第一章緒論1.1課題研究背景及意義農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要支柱。近年來,隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)﹑精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)及高新技術(shù)的發(fā)展,特別是土地流轉(zhuǎn)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模化﹑集約化的加劇以及人工作業(yè)成本的不斷增加,農(nóng)業(yè)機(jī)器人成為替代繁重體力勞動(dòng)、改善生產(chǎn)條件﹑提高收獲生產(chǎn)效率﹑轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、降低生產(chǎn)成本和損耗、增強(qiáng)綜合生產(chǎn)能力的關(guān)鍵裝備,也是國際農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)之一。[1]在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中，雜草十分影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。雜草通過與農(nóng)作物競(jìng)爭(zhēng)陽光、水分和營養(yǎng)等，嚴(yán)重影響作物的質(zhì)量和產(chǎn)量。全世界雜草大約有3000多種，其中1800多種能夠影響作物的收成[2]。我國的田園雜草有1454種，嚴(yán)重危害的有130多種，其中惡性雜草37種，區(qū)域性惡性雜草96種。據(jù)2016年中國農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國的草害的面積發(fā)生面積高達(dá)97226ｋｈｍ２，造成糧食、棉花、油料以及其他的損失分別達(dá)到331萬ｔ、5.7萬ｔ和20.1萬ｔ、158萬ｔ[3]。因此，雜草是影響作物豐收的主要制約因素。同時(shí)雜草能夠助長(zhǎng)病蟲害的發(fā)生，加劇病蟲災(zāi)害，甚至有些雜草能夠影響人、畜和家禽的安全，因此除草是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的除草方式主要有手工除草和噴施除草劑兩種，但都有其各自的局限性。人工除草人工成本高，費(fèi)力傷神還容易造成遺漏，有研究證明，人工除草常會(huì)產(chǎn)生35%的遺漏[4]；噴施除草劑在抑制雜草生長(zhǎng)的同時(shí)也一定程度上影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，還容易造成環(huán)境污染，對(duì)農(nóng)作物的食品安全也有一定影響，而雜草的抗藥性也隨農(nóng)藥的噴涂越來越強(qiáng)，農(nóng)藥的效果越來越差。傳統(tǒng)的除草方式已經(jīng)不能滿足農(nóng)業(yè)的發(fā)展需求，農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生[5-6]。農(nóng)業(yè)機(jī)器人有以下四個(gè)特點(diǎn)[7-9]：（1）作業(yè)的季節(jié)性：由于農(nóng)業(yè)機(jī)器人大都針對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)某一環(huán)節(jié)，功能較為單一，因此農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用具有較強(qiáng)的季節(jié)性，利用率較低，從而增加了農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用成本。（2）作業(yè)環(huán)境復(fù)雜性：由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境多變且無法預(yù)知，農(nóng)業(yè)機(jī)器人無法同工業(yè)機(jī)器人一樣具有比較固定的作業(yè)環(huán)境。因此，農(nóng)業(yè)機(jī)器人需具有適應(yīng)不同環(huán)境的能力，并且能夠在不同環(huán)境中智能化完成任務(wù)。（3）作業(yè)對(duì)象的嬌嫩性和復(fù)雜性：由于農(nóng)作物的嬌嫩性與復(fù)雜性，農(nóng)業(yè)機(jī)器人在完成任務(wù)時(shí)，必須能適應(yīng)形狀復(fù)雜、大小迥異的農(nóng)作物變化情況，并且需進(jìn)行柔性處理（4）使用對(duì)象的特殊性：農(nóng)業(yè)機(jī)器人的使用對(duì)象是農(nóng)民。一方面，農(nóng)民并不具備較高的機(jī)械電子知識(shí)水平，農(nóng)業(yè)機(jī)器人必須操作簡(jiǎn)單、可靠；另一方面，由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)總體利潤不高，農(nóng)業(yè)機(jī)器人的價(jià)格不能超出一般農(nóng)民的承受能力。