加高變速比減速器的組合作為驅(qū)動動力。2.3移動機構(gòu)的選擇2.3.1幾種移動機構(gòu)移動性能對比越障能力越野性能小型化通過性穩(wěn)定性轉(zhuǎn)向性能載重自重速度腿足式aaadaadd普通履帶式cbbabbbb特種履帶式bbbbabbb普通輪式dccabcaa特種輪式bccbbcba2.3.2移動機構(gòu)的選擇農(nóng)業(yè)智能移動平臺的設(shè)計側(cè)重點是移動平臺的較高的速度和轉(zhuǎn)向靈活性、較低的成本、較大的載重能力、較少的能量消耗以維持其最大續(xù)航能力。因此，履帶式或足式移動機構(gòu)都不太適合。此外，果園土壤條件也非常適合輪式移動機構(gòu)走行要求，因此，我選擇輪式機構(gòu)。2.4輪子配置的選擇2.4.1移動輪個數(shù)的比較2.4.1.1兩輪機構(gòu) 兩輪機構(gòu)可分為兩種一為前后輪布置二為左右輪布置，但兩種情況對地面的接觸只有兩個點而不能靜止立于地面，需要利用人的體重和移動來求穩(wěn)定行走或利用陀螺效應來達平衡，而農(nóng)業(yè)機械要求再低速下行走且工作路況不好所以不宜采用兩輪機構(gòu)。2.4.1.2三輪機構(gòu) 三輪機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為簡單，能滿足一般的需求，在移動機械中運用較廣，但三輪機構(gòu)的穩(wěn)定性較差，一旦受到偏置載荷，很容易發(fā)生翻傾，負載能力較低，且農(nóng)業(yè)作物一般為壟式栽種，所以輪子宜用左右兩排輪式布置，所以三輪式不宜采用。2.4.1.3四輪機構(gòu) 四輪機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性好，負載能力較強，容易控制，運用較廣泛，且技術(shù)較為成熟，且其運動過程中間位置有較大的空隙，與地面無接觸點。2.4.1.4大于四輪結(jié)構(gòu) 大于四輪結(jié)構(gòu)雖然穩(wěn)定性和負載能力較強，但結(jié)構(gòu)較為復雜，難于控制，不宜在運載農(nóng)業(yè)機械中采用。2.4.2移動輪個數(shù)的選擇鑒于上述不同輪個數(shù)的性能和適應條件的比較，覺得四輪機構(gòu)較適應與農(nóng)業(yè)智能移動平臺的設(shè)計，所以選擇四輪結(jié)構(gòu)。2.5四輪驅(qū)動和控制方式選擇2.5.1幾種重要四輪結(jié)構(gòu)的驅(qū)動和控制方式的比較1四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向。 2前輪轉(zhuǎn)向，后輪差速驅(qū)動。 3前輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，后輪為自由輪。 4后輪獨立驅(qū)動，前輪獨立轉(zhuǎn)向。 各類型輪說明：可操作標準輪 非動力標準輪 動力標準輪非動力全向輪 聯(lián)結(jié)輪2.5.2幾種重要的四輪驅(qū)動和其控制方式的分析四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向方式是一種可以在平面內(nèi)獲得任意運動方向的運動方式，可以完全控制機器人在平面運動的三個自由度(兩個水平運動分量和一個自身姿態(tài)旋轉(zhuǎn)分量)，具有全向運動能力的運動系統(tǒng)使機器人可以向任意方向做直線運動，而之前不需要做旋轉(zhuǎn)運動，并且這種輪系可以滿足一邊做直線運動一邊旋轉(zhuǎn)的要求，達到終狀態(tài)所需要的任意運動要求。這運動方式雖好，但該運動機構(gòu)較為復雜，制作成本較貴，且器控制系統(tǒng)較為復雜，對其要求較高，不易控制。