毕业设计（论文）轮式液体肥施肥机器人设计

中国石油大学（华东）毕业设计中国石油大学（华东）毕业设计轮式液体肥施肥机器人设计学生姓名：学 号： 专业班级：机械设计制造及其自动化 06-5 班指导教师： 2006 年 6 月 25 日中国石油大学（华东）本科毕业设计摘 要本文通过对于国内外现有的施肥机器人发展状况的调查，建立了作者自己在此方向的构想。参考现有的机械的外观设计，考虑到农田的复杂地形以及野外使用的特殊情况，提出了自己的施肥机器人方案。此方案采用液体肥料。由于氨水的低成本，高肥效，其具有较一般肥料更高的性价比，所以此设计主要用于施用氨水。本设计具有以往普通施肥机不具有的多个优点，不仅完善了在液体施肥方面的不足，实现了农业的高效化、节约化，而且省人力，更会使人么体会到劳动的快乐。 “快乐农夫”是作者的设计宗旨。文中还对国内外现有的其他种类的施肥机器人进行了简要介绍，以便读者可以同时更广泛的了解施肥机器人。关键词关键词: :农业；液体肥料；施肥；轮式；机器人中国石油大学（华东）本科毕业设计ABSTRACTIn this paper, the author established his own ideas in this direction through the development of the current state of fertilization robot investigations at home and abroad. Reference to the existing mechanical designs, taking into account the complex terrain of farmland and field use of the special circumstances the author made his fertilization program robots. This program uses liquid fertilizer. As the ammonia is low cost and high fertilizer and the fertilizer has a higher cost than normal, so this design is mainly used for application of ammonia. The design has many advantages than previous ordinary fertilizer. It not only improved the deficiency in the liquid fertilizer, achieve high efficiency of agriculture, conservation of, and save manpower, and also will make people appreciate the joy of labor. Happy Farmer is the authors design purpose. The article also introduced other types of fertilizer robot on the domestic and foreign to readers so that they can have a broader understanding of fertilizer robot.Keywords: agriculture; liquid fertilizer; fertilization; wheel; robot中国石油大学（华东）本科毕业设计I目 录第第 1 1 章章 前前 言言.1 11.1 农业机器人概述 .11.1.1 农业机器人的定义 .11.1.2 农业机器人的特点 .21.2 农业机器人的发展状况 .21.2.1 国外 .21.2.2 国内 .41.3 现在已开发出的农业机器人 .41.3.1 农产品自动采摘与收获机器人 .41.3.2 嫁接机器人 .51.3.3 移栽机器人 .51.3.4 施肥机器人 .51.3.5 农产品分级机器人 .61.3.6 挤奶机器人 .61.3.7 其它作业机器人.71.4 农业机器人移动平台 .81.4.1 定位和导航 .81.4.2 农业机器人移动机构 .91.5 当前存在的问题 .101.5.1 农业机器人的发展局限 .101.5.2 理想农业机器人尚待解决的关键问题 .11第第 2 2 章章 轮式液体肥施肥机器人总体设计轮式液体肥施肥机器人总体设计.13132.1 施肥机器人说明与总体图 .13中国石油大学（华东）本科毕业设计II第第 3 3 章章 减速箱的设计减速箱的设计.15153.1 减速箱总体方案设计 .153.1.1 确定传动方案 .153.1.2 发动机的选择 .153.1.3 机构的总传动比及各级传动比的分配 .173.1.4 传动装置运动和动力参数的计算 .183.2 零件的设计计算 .193.2.1 V 带的设计.193.2.2 锥齿轮组一设计 .223.2.3 锥齿轮组二设计 .263.2.4 轴的初算 .313.2.5 轴承的选用 .323.3 减速器有关零件及整体结构图 .32第第 4 4 章章 方向控制与电机驱动系统的设计方向控制与电机驱动系统的设计.34344.1 涡轮蜗杆控制器 .344.2 平行四边形结构的联动设计 .354.3 电机驱动电路的设计 .36致致 谢谢.3939参考文献参考文献.4040附附 录录.4343附录 A JD173 的主要技术规格与参数.43附录 B 轮式液体肥施肥机器人模型实物图 .44中国石油大学（华东）本科毕业设计1第 1 章 前 言随着电子技术和计算机技术的发展，智能机器人已在众多领域得到了日益广泛的应用。