農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人能夠大大節(jié)省勞動(dòng)力，犯錯(cuò)率低；精準(zhǔn)噴涂除草劑能夠使其節(jié)省除草劑用量，減少對(duì)環(huán)境及對(duì)農(nóng)作物的損害，也能使農(nóng)作物的食品安全得到保障。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述1.2.1國外發(fā)展與研究現(xiàn)狀澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)研制了一臺(tái)名為AgBotＩＩ的智能除草機(jī)器人[10]如圖1.1所示。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)器人平臺(tái)和除草模塊組成。除草模塊分為機(jī)械除草和噴霧除草模塊，它是可拆卸和可互換的。AgBotＩＩ采用電力驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電力不足時(shí)，能自動(dòng)到附近太陽能充電站充電。AgBotＩＩ有自己的可快速部署的雜草分類系統(tǒng)，能夠在沒有先前的雜草物種信息時(shí)進(jìn)行識(shí)別，且具有植物物種特異性處理系統(tǒng)，能夠根據(jù)雜草種類有選擇性地應(yīng)用機(jī)械或是化學(xué)控制方法。圖1.1AgBotＩＩ除草機(jī)器人圖1.2Adigo智能除草機(jī)器人挪威科技大學(xué)的Utstumo等人研制了一臺(tái)基于機(jī)器視覺的定靶噴藥的智能除草機(jī)器人Adigo[11]如圖1.２所示。該機(jī)器人采用三輪驅(qū)動(dòng)，主要是針對(duì)行種胡蘿卜的精準(zhǔn)除草。它的雜草控制采用按需滴注的方法，將除草劑控制在單個(gè)液滴，其設(shè)有２８?jìng)€(gè)噴嘴，噴嘴之間的橫向間距為6ｍｍ，分辨率為0.8/ｓ，操作寬度為168ｍｍ。試驗(yàn)表明，按需滴注法與普通噴灑法相比，可以節(jié)省除草劑73％～95％，不僅節(jié)約了大筆成本，還保護(hù)了環(huán)境，這也是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要研究領(lǐng)域。德國Deepfieldrobotics公司研發(fā)了一款具有學(xué)習(xí)機(jī)制的Bonirob除草機(jī)器人[12]如圖1.3所示。研究人員向Bonirob分別展示大量標(biāo)記為“good”的健康植物的葉子圖片和標(biāo)記為“bad”的雜草圖片，Bonirob會(huì)將信息存儲(chǔ)在它的信息庫中，工作時(shí)根據(jù)葉子的顏色、形狀和大小來判斷植物的好壞并決定是否要留下或清除。不斷地重復(fù)同種植物的新圖像，Bonirob的判斷能力也會(huì)與日俱增。通過甜菜與雜草分類的試驗(yàn)表明，其分類系統(tǒng)通過基于關(guān)鍵點(diǎn)和基于對(duì)象的方法相結(jié)合，在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)提供準(zhǔn)確的分類結(jié)果。圖1.3Bonirob除草機(jī)器人圖1.4稻田除草機(jī)器人日本的研究人員Sori等人研制了一臺(tái)適用于稻田除草的機(jī)器人[13]如圖1.４所示。其配備電容式觸摸傳感器，用于水稻幼苗的檢測(cè)，當(dāng)傳感器接觸水稻幼苗時(shí)，傳感器電容改變，轉(zhuǎn)換成電壓值輸出。同時(shí)，裝置方向傳感器，它輸出機(jī)器人的方位角在0°～360°之間的運(yùn)動(dòng)方向。它的除草方式是機(jī)器人在跨越一排水稻幼苗的同時(shí)進(jìn)行雜草控制，利用攪拌土壤并將水?dāng)嚢杵饋硪苑乐龟柟獾竭_(dá)它們，從而通過阻礙光合作用來殺死雜草。除了上述幾種智能除草機(jī)器人，還有幾種除草機(jī)器人也較為出色：Oz除草機(jī)器人、Dino除草機(jī)器人、ecoRobotix太陽能除草機(jī)器人、Tertill智能除草機(jī)器人等。1.2.2國內(nèi)發(fā)展研究現(xiàn)狀與國外相比，國內(nèi)對(duì)于智能除草機(jī)器人的研究發(fā)展起步較晚，品種門類較少，競(jìng)爭(zhēng)力較差，整體技術(shù)水平也比較低。黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的郭占斌研制出一種彈齒式苗間中耕鋤草機(jī)[14]如圖1.5所示。該機(jī)器改善了中耕除草機(jī)在使用過程中對(duì)作物苗傷害嚴(yán)重，株間雜草鏟除效果不佳，及藥物除草對(duì)動(dòng)、植物的危害等問題，集鋤草、培土、深松于一體，傷苗率不超過，可應(yīng)用于大豆、小豆、玉米、甜菜、馬鈴薯等多種農(nóng)作物的定期鋤草。圖1.5彈齒式苗間中耕鋤草機(jī)圖1.6彈齒式苗間鋤草機(jī)劉天祥等人在該鋤草機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種新式的彈齒式苗間鋤草機(jī)[15]如圖1.6所示。該機(jī)器傷苗率不超過2%，而且適應(yīng)性較強(qiáng)，可對(duì)大豆、小豆、玉米、甜菜、馬鈴薯等農(nóng)作物進(jìn)行定期除草作業(yè)。