在農(nóng)業(yè)機器中要求不要那么高，所以不宜采用。前輪轉(zhuǎn)向后輪差速驅(qū)動的結(jié)構(gòu)一般，易于控制，但差速器的構(gòu)造復雜，體積大，如果是前輪轉(zhuǎn)向和驅(qū)動后輪為自由輪的運動方式，其工作主動部件過于集中且后輪自由，一旦受到偏置載荷，會偏移前預定軌跡，所以工作不夠穩(wěn)定。而后輪獨立驅(qū)動，前輪獨立轉(zhuǎn)向的運動方式的設(shè)計綜合了上述各運動方式的優(yōu)點且改進其不適宜，后輪獨立驅(qū)動能提供獨立的動力互不干涉，前輪沒有驅(qū)動機構(gòu)節(jié)省成本但有獨立的轉(zhuǎn)向機構(gòu)提高其運動的準確性和穩(wěn)定性，且整體設(shè)計合理，機構(gòu)簡單，易于控制，雖然其運動自由度和靈活度沒四輪獨立驅(qū)動獨立轉(zhuǎn)向機構(gòu)強，但其擁有的自由度和靈活度足夠適應于農(nóng)業(yè)工作中，在工作中能達到直線行走、轉(zhuǎn)向行走、旋轉(zhuǎn)行走、制動等運動方式，設(shè)計較合理適應。所以選擇后輪獨立驅(qū)動前輪獨立轉(zhuǎn)向的運動方式作為農(nóng)業(yè)智能移動平臺的運動結(jié)構(gòu)方式。移動輪2.5.3四輪驅(qū)動和控制方式選擇 伺服電機轉(zhuǎn)動方向 智能移動平臺的初步設(shè)計方案示意圖此設(shè)計初步估計為四個輪子四個伺服電機一個平臺骨架，結(jié)構(gòu)較為簡單，易于控制，且成本不高。2.5.4選擇方案運動方式分析后輪獨立驅(qū)動前輪獨立轉(zhuǎn)向移動平臺的運動方式的分析，前輪能正轉(zhuǎn)和逆轉(zhuǎn)兩種模式，兩前輪的運動方式為22=4種，后輪能正傳和反轉(zhuǎn)兩種模式，兩后輪的運動方式為22=4種，所以總的運動方式為44=16運動方式，但有很多形式在實際應用中并不實用，能使用的有效方式只有幾種，下圖是其幾種重要的運動方式直線行走、轉(zhuǎn)向行走、旋轉(zhuǎn)行走、制動。 直線行走 轉(zhuǎn)向行走 旋轉(zhuǎn)行走 制動移動平臺幾種中重要的運動方式示意圖2.6驅(qū)動伺服電機安裝和傳動方式的選擇2.6.1傳統(tǒng)電機的安裝方式電機放于行動輪之上采用齒輪、鏈條、皮帶等中介傳遞動力傳動。電機放置于與輪子中線同一水平采用固定電機外殼用轉(zhuǎn)子連接輪子傳動。傳統(tǒng)電機的安裝示意圖：式安裝式安裝 2.6.2新型電機的安裝方式電機放置于與輪子中線同一水平采用固定電機轉(zhuǎn)子由定子帶動輪子傳動。新型電機的安裝示意圖：伺服電機 2.6.3傳統(tǒng)電機的安裝方式與新型電機的安裝方式的比較傳統(tǒng)電機的安裝方式中電機上置的設(shè)計結(jié)構(gòu)復雜，體積大，傳動效率低，反映時間慢，當一邊傳動是會出現(xiàn)受力不均現(xiàn)象，齒輪傳動承載能力大、尺寸緊湊、允許轉(zhuǎn)速高、效率高、壽命長、傳動比精確等優(yōu)點，但當齒輪傳動的距離長是其效率不高不合遠距離傳送動力，且齒輪制作成本高，無過載保護，由于其工作性質(zhì)對環(huán)境有要求，需要另外安裝固定和保護元件。帶傳動傳動平穩(wěn)、噪聲小、有過載保護、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、傳動距離較遠、安裝維護方便的優(yōu)點，但傳動效率較低、帶壽命較短、傳動比不精確、軸承和軸受力較大。鏈傳動兼有齒輪傳動和帶傳動的部分優(yōu)特點，但瞬時傳動比有變化、有噪聲/不適合急速反轉(zhuǎn)/有時需要張緊裝置。