在农业生产中，传统的机械通常存在着这样或那样的缺点。为了解决这个问题，国内外都在进行农业机器人的研究。智能化和自动化技术的长足进展，如近几年出现的耕耘机器人、嫁接机器人、农药喷洒机器人、瓜果采摘机器人、温室管理机器人等1，都是现代高科技在农业上综合运用与发展的结果。使用农业机器人可以提高劳动生产率,解决劳动力的不足改善农业生产环境，防止农药、化肥等对人体的伤害提高作业质量。农业机器人的问世，有望改变传统的劳动方式，改善农民的生活劳动状态。我国是一个农业大国,虽然农业人口众多，但随着工业化进程的不断加速，进入21世纪后，农业劳动力不足的问题将日益凸现2。在日本、美国等发达国家,农业人口少随着农业生产的规模化、多样化、精确化,劳动力不足的矛盾越来越突出,许多作业项目如蔬菜、水果的挑选与采摘等都是劳动密集型工作,再加上农时季节要求,劳动力短缺的问题越来越突出。因此，世界各国对农业机器人非常重视，投入了大量的资金和人力进行机器人的研究开发。1.1 农业机器人概述1.1.1 农业机器人的定义农业机器人是一种集传感技术、监测技术、人工智能技术、通讯技术、中国石油大学（华东）本科毕业设计2图像识别技术、精密及系统集成技术等多种前沿科学技术于一身的机器人3。也是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术和计算机技术等多种技术于一体的交叉学科与综合。1.1.2 农业机器人的特点农业机器人是一种以农产品为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化或半自动化设备4。它能减轻劳动强度,解决劳动力不足,提高劳动生产率和作业质量，防止农药、化肥等对人体的伤害。与工业机器人相比，农业机器人具有以下特点5：（1）作业对象的娇嫩性和不确定性（2）作业环境的非结构性（3）作业动作的复杂性（4）操作对象和价格的特殊性1.2 农业机器人的发展状况1.2.1 国外（1）日本日本是研究农业机器人最早的国家之一，日本的农业机器人技术发展也最为成熟。早在20世纪70年代后期，随着工业机器人的发展，已研制出多种农业生产机器人，如嫁接机器人、育苗机器人、农药喷洒机器人、扦插机器人、施肥机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列。（2）美国中国石油大学（华东）本科毕业设计3美国的农业机器人技术发展也非常快。由于美国自身科学技术发达，领土广阔，农业机械化程度很高,其行走式农业机器人理论技术发展得非常成熟6。 （3）西班牙西班牙发明的采摘柑橘机器人由一台装有计算机的拖拉机、一套光学视觉系统和一个机械手组成，能够从桔子的颜色、大小和开关判断出是否成熟并决定能不能够采摘。它每分钟摘柑桔60个，是人工采摘的7倍7。另外，采摘柑桔机器人能够依靠装有视频箱的机械手对当即采摘下来的柑桔按大小进行分类。（4）英国英国西尔索研究所开发的采蘑菇机器人装有录像机、红外线测距仪和视觉分析软件，能够首先确定哪些蘑菇可以采摘以及属于哪种等级，然后测出其高度以便进行采摘。它每分钟能摘蘑菇40个，比手工快两倍8。（5）法国法国研制的分拣机器人能在潮湿肮脏的环境里工作，把大个番茄和小粒樱桃加以区别，然后分别装运开来。它还可用来分拣不同大小的土豆，并且不会碰坏它们。（6）丹麦丹麦科学家研制出一种可用于农田除草的机器人。这不仅可以减少农民的辛苦，而且能够大幅度减少除草剂的使用。这种机器人有4只轮子，由电池驱动。除草机器人使用1 台照相机来完成地面扫描，它还携带着识别中国石油大学（华东）本科毕业设计4软件，使用15 种不同的参数来描述杂草的大小和对称性等外部特征，最终通过GPS（全球定位系统）来给杂草定位9。1.2.2 国内我国目前已开发出来的农业机器人有：耕耘机器人、除草机器人、施肥机器人、喷药机器人、蔬菜嫁接机器人、收割机器人、采摘机器人等。我国已研制成功蔬菜嫁接机器人并成功进行了试验性嫁接生产10。中国农业大学研制的蔬菜机器人解决了蔬菜幼苗的柔嫩性、易损性和生长不一致性等难题，可以对蔬菜的砧木和穗木进行自动化嫁接，可广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜等菜苗的嫁接。目前，中国农业大学的科技人员对机器人的机器结构和控制软件进行了改进，提高了机器作业的可靠性及其操作的方便性11。蔬菜嫁接机器人的研制成功，为我国发展温室栽培的蔬菜瓜果嫁接的规模化、产业化提供了一种先进的作业设备。我国还成功地研制出了采摘西红柿机器人。它带有彩色摄像头，能够判断果实的生熟。东北林业大学研制出林木球果采集机器人。1.3 现在已开发出的农业机器人1.3.1 农产品自动采摘12与收获机器人（1）番茄收获机器日本N.Condo等人研制的番茄收获机器人，机器人从识别到采摘完成的速度大约15s/个，成功率75%左右。（2）林木球果采摘机器人中国东北林业大学的陆怀民研制了林木球果采摘机器人，这种机器人中国石油大学（华东）本科毕业设计5采摘效率是500kg/天，是人的3050倍。而且采摘时对母树的破坏较小，采净率高。（3）茄子采摘机器人日本国立蔬菜和茶叶研究所与岐阜大学联合研制了茄子采摘机器人。该机器人系统采摘成功率为62.5，工作速度为64.1s/个。