此外，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)的馬永財(cái)?shù)热嗽O(shè)計(jì)了中耕苗間除草單體機(jī)構(gòu)如圖所示，通過田間試驗(yàn)驗(yàn)證了該機(jī)器工作性能良好，苗間雜草除凈率大于75%，傷苗率小于5%。黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院的魏兆凱等人設(shè)計(jì)了一種新型大豆苗間除草松土機(jī)[16]如圖1.7所示，可對(duì)大豆、蕓豆、土豆和玉米等中耕作物進(jìn)行間苗除草松土與苗前滅草，該機(jī)器除草率大于85%，作物損傷率小于3%。圖1.7大豆苗間除草松土機(jī)圖1.8水平圓盤式苗間除草裝置東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的韓豹與吉林大學(xué)的吳文福等人設(shè)計(jì)了一種水平圓盤式苗間除草裝置[17]如圖1.8所示。該機(jī)器改善了機(jī)械除草過程中除草率低、傷苗嚴(yán)重，且作物株間以及秧苗附近的雜草難以產(chǎn)除等問題，當(dāng)苗帶被近似菱形的齒跡梳理后，有以上的雜草被鋤草齒鋤掉并拋至壟側(cè)曬枯或被掩埋。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，苗間除草率大于78%，傷苗率低于5%,能夠滿足大田作物苗間機(jī)械松土和除草的農(nóng)藝要求。韓豹等人還設(shè)計(jì)了一種適合玉米和大豆作物株間作業(yè)的組合梳齒式除草機(jī)構(gòu)，此外，東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的秦麗元等人發(fā)明了一種中耕除草松土機(jī)；江蘇大學(xué)的陳樹人等人設(shè)計(jì)了一種適合作物株間作業(yè)的八爪式機(jī)械除草裝置；江蘇大學(xué)的劉繼展等人發(fā)明了一種激光除草機(jī)器人；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)的胡煉、羅錫文等人設(shè)計(jì)了一種基于爪齒余擺運(yùn)動(dòng)的株間機(jī)械除草裝置和一種橫擺式株間除草裝置；化南農(nóng)業(yè)大學(xué)的齊龍等人設(shè)計(jì)復(fù)合式水田除草器；張濱等人研制了一種水田除草機(jī)器人；南京林業(yè)大學(xué)的陳勇等人研制了一種適應(yīng)于行播農(nóng)田的除草機(jī)器人和一種高效智能除草機(jī)器人；北京林業(yè)大學(xué)的吳健等人設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)可視除草機(jī)器人；東北農(nóng)業(yè)大學(xué)的王金武等人設(shè)計(jì)了一種適用于水稻田的苗間除草裝置；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張春龍、李偉等人設(shè)計(jì)了一種智能鋤草機(jī)器人。我國國內(nèi)雖然對(duì)于智能除草機(jī)器人的研究發(fā)展起步較晚，品種門類較少，競(jìng)爭(zhēng)力較差，整體技術(shù)水平也比較低，但正快步追趕世界強(qiáng)國，推陳出新，不斷有自己的一些新創(chuàng)新，終會(huì)趕超他們。1.3課題來源本課題來源于江蘇省先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（JAR202003）以及福建省科技計(jì)劃引導(dǎo)性項(xiàng)目（2020Y0014）。1.4論文研究?jī)?nèi)容末端執(zhí)行器是農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的關(guān)鍵部件，直接影響著農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的工作效率。本文是在查閱大量國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，分析當(dāng)前現(xiàn)有國內(nèi)外農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)，并對(duì)當(dāng)前國內(nèi)較先進(jìn)的農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人調(diào)研，以理論分析結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究的方法對(duì)農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的重要組成部分——刀具部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)和研究。本文采用理論分析設(shè)計(jì)、SolidWorks建模、SolidWorks運(yùn)動(dòng)仿真分析、SolidWorks有限元分析的研究方法，對(duì)以下內(nèi)容展開了研究：在調(diào)研和理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人的刀具進(jìn)行了選擇，其中包括：材料的選擇、轉(zhuǎn)速的選擇、行進(jìn)速度的選擇、刀盤直徑的選擇等。