農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u221981.1刀具選擇研究與分析 145061.1.1刀具類型選擇 1116821.1.2刀具的技術(shù)要求 3192351.1.3刀具的設(shè)計(jì)及建模 3222121.1.4刀具的設(shè)計(jì)思路及選材 61.1刀具選擇研究與分析1.1.1刀具類型選擇常見農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人中的切割器一般分為往復(fù)式[18]和回轉(zhuǎn)式[19]兩種。往復(fù)式切割器的原理是利用動(dòng)刀片與定刀片之間的往復(fù)的剪切運(yùn)動(dòng)將雜草切斷，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性較廣。它能適應(yīng)一般或較高作業(yè)速度（6-10km/h）的要求，工作質(zhì)量較好。但其動(dòng)刀片作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的沖擊載荷和慣性力，振動(dòng)較大，對(duì)割臺(tái)及切割器自身部件的壽命造成影響；由于切割時(shí)間長(zhǎng)和莖稈有多次切割現(xiàn)象，則切割不夠整齊。圖1.1為幾種常見的往復(fù)式切割器類型：（a）標(biāo)準(zhǔn)型（b）雙刀距行程型（c）低割型（d）中間型（e）雙動(dòng)割刀型。(a)(b)(c)(d)(e)圖1.1往復(fù)式切割器1.回轉(zhuǎn)式切割器作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其切割速度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)小、較少出現(xiàn)故障，但其割幅受到圓盤直徑的限制，通常不超過1.5m。此外，回轉(zhuǎn)式切割器最大的缺點(diǎn)是圓盤形的動(dòng)刀壽命較短，維修費(fèi)用較高，因此目前圓盤式切割器的使用較少。圖1.2為幾種常見的回轉(zhuǎn)式切割器：(a)直線型(b)曲線型(C)光刃圓盤型(d)鋸齒圓盤型(e)行星回轉(zhuǎn)型(f)星齒型。(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖1.2回轉(zhuǎn)式切割器認(rèn)真研讀過許多文獻(xiàn)后決定選擇設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)式切割器，參考前輩所設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行自我創(chuàng)新設(shè)計(jì)。1.1.2刀具的技術(shù)要求我此次設(shè)計(jì)的作業(yè)末端執(zhí)行器由三個(gè)部分組成：刀盤、刀柄和刀片。本次設(shè)計(jì)的作業(yè)末端執(zhí)行器是一個(gè)小型刀具，刀盤直徑為100mm，厚度為10mm；刀柄長(zhǎng)度為81mm，寬度為10mm，厚度為8mm；刀片長(zhǎng)度60mm，寬度為9.5mm，厚度為1mm；整個(gè)刀具直徑為265mm。刀柄、刀片數(shù)量為四。刀盤、刀柄所選擇的材料為合金鋼。刀片所選材料為65Mn。1.1.3刀具的設(shè)計(jì)及建模刀盤為直徑100mm，厚度10mm的圓盤，中間設(shè)計(jì)了一個(gè)直徑20mm的圓槽作為連接刀架的部位。刀柄長(zhǎng)度為81mm，寬度為10mm，厚度為8mm，成45度角與刀盤連接。刀柄上挖出一個(gè)深度為1mm的凹槽作為放置刀片的位置。刀柄上打出三個(gè)圓孔，打上螺紋線，通過螺栓將刀柄和刀把進(jìn)行固定。刀片長(zhǎng)度60mm，寬度為9.5mm，厚度為1mm。以下圖1.3（a～e）是我所設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器的建模圖。（a）（b）（c）（d）（e）圖1.3農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器的建模圖1.1.4刀具的設(shè)計(jì)思路及選材（a）刀具選材思路：此設(shè)計(jì)中刀盤、刀柄選用合金鋼考慮到合金鋼有較強(qiáng)的強(qiáng)度和韌性，不易變形、開裂，應(yīng)用范圍廣；刀片選用65Mn主要考慮到65Mn有較強(qiáng)的耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性，作為刀片比較合適[20]。（b）選擇用刀柄連接刀片的思路：此設(shè)計(jì)中選擇使用刀柄連接刀片主要考慮到成本問題，將刀盤直徑減小，延伸出刀柄，所需材料遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于使用完整刀盤，可以大大較少成本；同時(shí)也能減輕重量，降低馬達(dá)要求及耗電量。（c）選用長(zhǎng)刀片的思路：此設(shè)計(jì)中使用較長(zhǎng)的刀片主要是為了增加切割面積，減少漏割率。（d）選用四個(gè)刀片的思路：此設(shè)計(jì)選擇四個(gè)刀片主要考慮到刀片數(shù)量的增多有利于減少漏割率，四個(gè)刀片也有利于刀具切割時(shí)的平衡；但刀具過多對(duì)減少漏割率效果有限，同時(shí)也浪費(fèi)材料，因此我選擇了使用四個(gè)刀片。（e）刀片和刀柄選擇與刀盤成45度角的思路：與此設(shè)計(jì)中刀柄和刀片選擇與刀盤成45度角的原因主要考慮到以下四點(diǎn)：首先考慮到切割效率問題，在研讀文獻(xiàn)中有文章對(duì)不同角度刀具切割枝條進(jìn)行仿真分析，結(jié)果顯示45度角切割枝條效率最高[21]，因此我做的切割雜草原理相同，也選擇刀柄和刀片與刀盤成45度角進(jìn)行切割；其次是考慮到成45度角切割時(shí)相比平行切割時(shí)切掉的雜草更多，所剩余的雜草更少，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)更有利；再者考慮到切割雜草時(shí)刀片難免沾有雜草的汁液等，刀柄和刀片與刀盤成45度角不易殘留汁液，有利于刀片的保養(yǎng)，增加刀片的使用壽命；最后還考慮到的是安全問題，成45度角讓使用者在使用后清潔時(shí)更加安全，不會(huì)一不小心刀頭刀背沒分清導(dǎo)致割傷。（f）使用可拆卸刀片的思路：此設(shè)計(jì)選擇