1.3.2 嫁接机器人嫁接栽培是克服瓜菜连茬病害和低温障碍的有效途径，抗病、增产效果显著，被广泛用于黄瓜、西瓜、甜瓜、茄子、西红柿栽培。嫁接机器人可大幅提高嫁接速度，明显降低劳动强度,并提高嫁接成活率。中国农业大学率先研制成功自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、快速抓取、良好切削。操作者只需把砧木和穗木放到相应供苗台上,机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合等嫁接过程的自动化作业,嫁接速度600棵/h，成功率95%以上,促进了果蔬生产规模化、产业化13。1.3.3 移栽机器人机器人可提高移栽操作质量和工作效率。台湾K.C.Ting和Y.Yang等人研制的移栽机器人，把幼苗从600穴的育苗盘中移植到48穴的苗盘中。机器人本体部分由4个自由度执行结构和夹持器组成，位于顶部的视觉传感器确定苗盘尺寸和苗的位置,力觉传感器保证夹持器夹住而不损伤蔬菜苗。在苗盘相邻的情况下，单个苗移栽的时间在2.63.25s之内。1.3.4 施肥机器人中国石油大学（华东）本科毕业设计6日本开发的能在水田中自动行走，进行深层作业的水稻施肥机器人。其行走部分是能在狭窄的稻秧间行走的窄型橡皮车轮，四个轮子均可横向转动90度。施肥装置是把糊状肥料经过肥料泵加压、由喷嘴向土中施肥，喷嘴两个一组共有四组，利用喷嘴柄把喷嘴插入土中15cm，进行点注深层施肥。机器人能沿着水稻垄自动行走，能自动保持作业部分的深度，自动控制施肥量，机器人工作时无人操纵。通过前方传感器自动检测地头的土埂，在设定的土坯处自动停止，转动90度，再横向移动8条稻垄，再转动90度，继续向相反方向进行作业。美国明尼苏达州一家农业机械公司的研究人员推出的施肥机器人别具一格，它会从不同土壤的实际情况出发，适量施肥，它的准确计算合理的减少了施肥的总量，降低了农业成本。由于施肥科学，使地下水质得到改善。1.3.5 农产品分级机器人机器人可完成农产品的分级,大幅提高分选的均一性,降低产品破损率，提高生产率,降低生产成本,改善劳动条件。英国研制的分拣机器人,采用光电图像识别和提升分拣机械组合装置，把大的西红柿和小的樱桃加以区别, 然后分拣装运。也能把土豆进行分类，且不擦伤外皮。美国每年有50%以上的苹果经过该设备处理。1.3.6 挤奶机器人1992年荷兰开发了挤奶机器人。根据计算机管理的乳头位置信息,用超声波检测器自动找到牛的乳头位置,用计数型机械手进行奶头清洗和挤奶等作业。2004年12月2日,中国第1个挤奶机器人被安置在蒙牛澳亚示范牧场。中国石油大学（华东）本科毕业设计7牧场挤奶示范区展示着机器人式、转盘式等现代化挤奶平台,其中转盘式平台1次可同时为60头奶牛挤奶,是目前我国最大的挤奶机14。1.3.7其它作业机器人(1) 剪羊毛机器人澳大利亚研制了剪羊毛机器人。首先将羊固定在可作3个轴心转动的平台上,然后将有关羊的参数输入计算机，据此算出剪刀在剪羊毛时的最佳运动轨迹，然后用液压传动式剪刀剪下羊毛。机器人要比熟练的剪毛工剪得快。(2) 葡萄树修剪机器人1991年英国研制了葡萄树修剪机器人。根据电脑模型法则，利用摄像机检测树枝，用带剪刀机械手修剪。(3) 变量喷洒机器人农业机器人发挥信息采集和处理方面的优势，通过准确测定温室内植物的需水量，进行精确定点的灌溉控制，通过检测土壤状况控制施肥的数量，降低成本。机器人用于喷洒农药，可避免人体接触农药,提高喷洒农药的准确性，减少农药用量和降低污染。(4) 田间作业机器人15用于野外作业的农业机器人可在平整土地等方面发挥作用。如机器人运用激光技术平整土地，在地畦边上安装信号机，履带机器人接受激光后便自动调节高低平整土地。用激光控制的机器人，可选择最佳运行路线，减少生产成本。中国石油大学（华东）本科毕业设计8(5) 自行走耕作机器人16自行走耕作机器人是在拖拉机的基础上加上一些方位传感器、嵌入式智能系统等，可在耕作场内辨别自身位置推动执行机构动作，实现无人驾驶，配上各种农具，能进行各种田间作业。随着GPS（全球卫星定位系统）的应用，卫星导航，精确定位行驶成为可能。自行走耕作机器人是农业机器人中技术比较成熟的一种，已达到实用性阶段。1.4 农业机器人移动平台1.4.1 定位和导航17移动机器人定位是其导航控制中的一个重要问题。目前，定位方法主要有：1)利用内传感器进行定位；2)信标定位；3)基于环境模型的方法；4)基于多传感器融合信息的定位。（1）电磁导航该方法是让低频电流流过埋设在路径下的电缆，然后用安装在机器人上的线圈检测电缆周围产生的磁场，并根据该信息控制方向，以实现沿规定路径的导航控制。（2）超声波导航使用主动超声作为信标，移动机器人车身上装有超声接收器，测得移动机器人和信标的距离和方位从而估计移动机器人的位姿。另外也可将超声发射和接收做为一体。（3）激光导航一种方案是用一个指向标发出旋转扫描激光光束，再利用机器人上的中国石油大学（华东）本科毕业设计9若干个传感器来检测，从而求出指向标的方向和到指向标的距离。（4）视觉导航移动机器人利用视觉传感器获取的信息进行定位，从而实现智能行驶是一种大有潜力的技术，是移动机器人导航技术的发展趋势。1.4.2 农业机器人移动机构农业移动机器人大体分为两类:一是在大面积农田作业的室外型，一类是在大棚温室或设施内作业的室内型。不论哪一类,绝大多数都需要移动作业。移动机器人按照行走机构可分为车轮式、履带式、轮-履带式和人形结构4种18。（1）轮式行走机构车轮式行走机构最简单,应用也最为广泛。