參考前輩設(shè)計(jì)的刀具對(duì)刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)以及自我創(chuàng)新，并使用SolidWorks對(duì)設(shè)計(jì)的刀具進(jìn)行建模。使用SolidWorks對(duì)已建立模型的刀具進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡分析，得出其刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖。使用SolidWorks對(duì)已建立模型的刀具定義材料屬性，得到質(zhì)量分析圖；對(duì)已建立模型的刀具進(jìn)行有限元分析中的靜應(yīng)力分析，得出其應(yīng)力云圖及位移云圖。第二章農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)2.1刀具選擇研究與分析2.1.1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2.1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2.1往復(fù)式切割器2.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2.2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2.2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)。2.1.2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。2.1.3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2.3（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2.3農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器的建模圖2.1.4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)選擇刀柄與刀片通過螺栓連接主要考慮到刀片是旋轉(zhuǎn)切割過程中較容易損壞的部位，出現(xiàn)缺口時(shí)經(jīng)常需要更換，我選擇通過螺栓連接使刀片變成可拆卸的部分，刀片出現(xiàn)損壞時(shí)可以直接更換單個(gè)刀片而非整個(gè)刀具進(jìn)行更換，大大節(jié)約了維護(hù)成本。2.2本章小結(jié)本章通過研究各部件的改進(jìn)方向，對(duì)比分析后逐個(gè)設(shè)計(jì)并確定出各部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最終再將各部件組合的形式，完成了農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)以及三維圖形的建立，并解釋了我的設(shè)計(jì)思路及選材。第三章農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)仿真分析3.1Solidworks軟件介紹SolidWorks軟件是由美國SolidWorks公司推出的一款具有十分強(qiáng)大的功能的三維建模設(shè)計(jì)軟件，自1995年它的初代軟件推出以來，由于其性能穩(wěn)定且強(qiáng)大，上手簡(jiǎn)單，極具創(chuàng)新性，大大提高了機(jī)械學(xué)習(xí)者的工作效率，成為機(jī)械行業(yè)不可或缺的一款軟件，在同類軟件中處于頂端位置，成為了三維建模設(shè)計(jì)軟件的標(biāo)桿。該軟件還配備了豐富的VBA接口，也可以滿足一部分的編程需求[22-23]。3.1.1運(yùn)動(dòng)分析所需功能及插件SolidWorks軟件具有極為豐富的功能，是一個(gè)綜合性軟件，具有許多功能各異的模塊，每一個(gè)模塊都有著各自獨(dú)立的功能，能夠滿足各方面的需求。使用者可以根據(jù)自身需要任意調(diào)用其中的一個(gè)?？臁１敬芜\(yùn)動(dòng)分析時(shí)主要用到的模塊為：草圖繪制模塊、零件設(shè)計(jì)模塊、裝配模塊、運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊。(1)草圖繪制模塊草圖繪制就是利用各種曲線繪制出符合需要的二維圖形[24]。(2)零件設(shè)計(jì)模塊零件模塊用于創(chuàng)建和編輯三維模型，就是將利用草圖模塊繪制完成的二維圖經(jīng)過拉伸、切除、旋轉(zhuǎn)、倒角、鏡像等處理，得到一個(gè)三維零件圖[25]。(3)裝配模塊裝配就是將各個(gè)設(shè)計(jì)出的零件通過確定各個(gè)零件的相對(duì)位置以及各個(gè)零件之間所需的配合來形成一個(gè)大的裝配體，裝配模塊為零件之間的定位提供了便捷的方法，可以很簡(jiǎn)單地確定各個(gè)零件之間的位置關(guān)系[26]。