而傳統(tǒng)電機的安裝方式中電機中置的設(shè)計省略了復雜的中間傳動，采用直接軸連接，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，效率較高，在一定的程度上改進了上各間接傳動的不足，但其安裝結(jié)構(gòu)不對稱，單邊受力，工作不穩(wěn)定，對電機要求較高，新型電機的安裝方式進一步解決了傳統(tǒng)電機中置安裝的不足，動力系統(tǒng)安于輪子中心空余部分，將動力系統(tǒng)和輪子一體設(shè)計，達到完美的結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，安裝對稱，受力均衡，所以我將選擇電機中置定子傳動的新型電機的安裝和傳動方式作為農(nóng)業(yè)智能移動平臺的驅(qū)動伺服電機安裝和傳動方式。2.7 轉(zhuǎn)向伺服電機安裝和傳動方式的選擇第三章 機構(gòu)整體設(shè)計3.1前輪和轉(zhuǎn)向的設(shè)計3.1.1輪外胎的設(shè)計由于農(nóng)業(yè)智能移動平臺的工作環(huán)境為地況較差的田間和地間，表面有疏松的泥土，所以要選擇抓地性能比較好的輪外胎設(shè)計，而選擇輪子外表右“八”形齒的輪外胎就達到了工作的要求。 輪外胎示意圖3.1.2前輪軸和軸上零件的設(shè)計設(shè)計要求能自由轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)緊湊，在水平軸向有旋轉(zhuǎn)自由度，在縱向無移動和旋轉(zhuǎn)自由度，所以要有軸承，選擇雙單列向心球軸承的重復保險約束。在軸向無移動自由度，并承受小量軸向受力，所以安裝雙螺母約束，兩軸承上對稱承載輪子，軸則立于支架上。 前輪中軸的受力情況：其中、為移動平臺前輪支架對軸的壓力，、為地面?zhèn)鬟f給移動平臺平臺前輪軸承的反向支撐力。由受力平衡方程和約束對稱可得：=假如平臺重心在平臺的前后輪中心對稱位置，設(shè)平臺的總質(zhì)量為m,則=mg=270kg9.8=330.75n前輪中軸的受力簡圖：前輪中軸的剪力圖：前輪中軸的彎矩圖：其中，為軸上近視的均布載荷。經(jīng)軸的受力情況和圖示受力分析可得其危險截面長20mm處所受力為剪力。前輪中軸的校核：軸徑d=17mm所以軸截面面積所以經(jīng)查表可得a3號鋼的許應剪切應力=（1220）mpa式中的為安全系數(shù)，雖然農(nóng)業(yè)機械的工作地面質(zhì)量不高，平臺在其表面工作不穩(wěn)定，要求有較高的安全系數(shù)，=8.219非常安全，校核得設(shè)計合理。3.1.3前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計設(shè)計要求能自由轉(zhuǎn)動，結(jié)構(gòu)緊湊，在豎直軸向有旋轉(zhuǎn)自由度，在軸縱向無移動和旋轉(zhuǎn)自由度，當工作軸向受壓時或但平臺被提起時能承受較大載荷的軸向受力，所以要有軸承，選擇雙單列圓錐滾子軸承的約束。能和轉(zhuǎn)向電機連接，所以要安裝聯(lián)軸器。軸連接轉(zhuǎn)向輪帶動其轉(zhuǎn)動，軸套連接平臺骨架，固定轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 前輪轉(zhuǎn)向系示意圖3.2后輪和驅(qū)動的設(shè)計 3.2.1后輪驅(qū)動方法的設(shè)計設(shè)計要求后輪驅(qū)動為移動平臺唯一的動力機構(gòu)，要求提供大轉(zhuǎn)矩低轉(zhuǎn)速動力，結(jié)構(gòu)緊湊，傳動穩(wěn)定，效率高，壽命長，易于更換零件。所以采用驅(qū)動電機和驅(qū)動減速器中置的設(shè)計方案，其傳動方式為固定減速輸出軸而利用電機和減速器整體轉(zhuǎn)動輸出轉(zhuǎn)矩的傳動方式。