常见的机构有四轮或三轮式机器人。根据移动特性可以分为非全方位和全方位移动机器人两种。（2）履带式行走机构除轮式结构以外,履带式行走机构近来也多有研究，特别是在军用方面，由于小型履带式移动机器人在军事侦察、作战、反恐、扫雷排险、防范核化污染等危险、恶劣环境下以及物料搬运中具有广阔的应用前景,因而受到世界各国的高度重视19。（3）轮-履带式行走机构鉴于轮式和履带式移动机构的优缺点，机器人移动方式还有一种轮-履带式行走机构，这种机构在兼顾了前两者的优点的同时，还开发出了摆臂的新功能,已逐渐成为现代地面移动机器人的发展趋向20。机器人的车体中国石油大学（华东）本科毕业设计10由车身、车轮、摆臂、履带、小轮、压紧轮构成，也有的车体采用四履带形式的。（4）步行机构双足步行机器人研究是一个很诱人的研究课题,而且难度很大。因为人形行走机构在静态时是平衡的,但在步行时,整个质心会发生偏移而产生动不平衡。如果不能维持动态不平衡,机器人会倾倒。但是，随着智能控制技术的进步,人形机器人将会得到广泛的应用。1.5 当前存在的问题1.5.1 农业机器人的发展局限农业机器人虽已有重大发展，但是由于在农业领域应用的历史还比较短，从20世纪90年代开始，机器人才开始在一些发达国家的农业生产中应用，所以仍有不少瓶颈问题等待突破。农业机器人的工作特点是作业、移动同时进行，其行走不是连接出发点和终点的最短距离，而是具有狭窄的范围、较长的距离且遍及整个田间表面。农业机器人需要知道自身相对于外部世界的位置和周围环境。因此，定位导航是农业机器人基础的关键技术，也一直是农业机器人的研究重点和难点。定位是确定机器人在其作业环境中所处位置的过程。更具体地说是利用先验环境地图信息、机器人位姿的当前估计以及传感器的观测值等输入信息，经过一定的处理和变换，产生更加准确的对机器人目前位姿的估计。就目前的研究状况来说，农业机器人可以代替人类完成某些农业生产活动，但研究多处于实验室的试验阶段，无法达到实用普及的程度。其有两个原因：一是农业机器人的智能中国石油大学（华东）本科毕业设计11程度没有达到农业生产的需要。农业生产的特点要求农业机器人具有相当的智能和柔性生产的能力以适应复杂的非结构环境。从目前的技术水平来看，在自动导航、视觉辨识定位等方面已经具有成熟的解决方案。但总的来讲，目前智能系统的发展还不够完善，很多任务无法由农业机器人单独完成。二是农业机器人的成本过高。机器人智能水平的提高一般都要增加计算机控制系统软硬件的复杂度，这就必然使其成本提高。所以，即使是农业机器人具备了相当的智能，能够完成某种任务，但是由于其开发难度极大，制造成本过高，仍然难以实际应用。农业机器人的成本问题成为制约其进一步研究应用的瓶颈问题。1.5.2 理想农业机器人尚待解决的关键问题（1）适应性问题由于农业生产具有种类的多样性，作业条件的多变性，迫切要求农业机器人具有开放性的智能和柔性生产的能力，以适应复杂的环境，现在开发的农业机器人很多是用于特定生产环境的，具有很大的局限性，适应性问题还有待进一步提高。（2）高可靠性和易操作性农业机器人的使用者是农民，不是具有农业机械知识的工程师，因此要求农业机器人具有高可靠性和良好的操作性，这就需要在农业机器人中广泛地引入人工智能技术，提高其生产自动化程度和稳定性，减少人工的操作。（3）价格问题中国石油大学（华东）本科毕业设计12由于农业机器人运用很多高新技术，开发和生产成本较高。因此价格较高，而且我国农业以个体经营为主，农民购买力有限，普及困难。需要在降低农业机器人成本的同时实现农业的规模化。（4）兼容性问题不同厂家生产的机器人系统互不兼容，与计算机的接口方式也不尽相同，难以进行升级和维修。因此需要制定相关行业标准，技术规范，提高农业机器人的兼容性。我国目前还处于农业机械化的初级阶段，发展农业机器人要从我国实际情况出发，目前要紧跟国际农业机器人发展的步伐进行一些基础性研究，设计制造一些适应我国国情的农业机器人，并初步应用于一些形成规模的经济价值较高的作物种植中。虽然现阶段在我国大力发展农业机器人是不现实的，但是，随着科技水平的不断提高，农业规模化的不断发展，农业机器人这一现代农业的先进生产工具，将逐渐在我国农业生产中发挥巨大作用。中国石油大学（华东）本科毕业设计13第 2 章 轮式液体肥施肥机器人总体设计2.1 施肥机器人说明与总体图施肥机器人的前视图、俯视图、轴测图分别如图 2-1,2-2,2-3 所示，从图上我们可以看出，施肥机器人主要由五大部分组成,分别是动力源部分、减速差速器部分、方向控制部分、储料箱部分、施肥控制部分。动力源部分主要是为机构的运行提供足够的动力，其包括柴油机和发电机，发电机由柴油机带动发电，这样一来可以保证机构有源源不断的电能来源。减速差速器部分包括减速箱、差速器、离合器，这三者可以实现机构的启停控制与动力的分配，其中位于大带轮上的离合器采用电磁离合器，这样一来更有利于电控。方向控制部分，只要有一对蜗轮蜗杆和电动机组成。储料箱的储量大约是 0.1。施肥控制部分采用手动开关控制，3m这样可以是结构简单，同时也不会增加太多的劳动量，而且结构可靠。图 2-1 施肥机器人前视图中国石油大学（华东）本科毕业设计14图 2-2 施肥机器人俯视图图 2-3 施肥机器人轴测图中国石油大学（华东）本科毕业设计15第 3 章 减速箱的设计3.1 减速箱总体方案设计3.1.1 确定传动方案 带差速器的圆锥齿轮减速器总体布置如图 3-1 所示。图 3-1 带差速器的圆锥齿轮减速器示意图3.1.2 发动机的选择一般农业机械中多以柴油发动机为原动机。