(4)運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊及SolidWorksMotion運(yùn)動(dòng)分析插件SolidWorks中的Motion插件可以對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)做機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，裝配體建成后需要對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，在SolidWorksMotion中，所有零件都可以視為剛體，即在運(yùn)動(dòng)分析過程中，這些零件都不會(huì)發(fā)生變形，于是可以利用SolidWorks的運(yùn)動(dòng)算例功能對(duì)其進(jìn)分析，選擇其中的Motion分析插件，拖動(dòng)裝配體鍵碼，添加馬達(dá)、轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終的到速度加速度圖，并由此進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化[27-30]。(5)強(qiáng)度校核模塊及SolidWorksSimulation有限元分析插件SolidWorksSimulation是基于有限元技術(shù)的強(qiáng)度分析軟件，易學(xué)易用、簡(jiǎn)潔直觀，可以很好地對(duì)裝配體進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、屈曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等，可以根據(jù)計(jì)算后的校核云圖得到裝配體中最容易出現(xiàn)失效的部位，以便對(duì)此部位進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，可以分為以下幾個(gè)關(guān)鍵步驟：三維模型的簡(jiǎn)化、參數(shù)的設(shè)置、模型的離散化、算例運(yùn)算求解以及結(jié)果分析，但實(shí)驗(yàn)總會(huì)存在誤差，Simulation也不例外，這些關(guān)鍵步驟每一步都會(huì)或多或少地引起誤差，這些誤差會(huì)不斷累積，從而對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一些影響[31-32]。3.1.2solidworks運(yùn)動(dòng)分析本設(shè)計(jì)運(yùn)用SolidWorks對(duì)三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可以分為設(shè)置各零件之間配合、設(shè)置仿真條件（機(jī)構(gòu)所受力、速度等）、求解機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到速度、加速度圖像。（1）設(shè)置配合配合是指各個(gè)零件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，配合完成后，當(dāng)拖動(dòng)整體機(jī)構(gòu)中的一個(gè)零件時(shí)，其余零件會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，形成一個(gè)相互關(guān)聯(lián)的運(yùn)動(dòng)。（2）設(shè)置仿真條件仿真條件就是對(duì)機(jī)構(gòu)添加一些必要的受力，對(duì)于本次設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器，刀具上需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，并給他一個(gè)線性馬達(dá)，使他能夠正常模擬運(yùn)動(dòng)還有就是設(shè)置機(jī)構(gòu)的材料屬性。（3）求解運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)運(yùn)動(dòng)算例進(jìn)行求解，得到刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡的分析圖像。3.2刀具行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的確定本次刀具行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速的確定我采用的方法是：先通過所研究的文獻(xiàn)分別了解刀具行進(jìn)速度及轉(zhuǎn)速正常的取值范圍，在正常范圍內(nèi)取值后,再通過機(jī)具前進(jìn)速度與不漏割條件公式進(jìn)行驗(yàn)證所取行進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速是否合理。