3.2.2定子傳動連接方法 定子傳動連接方法正向示意圖 定子傳動連接方法側(cè)向示意圖3.2.3電機輸出軸和減速器輸出軸軸上零件設(shè)計設(shè)計要求：后輪支架要被輪子支撐，且要支撐較大的載荷，初步設(shè)計后輪支架被后輪左右蓋所支撐，電機和減速器的輸出軸要被支撐，并能承受小量載荷和高速運動是能減少摩擦提高其運動效率和運動穩(wěn)定性。減速器要與后輪支架固結(jié)，并能傳遞較大的旋轉(zhuǎn)扭矩載荷。結(jié)構(gòu)緊湊，軸承要有固定零件約束，不能暴露于環(huán)境中，方便加固體潤滑膏。 電機和減速器輸出軸軸上零件結(jié)構(gòu)示意圖 連軸器連接方式示意圖3.3平臺骨架的設(shè)計設(shè)計要求能連接移動平臺的四個工作輪，傳遞后輪動力于前輪，前輪的轉(zhuǎn)向能作用與整臺移動平臺，結(jié)構(gòu)簡單，能在平臺骨架上安裝各類附加功能配件機器，如施藥配件、采摘機械手臂、播種機器等等。 平臺骨架設(shè)計示意圖 3.4移動平臺總體設(shè)計 移動平臺轉(zhuǎn)向行走示意圖 移動平臺轉(zhuǎn)直線行走示意圖 第四章 電機和減速器4.1各類電機的對比初步選擇電機的選擇對機械結(jié)構(gòu)的影響明顯，它不但直接影響平臺的尺寸和結(jié)構(gòu)安排，并且對運動靈活性起關(guān)鍵作用。一般直流電機雖然結(jié)構(gòu)較簡單，價格也便宜，但一般直流電機的控制性能不好，工作速度不穩(wěn)定，只能用于對速度控制要求不高的機械中，不宜用于智能性移動平臺。農(nóng)業(yè)智能移動平臺驅(qū)動電機通常采用具有良好調(diào)速性能的各種直流電機，伺服電機和步進電機。選擇電機關(guān)鍵是對于伺服電機和各種直流電機、步進電機的比較。伺服電機的特點是功重比大，能保證足夠的速度，且有反饋環(huán)節(jié)，不需要加入測速傳感器(如:光電編碼器)充當反饋環(huán)節(jié);能自動保證速度和位置精度，具體來說伺服電機具有以下優(yōu)點: a調(diào)速性能好，運行穩(wěn)定，且自身有反饋環(huán)節(jié)，不需要加入測速傳感器。 b整體體積小，功重比大。 c電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響。但是伺服電機本身的速度非常高，通常需要使用減速器。直流電機沒有測速傳感器，沒有反饋環(huán)節(jié)，需另加測速傳感器，雖然直流電機自身配有減速器，但速度仍較高，應用與農(nóng)業(yè)智能移動平臺中仍需減速器。步進電機的缺點是同樣功率下的重量比直流電機和伺服電機大，體積也大。但步進電機是開環(huán)控制，無需測速器件，也不需要減速器，減少了機構(gòu)的復雜性。根據(jù)輕量化和簡單緊湊設(shè)計原則，移動平臺驅(qū)動電機和減速器選用伺服電機加減速器。4.2驅(qū)動電機的選擇4.2.1驅(qū)動電機的選擇原則電機功率估算與平臺受力密切相關(guān)，借助汽車動力性分析方法可知平臺行駛過程中，通過輪胎與地面的相互作用，支撐并推動其前進。因此必須分析沿行駛方向作用于平臺的各種外力，即推動平臺行駛的驅(qū)動力和阻礙平臺前進的行駛阻力。根據(jù)力的平衡關(guān)系，在平臺行駛過程中其驅(qū)動力和行駛阻力應該保持平衡。即平臺行駛方程： =式中驅(qū)動力，= t是電機輸出的轉(zhuǎn)矩，是減速傳動比，是傳動效率?？傂旭傋枇ΑＦ脚_在非結(jié)構(gòu)化道路上緩慢行駛時，假設(shè)忽略空氣阻力，則平臺行駛的總阻力為=+其中 （滾動阻力）：由地面和車輪相互作用產(chǎn)生。 = 為滾動阻力系數(shù)，w為重力垂直地面的分力 （坡道阻力）：上坡行駛時克服其重力沿坡道的分力。 = 為坡度角,g 為平臺重力 （加速阻力）平臺直線行駛時，要克服本身的慣性力，即加速阻力。 = 為直線行駛加速度（越障阻力）平臺在爬越障礙時，由于輪地接觸面的改變，增加了一個額外的運動阻力，稱為障礙阻力。貝克曾把自然障礙分成兩大類:矩形和四基本型，其中四基本型包括:上坡、下坡、溝坑、筑堤等。移動機器人運動的主要困難之一就是爬越這些障礙。=g 其中g(shù)為平臺重力,a為平臺重心離前輪中心的距離，b為重心離后輪中心的距離，為地面附著系數(shù)，f為滾動阻力系數(shù)，h為障礙物體高度，d輪子的直徑。根據(jù)設(shè)計目標并參考前文api的結(jié)構(gòu)參數(shù)，假設(shè)平臺總重270kg，行駛于壓土路面條件下，查得滾動阻力系數(shù)為0.03，附著系數(shù)0.5, a=b=380mm, l=760mm,障礙物高度假設(shè)為40mm, d=2r=465mm，估算各種越障情況下的障礙阻力為: =(10001200)n 另外設(shè)平臺行駛最大加速度為a=0.2，平臺行駛路面的最大坡度=20所以有： =0.032709.80.9397=74.593n=2709.80.342=904.932n=2700.2=54n=1200n = =+=74.593n+904.932n+54n+1200n=2233.525n該平臺采用兩輪驅(qū)動，因此在電機的驅(qū)動功率計算過程中，每個輪系只需要提供平臺所需平地和爬坡功率的1/2。假設(shè)傳動系的效率= 0.98，減速器的效率為= 0.95則平臺平地行駛 (v=0.3m/s)電機所需驅(qū)動功率為: p=4.2.2驅(qū)動電機和減速器的選擇據(jù)上述分析為保險和安全因素驅(qū)動電機的功率要帶到370w400w。對比各項技術(shù)參數(shù)，選用sz系列電機型號為:130sz09/h3，電機轉(zhuǎn)速2000 rpm，電壓24v,功率400 w，減速器為 j90px型減速器，速比36，輸出轉(zhuǎn)速56 r/min。具有體積小、重量輕、力能指標高、噪音低、產(chǎn)品系列化程度高、零部件通用化程度強等特點，廣泛應用于各種機械及自動化控制系統(tǒng)中作執(zhí)行元件或驅(qū)動裝置。所選電機的技術(shù)說明如下：驅(qū)動電機型號電機轉(zhuǎn)速 r/min電機電壓/v電機功率/w最大 電流 /a允許順逆速 差r/min輸出最大轉(zhuǎn)矩/mn.m130sz09/h320002440016.501301912 所選減速器的技術(shù)說明如下： 驅(qū)動電機減速器型號速比傳動效率輸出轉(zhuǎn)速r/min輸出轉(zhuǎn)矩/n.mj90px360.955610.1718電機和減速器重6.5kg,移動平臺平地行駛的最高速度為： 4.3 轉(zhuǎn)向電機的選擇平臺的轉(zhuǎn)向?qū)ξ恢镁纫髧栏瘢俣纫蟛桓?，雖然步進電機適合這一要求，但步進電機體積較大，很難與車輪裝配，功率小，負載能力低，而伺服電機雖有傳感測速器，但通過減速器后的轉(zhuǎn)角角度就不能用電機的傳感測速器來精確計算，仍須另加傳感器測量轉(zhuǎn)角，從輕量化設(shè)計和簡單化設(shè)計原則，選擇zyt型直流減速電機，依靠光電編碼器精確測量轉(zhuǎn)向角度，已達到能精確控制前輪轉(zhuǎn)向角度。所選電機和減速器的技術(shù)說明如下：驅(qū)動電機型號電機轉(zhuǎn)速/ rpm電機電壓/v電機功率/w最大電流/a加速器型號減速比輸出轉(zhuǎn)速/rpm最大轉(zhuǎn)矩/n.m90zyt05600024855.2j70px2162829電機重量為3.5kg第五章 移動平臺的運動分析。此處省略nnnnnnnnnnnn字。