柴油发动机是已经系列化的定型产品，在进行机械设计时，要根据中作载荷的大小以及性质、转速高低、启动特性、运载情况、工作环境、安装要求、空间尺寸、经济性等要求从产品目录中选择柴油机的类型、结构形式、容量和转速，最后确定具体型号。（1）柴油机类型和结构形式的选择如无特殊要求，一般选用小马力柴油机。小马力柴油机一般属于一般用途的全封闭式自冷式柴油机，具有高效、节能、噪音小、振动小、运行中国石油大学（华东）本科毕业设计16可靠安全的特点，适宜于无特殊要求的各种农业机械设备，所以设计时应该优先选用。柴油机的结构形式可根据防护要求选择，同一类型的柴油机又有几种安装形式，可根据不同的安装要求选择。（2）发动机容量的确定 柴油机输出功率的确定.1 当已知工作及的阻力为 F（N）或转矩为 T（N.m） 、圆周速度为v(m/s)或转速为 n(r/min)时，柴油机的输出功率为：=dPawPaaTnFVww95501000式中发动机输出功率；dP工作机所需功率，kW；wP传动装置效率；a工作机效率。w于前轮，当已知前轮的直径 D（mm）,轮子的转速为 n（r/min)时，轮子的圆周速度为：100060Dn当 D=500mm，时，得 n=2.546r/min。sm/2选择柴油机型号时应满足下列条件：dcdkPP柴油机的额定功率（指在长期连续稳定运转条件下所能发出的功cdP中国石油大学（华东）本科毕业设计17率） ，单位 kW；过载系数（是工作机构可能的过载情况而定，一般可取）k1.5-1 . 1k。 传动装置总效率的确定222a圆柱齿轮 8 级 ，7.903圆锥齿轮 8 级 7.903离合器 ，5.901工作机（轮子） ，.900wV 带 ，5.904轴承（滚珠） 。9.902（3）发动机的选用确定如下：kWFPafd3.3310002w式中 ；.900w，；5.9019.9027.9035.904；0.80433321a。N1200)4002001000400400(5 . 0fF所以 kWkPPdcd0.043.33.21选用柴油机（江淮动力，JD173，4.04kW）3.1.3 机构的总传动比及各级传动比的分配（1）总传动比的计算中国石油大学（华东）本科毕业设计1864.1960546. 21500wmnni所以，总传动比64.19i（2）传动比的分配23. 22 . 244.619321iii3.1.4 传动装置运动和动力参数的计算（1）功率由于地况复杂，以下按最大功率计算。图 2-1 中减速器的各轴功率分别为： 高速轴功率 kWPP1.634.045.909.905.904211中间轴功率 kWPP47. 361. 37.909.901322低速轴功率 kWPP23. 37.9099. 0222323（2） 转速高速轴的转速 min/0 .7504300011rinnm中间轴的转速 min/9 .3402 . 20 .75022rinnm低速轴的转速 min/9 .15223. 29 .34033rinnm（3） 各个轴的扭矩高速轴的扭矩 mNnPT0 .4675061. 395509550111中间轴的扭矩 mNnPT2 .979 .34047. 395509550222中国石油大学（华东）本科毕业设计19低速轴的扭矩 mNnPT7 .2019 .15223. 395509550333动力参数计算结果汇总如表 3-1 所示。表 3-1 动力参数计算结果项目功率 P(kW)转速 n(r/min)轴的扭矩 T()mN 高速轴3.61750.046.0中间轴3.47340.997.2低速轴3.23152.9201.7传动比19.64分配23. 22 . 24321iii3.2 零件的设计计算223.2.1 V 带的设计V 带传动部分传动比为 i=4工作情况系数 由表 11.5 2 . 1AK计算功率 kWPKPAc85. 404. 42 . 1带的型号 查图 11.16 选 SPZ 型 小轮直径 查表 11.6 取mmD631大轮直径 1012)1 (nnDD mm48.249750300063)01. 01 (（设） 取 01. 0mmD2502大轮转速 min/44.748250300063)01. 01 ()1 (2011rDnDn中国石油大学（华东）本科毕业设计20mmDDDm5 .156225063221 93.5263250212mmDD初选 mma350则 aaDLm22mm6 .12163505 .9335025 .1562查表 11.12 取mmL1250求中心距与包角中心距 228)(414mmDLDLa 225 .938)5 .1561250(4145 .1561250mm367包角 o12o3 .57180aDD ooo1208 .1503 .5736763250180传动比 008. 444.748300010nni带根数 表 11.9 50. 10P 表 11.7 92. 0K 表 11.11 48. 00P 表 11.12 94. 0LK中国石油大学（华东）本科毕业设计21 LcKKPPPZ)(00 选用 3 根。83. 294. 092. 0)48. 050. 1 (85. 4求轴上载荷 20)5 . 2(500qKKZPFc NZ1 .14790. 907. 0)92. 092. 05 . 2(90. 985. 45002轴上载荷 2sin20ZFFQ N1 .85428 .150sin1 .14732带轮结构 HT 200 制造mmD631mmD2502sm/30由计算结果设计的带轮如图 3-1，3-2 所示图 3-1 大带轮中国石油大学（华东）本科毕业设计22图 3-2 小带轮3.2.2 锥齿轮组一设计齿轮组一的设计采用直齿锥齿轮，i2.2，如图 3-3 所示。