割草机器人机械系统设计与研究

• 作 者: 连勇军
• 机 构: 华中科技大学
• 出 处: 华中科技大学
• 发表日期: 2008年期
• 关键词: 割草机器人 机械系统 优化设计 运动学模型 轨迹跟踪 全区域覆盖

随着经济的发展,城市绿化进程逐渐加快,绿色草坪逐渐成为一种时尚,越来越多的国外家庭更注重生活环境的美化,这也带动了家用草坪机械的发展。对小型家庭草坪的修剪和维护作业需要消耗掉大量的时间、资本和人力。此外在使用传统割草机对草坪进行修剪时,还会带来噪声和废气等污染,严重影响了从业人员的身心健康。为了将劳动力从重复、枯燥的割草作业中解放出来,有必要研制一种自动化的小型割草机器人。　　本文首先对国内外现存的割草机器人进行了介绍和比较,指出了现有割草机器人研制过程中的关键技术和存在的不足,并结合机器人的机构,选择了四轮形式的车体结构设计方案。　　针对割草机器人的工作环境、运动方式等要求,首先进行了机器人机械本体的设计,包括机器人车体、驱动轮、万向轮等结构设计;然后,根据机器人在草坪环境下的受力模型,按照机器人的质量和尺寸等参数确定了所需驱动电机的参数,并以此为基础进行了电机、减速箱的选型以及机械零件的设计;最后,结合割草机器人的任务特点,为其设计了特制的割草机构。　　最后,建立了割草机器人的机构数学模型,并在深入研究移动机器人的运动学模型与动力学模型基础上,针对户外工作环境下移动机器人的简化动力学模型,利用后退方法设计了割草机器人非完整动力学的轨迹跟踪模型,结合机器人自身特点应用matlab进行仿真,给出了控制仿真实验分析结果,验证了机器人良好的轨迹跟踪特性;在实现了机器人轨迹跟踪基础之上,进一步讨论了割草机器人的全区域覆盖问题,包括区域充满检测标准、工作区域划分和工作区间遍历等。　　通过以上研究,设计了一种简单实用的割草机器人,具有一定的智能化水平,满足了自主移动、寻迹、充电、割草等功能,验证了方案的可行性,为户外小型移动机器人的研究奠定了基础。