如需要完整說明書和設(shè)計圖紙等.請聯(lián)系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！該論文已經(jīng)通過答辯參 考 文 獻1中國農(nóng)業(yè)機械華科學研究院編，實用機械設(shè)計手冊(上)，中國農(nóng)業(yè)機械出版社.2國家機械工業(yè)局編.中國機電產(chǎn)品目錄(14).機械工業(yè)出版社.3楊明忠，朱家誠主編.機械設(shè)計.武漢：武漢理工大學出版社.4譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定編.圖學基礎(chǔ)教程.北京：高等教育出版社.5中國機械工程學會，劉巽爾主編.極限與配合.北京：中國計劃出版社.6崔新民，國外農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)，新農(nóng)村，2001年 01期.7閆樹兵，基于虛擬樣機技術(shù)農(nóng)業(yè)輪式移動平臺的機械子系統(tǒng)研究，（碩士生畢業(yè)論文），南京農(nóng)業(yè)大學.8機械工程手冊.第二版.機械工業(yè)出版社.9機械工程手冊.第六卷.機械工業(yè)出版社.10劉鴻文編，材料力學(第四版)，高等教育出版社.11哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室編，理論力學（第六版），高等教育出版社.致 謝這次畢業(yè)設(shè)計可以圓滿地完成離不開饒洪輝老師的精心監(jiān)督和指導，在整個學習和做畢業(yè)設(shè)計的過程中，饒老師對我悉心指導和嚴格要求，為我創(chuàng)造了良好的學習氛圍；他嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、高尚的敬業(yè)精神和淵博的學識，給我留下了深刻的印象，對我產(chǎn)生了巨大的影響，使我不僅掌握了更多的理論知識，而且在分析問題、解決問題的能力上有了很大的提高。在設(shè)計過程中，一方面我深感自己知識的貧乏和平時鍛煉的重要性，深刻領(lǐng)會到實踐與理論的差異性；另一方面，通過這次獨立的設(shè)計，更加堅定了繼續(xù)努力學習的信念，深深體會到理論與實踐的有機結(jié)合是學習和掌握知識的重要途徑，同時也是搞好教學的重要環(huán)節(jié)。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，使我提高了獨立思考問題和解決實際問題的能力。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，我通過各種方式收集、查找相關(guān)資料。在此過程中我刻苦努力，虛心請教，不放過任何難點與疑問。設(shè)計中的很多問題都親自前往車間看產(chǎn)品相關(guān)設(shè)備和工人的實踐操作。這使我忘不了指導老師對我的多層次的認真的技術(shù)指導和真誠幫助。在此，我再次向他致以我最真誠的敬意和衷心的感謝。最后，我要感謝我的父母，是他們給了我上大學的機會，給了我生活的信心和挑戰(zhàn)困難的勇氣；我還要感謝大學的所有老師，是他們無私地教導我，使我掌握了農(nóng)業(yè)機械化及其自動化專業(yè)的基礎(chǔ)知識，為這次的畢業(yè)設(shè)計和我以后的學習與工作奠定了堅實的基礎(chǔ)。感謝他們多年的關(guān)心、支持和鼓勵！附錄i 外文文獻翻譯估計導致工程幾何分析錯誤的一個正式理論sankaraharigopalakrishnan，krishnansuresh機械工程系，威斯康辛大學，麥迪遜分校，2006年9月30日摘要：幾何分析是著名的計算機輔助設(shè)計/計算機輔助工藝簡化 “小或無關(guān)特征”在cad模型中的程序，如有限元分析。