小齿轮材料 40Cr，调制处理硬度 241286HB，取平均值 260HB。大齿轮材料 40SiMn，调制处理硬度 217255HB，取平均值 230HB。图 3-3 锥齿轮组一（1）齿面接触疲劳强度计算齿数和精度等级 中国石油大学（华东）本科毕业设计23取 ,201Z44202 . 212 iZZ估计计算，查表 12.6，选择 8 级精度。sm/6 . 2使用系数 由表 12.8 0 . 1AK动载系数 由图 12.9 16. 1VK齿间载荷分配系数，由表 12.10，估计 HKmmNbFKA/100 91. 012 . 22 . 21cos221uu41. 012 . 2111cos222u 0 .2291. 020cos111ZZV3 .10641. 044cos222ZZV cos)11(2 . 388. 1 21VVavZZ70. 10cos)3 .10610 .221(2 . 388. 1 o 87. 0370. 1434avZ 32. 187. 01122ZKH齿向载荷分配系数，由表 12.20 及注释取 =1.65 KK载荷系数 ， K53. 265. 132. 116. 10 . 1KKKKKHVA中国石油大学（华东）本科毕业设计24转矩 ， 1TmmNnPT4600044.74861. 31055. 91055. 961161弹性系数， 由表 12.12 EZMPaZE9 .189节点区域系数， 由图 12.16 HZ5 . 2HZ接触最小安全系数，由表 12.14 minHS05. 1minHS接触寿命系数， 由图 12.18 NZ0 . 11NZ.012NZ认为是载荷平稳，可长期使用，不考虑使用寿命因素。材料极限接触应力 由图 12.17c MPaH7101lim MPaH6802lim许用接触应力 MPaSZHNHH67605. 10 . 1710min11lim1 MPaSZHNHH64805. 10 . 1680min22lim2小轮大端分度圆直径,取1d3.0R 32211)()5.01(7.4HHERRZZZuKTdmm5 .776487.80.52.81892 . 2).305 . 01 (.300004653. 27 . 4322）（验算圆周速度及 ， bFKA中国石油大学（华东）本科毕业设计25 11)5 . 01 (ddRmmm.965.577)3 . 05 . 01 ( smndmm/8.52100060750.96510006011与估计值接近。NdTFmt1396.965460002211 12111cos12sin2ddbRRmm0 .2891. 012.5773 . 02mmNbFKA/1008 .490 .2813960 . 1与原估计相符。确定主要传动尺寸大端模数 m ，由表 12.3，取 m=4mmmmZdm88. 320.57711实际大圆分度圆直径 d mmmZd8020411 mmmZd17644422锥距 R mmZZmR7 .964420242222221齿宽 b mmRbR0 .297 .963 . 0(2)齿根弯曲疲劳强度计算齿形系数 由图 12.30 FaY83. 21FaY中国石油大学（华东）本科毕业设计26 42. 22FaY应力修正系数 SaY 由图 12.31 2.611SaY8.712SaY重合度系数 69. 070. 175. 025. 075. 025. 0avY齿间载荷分配系数 由表 12.10 FKmmNbFKA/1000 .4745. 169. 011YKF载荷系数 ， K78. 265. 145. 116. 10 . 1KKKKKFVA弯曲最小安全系数， 由表 12.14 minFS25. 1minHS弯曲寿命系数， 由图 12.18 NY.0121NNYY尺寸系数 由图 12.25 xY0 . 1xY材料极限弯曲应力 MPaF6001lim MPaF5702lim许用弯曲应力 MPaSYYFxNFF48025. 10 . 10 . 1600min11lim1 MPaSYYFxNFF45625. 10 . 10 . 1570min22lim2验算 （式 12.40）1)5 . 01 (.74232121111umZYYYKTRRSaFaF8 .14112 . 2420)3 . 05 . 01 (3 . 069. 062. 183. 24600078. 2.7412322FMPa中国石油大学（华东）本科毕业设计27 112212SaFaSaFaFFYYYY2 .13362. 183. 278. 142. 28 .1412FMPa验算合格。3.2.3 锥齿轮组二设计齿轮组二的设计采用直齿锥齿轮，2.23，如图 3-4 所示。小齿轮材料 40Cr，调制处理硬度 241286HB，取平均值 260HB。大齿轮材料 40SiMn，调制处理硬度 217255HB，取平均值 230HB。图 3-4 锥齿轮组二（1）齿面接触疲劳强度计算齿数和精度等级取 ,221Z中国石油大学（华东）本科毕业设计28.492223. 212 iZZ估计计算，查表 12.6，选择 8 级精度sm/.41使用系数 由表 12.8 0 . 1AK动载系数 由图 12.9 10. 1VK齿间载荷分配系数 ，由表 12.10 估计 HKmmNbFKA/100 91. 0123. 223. 21cos221uu41. 012 . 