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：
（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。
2.2.3 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。
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。
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。
4自走式除草机器人三维造型的设计
4.1 Solidworks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，Solid Edge、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
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