然而，幾何分析不可避免地會產(chǎn)生分析錯誤，在目前的理論框架實在不容易量化。本文中，我們對快速計算處理這些幾何分析錯誤提供了嚴謹?shù)睦碚?。尤其，我們集中力量解決地方的特點，被簡化的任意形狀和大小的區(qū)域。提出的理論采用伴隨矩陣制定邊值問題抵達嚴格界限幾何分析性分析錯誤。該理論通過數(shù)值例子說明。關(guān)鍵詞:幾何分析;工程分析;誤差估計;計算機輔助設(shè)計/計算機輔助教學1. 介紹機械零件通常包含了許多幾何特征。不過，在工程分析中并不是所有的特征都是至關(guān)重要的。以前的分析中無關(guān)特征往往被忽略，從而提高自動化及運算速度。舉例來說，考慮一個剎車轉(zhuǎn)子，如圖1(a)。轉(zhuǎn)子包含50多個不同的特征，但所有這些特征并不是都是相關(guān)的。就拿一個幾何化的剎車轉(zhuǎn)子的熱量分析來說，如圖1(b)。有限元分析的全功能的模型如圖1(a)，需要超過150,000度的自由度，幾何模型圖1(b)項要求小于25，000個自由度，從而導致非常緩慢的運算速度。圖1(a)剎車轉(zhuǎn)子 圖1(b)其幾何分析版本除了提高速度，通常還能增加自動化水平，這比較容易實現(xiàn)自動化的有限元網(wǎng)格幾何分析組成。內(nèi)存要求也跟著降低，而且條件數(shù)離散系統(tǒng)將得以改善;后者起著重要作用迭代線性系統(tǒng)。但是，幾何分析還不是很普及。不穩(wěn)定性到底是“小而局部化”還是“大而擴展化”，這取決于各種因素。例如，對于一個熱問題，想刪除其中的一個特征，不穩(wěn)定性是一個局部問題:(1)凈熱通量邊界的特點是零。(2)特征簡化時沒有新的熱源產(chǎn)生; 4對上述規(guī)則則例外。展示這些物理特征被稱為自我平衡。結(jié)果，同樣存在結(jié)構(gòu)上的問題。從幾何分析角度看，如果特征遠離該區(qū)域，則這種自我平衡的特征可以忽略。但是，如果功能接近該區(qū)域我們必須謹慎，。從另一個角度看，非自我平衡的特征應值得重視。這些特征的簡化理論上可以在系統(tǒng)任意位置被施用,但是會在系統(tǒng)分析上構(gòu)成重大的挑戰(zhàn)。目前，尚無任何系統(tǒng)性的程序去估算幾何分析對上述兩個案例的潛在影響。這就必須依靠工程判斷和經(jīng)驗。在這篇文章中，我們制定了理論估計幾何分析影響工程分析自動化的方式。任意形狀和大小的形體如何被簡化是本文重點要解決的地方。伴隨矩陣和單調(diào)分析這兩個數(shù)學概念被合并成一個統(tǒng)一的理論來解決雙方的自我平衡和非自我平衡的特點。數(shù)值例子涉及二階scalar偏微分方程，以證實他的理論。本文還包含以下內(nèi)容。第二節(jié)中，我們就幾何分析總結(jié)以往的工作。在第三節(jié)中，我們解決幾何分析引起的錯誤分析，并討論了擬議的方法。第四部分從數(shù)值試驗提供結(jié)果。第五部分討論如何加快設(shè)計開發(fā)進度。2. 前期工作幾何分析過程可分為三個階段:識別:哪些特征應該被簡化；簡化：如何在一個自動化和幾何一致的方式中簡化特征；分析:簡化的結(jié)果。第一個階段的相關(guān)文獻已經(jīng)很多。例如，企業(yè)的規(guī)模和相對位置這個特點，經(jīng)常被用來作為度量鑒定。此外，也有人提議以有意義的力學判據(jù)確定這種特征。自動化幾何分析過程，事實上，已成熟到一個商業(yè)化幾何分析的地步。但我們注意到，這些商業(yè)軟件包僅提供一個純粹的幾何解決。因為沒有保證隨后進行的分析錯誤，所以必須十分小心使用。另外，固有的幾何問題依然存在，并且還在研究當中。本文的重點是放在第三階段，即快速幾何分析。