2111cos222u .12491. 022cos111ZZV4 .11841. 049cos222ZZV cos)11(2 . 388. 1 21VVavZZ72. 10cos).41181.1241(2 . 388. 1 o 87. 0372. 1434avZ 32. 187. 01122ZKH齿向载荷分配系数，由表 12.20 及注释 取 =1.65KK载荷系数 ， K0.4265. 132. 110. 10 . 1KKKKKHVA中国石油大学（华东）本科毕业设计29转矩 ， 1TmmNnPT97409.934047. 31055. 91055. 962261弹性系数， 由表 12.12 EZMPaZE9 .189节点区域系数， 由图 12.16 HZ5 . 2HZ接触最小安全系数，由表 12.14 minHS05. 1minHS接触寿命系数， 由图 12.18 NZ.0121NNZZ认为是载荷平稳，可长期使用，不考虑使用寿命因素。材料极限接触应力 MPaH7101lim MPaH6802lim许用接触应力 MPaSZHNHH67605. 10 . 1710min11lim1 MPaSZHNHH64805. 10 . 1680min22lim2小轮大端分度圆直径，取1d3.0R 32211)()5.01(7.4HHERRZZZuKTdmm87.36487.80.52.818923. 2).305 . 01 (.30974090.427 . 4232）（验算圆周速度及bFKAmmddRm.274.387)3 . 05 . 01 ()5 . 01 (11 smndmm/2.31100060.9340.27410006021与估计值相近。中国石油大学（华东）本科毕业设计30NdTFmt2626.274974092211mmddbRR.63191. 012.3873 . 0cos12sin2212111mmNbFKA/100.183.63126260 . 1与原估计相符。确定主要传动尺寸大端模数 m ，由表 12.3，取 m=4mmmmZdm97. 322.38711实际大圆分度圆直径 d mmmZd8822411 mmmZd19649422锥距 R mmZZmR4 .1074922242222221齿宽 b mmRbR2 .324 .1073 . 0(2)齿根弯曲疲劳强度计算齿形系数 由图 12.30 FaY75. 21FaY 22. 22FaY应力修正系数 SaY 由图 12.31 3.611SaY96. 12SaY重合度系数 69. 072. 175. 025. 075. 025. 0avY中国石油大学（华东）本科毕业设计31齿间载荷分配系数 由表 12.10 FKmmNbFKA/1001 .8345. 169. 011YKF载荷系数 ， K63. 265. 145. 110. 10 . 1KKKKKFVA弯曲最小安全系数，由表 12.14 minFS25. 1minHS弯曲寿命系数， 由图 12.18 NY.0121NNYY尺寸系数 由图 12.25 xY0 . 1xY材料极限弯曲应力 MPaF6001lim MPaF5702lim许用弯曲应力 MPaSYYFxNFF48025. 10 . 10 . 1600min11lim1 MPaSYYFxNFF45625. 10 . 10 . 1570min22lim2验算 1)5 . 01 (.74232121111umZYYYKTRRSaFaF.0227123. 2422)3 . 05 . 01 (3 . 069. 063. 175. 29740963. 2.7412322FMPa112212SaFaSaFaFFYYYY.322063. 175. 296. 122. 2.02272FMPa验算合格。3.2.4 轴的初算中国石油大学（华东）本科毕业设计32轴的结构设计要在初步估算出一段轴径的基础上进行。初算轴径可按扭转强度计算:（1）mmnPcd9 .1844.74861. 311233111 mmdd8 .19%)51 (9 .18%5111（2）mmnPcd2 .249 .34047. 311233222 mmdd5 .25%)51 (2 .24%5122（3）mmnPcd9 .309 .15223. 311233333 mmdd5 .32%)51 (9 .30%5133式中 P轴所传递的功率，kW； n轴的转速，r/min； C由材料和承载情况确定的系数。3.2.5 轴承的选用根据轴的初算结果，选用轴承的型号如表 2-2 所示。表 2-2 轴承的选用型号型号Cr/kwCor/kwD/mmd/mmB/mmNo/r/min620514.07.8852251513000620619.511.36230169500620829.518.180401880003.3 减速器有关零件及整体结构图为了更为清楚的表达视图情况，把减速器的整体图在下面进行表示。中国石油大学（华东）本科毕业设计33图 3-5 减速器外观图图 3-6 减速器内部结构图中国石油大学（华东）本科毕业设计34第 4 章 方向控制与电机驱动系统的设计本设计采用蜗轮蜗杆控制，通过蜗轮蜗杆控制其中一个后轮的转动，再通过平行四边形机构实现另一个后轮的随动，这样在控制一个后轮旋转时，另一个后轮也会随之转动，由于采用平行四边形机构使结构更为简单，且基本可以满足工作需求，节省了成本，提高了效率。