建立一個有系統(tǒng)的方法，通過幾何分析引起的誤差是可以計算出來的。再分析的目的是迅速估計改良系統(tǒng)的反應。其中最著名的再分析理論是著名的謝爾曼-morrison和woodbury公式。對于兩種有著相似的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和剛度矩陣設(shè)計，再分析這種技術(shù)特別有效。然而，過程幾何分析在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的剛度矩陣會導致一個戲劇性的變化，這與再分析技術(shù)不太相關(guān)。3. 擬議的方法3.1問題闡述我們把注意力放在這個文件中的工程問題，標量二階偏微分方程式(pde): 許多工程技術(shù)問題，如熱，流體靜磁等問題，可能簡化為上述公式。作為一個說明性例子，考慮散熱問題的二維模塊如圖2所示。圖2二維熱座裝配熱量q從一個線圈置于下方位置列為coil。半導體裝置位于device。這兩個地方都屬于，有相同的材料屬性，其余將在后面討論。特別令人感興趣的是數(shù)量，加權(quán)溫度tdevice內(nèi)device(見圖2)。一個時段，認定為slot縮進如圖2，會受到抑制，其對tdevice將予以研究。邊界的時段稱為slot其余的界線將稱為。邊界溫度假定為零。兩種可能的邊界條件slot被認為是:(a)固定熱源，即(-kt)n=q，(b)有一定溫度，即t=tslot。兩種情況會導致兩種不同幾何分析引起的誤差的結(jié)果。設(shè)t(x，y)是未知的溫度場和k導熱。然后，散熱問題可以通過泊松方程式表示:其中h(x，y)是一些加權(quán)內(nèi)核。現(xiàn)在考慮的問題是幾何分析簡化的插槽是簡化之前分析，如圖3所示。圖3defeatured二維熱傳導裝配模塊現(xiàn)在有一個不同的邊值問題，不同領(lǐng)域t(x，y):觀察到的插槽的邊界條件為t(x，y)已經(jīng)消失了，因為槽已經(jīng)不存在了（關(guān)鍵性變化）!解決的問題是:設(shè)定tdevice和t(x，y)的值，估計tdevice。這是一個較難的問題，是我們尚未解決的。在這篇文章中，我們將從上限和下限分析tdevice。這些方向是明確被俘引理3、4和3、6。至于其余的這一節(jié)，我們將發(fā)展基本概念和理論，建立這兩個引理。值得注意的是，只要它不重疊，定位槽與相關(guān)的裝置或熱源沒有任何限制。上下界的tdevice將取決于它們的相對位置。3.2伴隨矩陣方法我們需要的第一個概念是，伴隨矩陣公式表達法。應用伴隨矩陣論點的微分積分方程，包括其應用的控制理論，形狀優(yōu)化，拓撲優(yōu)化等。我們對這一概念歸納如下。相關(guān)的問題都可以定義為一個伴隨矩陣的問題，控制伴隨矩陣t_(x，y)，必須符合下列公式計算23:伴隨場t_(x，y)基本上是一個預定量，即加權(quán)裝置溫度控制的應用熱源?？梢杂^察到，伴隨問題的解決是復雜的原始問題;控制方程是相同的;這些問題就是所謂的自身伴隨矩陣。大部分工程技術(shù)問題的實際利益，是自身伴隨矩陣，就很容易計算伴隨矩陣。另一方面，在幾何分析問題中，伴隨矩陣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。表現(xiàn)為以下引理綜述:引理3.1已知和未知裝置溫度的區(qū)別，即(tdevice-tdevice)可以歸納為以下的邊界積分比幾何分析插槽:在上述引理中有兩點值得注意:1、積分只牽涉到邊界slot;這是令人鼓舞的?；蛟S，處理剛剛過去的被簡化信息特點可以計算誤差。2、右側(cè)牽涉到的未知區(qū)域t(x，y)的全功能的問題。特別是第一周期涉及的差異，在正常的梯度，即