4.1 涡轮蜗杆控制器如图 4-1 所示，蜗轮蜗杆采用右旋，当电机通电正转（顺时针）时，蜗杆带动蜗轮使蜗轮反转（逆时针） ，而与蜗轮垂直安装的一个后轮则会在扭矩的作用下向左摆动，实现了车体的右拐弯；当电机通电反转（逆时针）时，蜗杆带动蜗轮使蜗轮正转（顺时针） ，而与蜗轮垂直安装的一个后轮则会在扭矩的作用下向右摆动，实现了车体的左拐弯。图 4-1 涡轮蜗杆控制器结构图 这种设计可以实现方向的电机控制，我们再通过遥控器控制电机即可中国石油大学（华东）本科毕业设计35以实现对于方向的控制，这种设计实现了人机的脱离，为实现车体的控制奠定了基础。4.2 平行四边形结构的联动设计考虑到适应性与成本问题，平行四边形的结构的联动设计较为简单，如图 4-2 所示。图 4-2 平行四边形机构图在设计平行四边形机构时，考虑到对于不同地垄宽度的适应性，在联动杆上设置了三个间距，当地垄宽度不同时，可以做出适应性的调节，以便使得轮子的边缘正好坐落于地垄之间的沟槽内，这样有利于机构整体运行的稳定性，保证工作的效率以及可靠性。方向控制系统总图如图 4-3 所示。中国石油大学（华东）本科毕业设计36图 4-3 方向控制器总图在实际工作过程中，可能还会遇到各种突发情况，如控制器的灵活性，适应性，可靠性问题，这些问题的解决需要一套完整的机构有效的工作，才能顺利的完成，所以此机构是在考虑各方面的综合因素后给出的方案。4.3 电机驱动电路的设计此部分通过设计制作一个简单的轮式液体肥施肥机器人模型来说明控制与驱动电路部分的设计构想，以下数据均为模型数据。遥控以及接收器是选自遥控小车的控制电路，无线遥控频率 40Hz，最大有效遥控距离50m，其他部分自己设计。遥控控制电路图如图 4-4 所示。中国石油大学（华东）本科毕业设计37图 4-4 电机遥控控制与驱动电路图采用电机型号分别为，驱动电机 45r/min,扭矩 15kg.cm。控制电机40r/min，扭矩 9kg.cm。继电器采用最大电压 24V。转向控制的实现主要依靠置于后轮的控制电机来实现，电机是上下放置的。中国石油大学（华东）本科毕业设计38第 5 章 结 论通过本次设计工作得出以下结论：1.通过对于农业实际问题的调查，提出在此方面的自己的看法，然后再以此为基础进行详细的设计。 2.联系学过的涡轮蜗杆的有关特性，进行方向控制系统的设计，选用此机构不但可以实现自锁，而且有较大的传动比。 3.平行四边形机构结构简单，在实现小的方向角度上转弯时，速度快，灵活性好，而且可以满足要求，成本低，综合性价比高。4.前后轮都采用可轴向移动式的设计，但地垄宽度不一样时，可以通过调节轮子之间的距离来实现对于不同地垄宽度的适应，适应性好。5.减速器设计上按照传统方法设计，采用两级锥齿轮传动，减速器内置了差速器，使整体结构紧凑，效率更高。6.机构采用 JD173 型号的柴油机作为动力源，同时柴油机带动发电机发电，给后轮的电动机提供电能，这样一来，有效地解决了供能问题，可以在田地里长时间作业。中国石油大学（华东）本科毕业设计39致 谢毕业论文马上收尾，通过此次毕业设计，是我在机械设计以及电路控制方面有了跨越式的进步。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的。在此过程中，既得到了同学们的无私帮助，更得到了齐明侠和沈蓉老师的大力支持，非常感谢两位老师在我大学的最后学习阶段给自己的指导，从最初的定题，到资料收集，到写作、修改，到论文定稿，她们给了我耐心的指导和无私的帮助。为了指导我们的毕业论文，他们放弃了自己的休息时间，他们的这种无私奉献的敬业精神令人钦佩，在此我向他们表示我诚挚的谢意。同时，感谢所有任课老师和所有同学在这四年来给自己的指导和帮助，是他们教会了我专业知识，教会了我如何学习。正是因为有了他们，我所做的一切才更有意义；也正是因为有了他们，我才有了追求进步的勇气和信心。正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步，在此向他们表示我由衷的谢意。中国石油大学（华东）本科毕业设计40参考文献 1 戴乃昌.农业机器人的发展和应用初探J农机化研究,2009（2）: 241-243.2 闫树兵,姬长英. 农业机器人移动平台的研究现状与发展趋势J.拖拉机与农用运输车,2007,24（5）:13-15.3 崔勇.农业机器人的研究与应用浅探J.南方农机,2008(1):33-37.4 张铁中,魏剑涛.蔬菜嫁接机器人视觉系统的研究(I)J.中国农业大学学报,1999,4（4）:45-47.5 田素博.国内外农业机器人的研究进展J.农业机械化与电气化，2007（2）:3-5.6 胡桂仙,于勇,王俊.农业机器人的开发与应用J.中国农机化,2002(5):45-47.7 汤修映,张铁中.果蔬收获机器人研究综述J.机器人, 2005，27(1):90-94.8 方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展J.农业工程学报, 2004,20(2):2.9 林宝龙.基于三维视觉的水果采摘机器人技术研究D.北京:中国农业大学,2004:68-7210 王建军，武秋俊.机器人在农业中的应用J.农机化研究,2007(7):中国石油大学（华东）本科毕业设计41174-17611 沈明霞,姬长英.农业机器人的开发背景及技术动向J.农机化研究, 2000(2):31-3512 Kondo N, Monta M, Fujiura TFruitharvesting robots in Japan J. 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