我所選擇的刀具前進(jìn)速度為1000（mm/s）；轉(zhuǎn)速n=2000（rpm/s）機(jī)具前進(jìn)速度與不漏割條件的公式為：Vj=(mhVg)/πD，也可以寫作：Vg/Vj≥πD/mh其中Vg：刀尖速度；Vj：前進(jìn)速度；m:刀片數(shù)；h：時(shí)間；其中Vg=nπD則Vj=mhn轉(zhuǎn)速n=2000（rpm/s）；直徑D=265mm；刀片數(shù)m為4個(gè)；時(shí)間為1s則當(dāng)Vjmax≤mhn=8000（mm/s）時(shí)不漏割我取的刀具前進(jìn)速度為1000（mm/s）符合條件3.3刀尖的運(yùn)動(dòng)軌跡分析刀具的運(yùn)動(dòng)分析：將刀具及其連桿采用SolidWorkMotion分析，通過求解后得到刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3.1所示。刀具及其連桿的運(yùn)動(dòng)分析：將刀具及其連桿采用SolidWorkMotion分析，通過求解后得到刀具運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3.1所示。圖3.1圖3.2線性速度圖圖3.3線性位移圖求解后得到的線性速度和相對(duì)起始圓心的線性位移如圖3.2、圖3.3所示。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，可以得到其運(yùn)動(dòng)軌跡，線性速度和線性位移的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。由圖3.1可知刀具運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，符合工作需要。由圖3.2中的線性速度曲線可知，0s-0.01s區(qū)間速度變化較大，0.01s-0.9s區(qū)間速度較穩(wěn)定，符合刀具的運(yùn)動(dòng)特性。由圖3.2中的線性位移曲線可知，曲線成波浪型逐漸增大，符合運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。綜上所述，本機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能良好，符合工作要求。3.4本章小結(jié)本章運(yùn)用SolidWorksMotion對(duì)刀具及其連桿進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真分析,了解了刀具的大概運(yùn)動(dòng)軌跡以及得到了刀具運(yùn)動(dòng)的線性速度及線性位移圖像。結(jié)果表明，本次設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)過程合理，滿足運(yùn)動(dòng)要求。第四章運(yùn)用Simulation有限元分析進(jìn)行強(qiáng)度校核4.1Simulation有限元分析本次強(qiáng)度校核用到的是SolidWorks中的Simulation有限元分析插件?；赟olidWorks的Simulation有限元分析插件：SolidWorks中的Simulation插件可以很好地對(duì)裝配體進(jìn)行強(qiáng)度校核，可以根據(jù)計(jì)算后的校核云圖得到裝配體中最容易出現(xiàn)失效的部位，以便對(duì)此部位進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化，主要環(huán)節(jié)有：三維模型的簡(jiǎn)化、參數(shù)的設(shè)置、模型的離散化、算例運(yùn)算求解以及結(jié)果分析[33-34]。運(yùn)用SolidWorks中Simulation有限元分析進(jìn)行機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析可得校核云圖，需合理設(shè)置材料屬性來保證機(jī)構(gòu)強(qiáng)度和控制機(jī)構(gòu)重量，必要時(shí)可修改部分尺寸來獲得合理強(qiáng)度。4.2關(guān)鍵部件強(qiáng)度校核4.2.1定義材料屬性刀具在旋轉(zhuǎn)切割過程中會(huì)受到受到離心力的影響，選用的材料既要可以承受較大的沖擊力和擠壓力，也要保證能夠抵抗彎曲變形，因此刀盤、刀柄選用合金鋼比較合適，合金鋼可以承受較大的沖擊力和擠壓力，不易變形、開裂，應(yīng)用范圍廣。刀具在旋轉(zhuǎn)切割過程中，刀片會(huì)受到雜草的作用力引起道具的磨損，所以刀具的材料應(yīng)該保證耐磨、耐沖擊，我認(rèn)為65Mn較為合適，65Mn既有較強(qiáng)的強(qiáng)度和韌性，也有較強(qiáng)的耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿性。由此得到質(zhì)量評(píng)估圖如4.1：圖4.1質(zhì)量評(píng)估圖4.2.2靜應(yīng)力分析使用SolidWorkSimulation分析步驟如下：1.設(shè)置好零部件接觸；2.設(shè)置好應(yīng)用材料；3.進(jìn)行夾具設(shè)置，設(shè)置圓盤中心為固定幾何體；4.因?yàn)榈毒咝D(zhuǎn)時(shí)為刀尖受力，故給予刀尖一均布載荷（共50N）；5.對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)網(wǎng)格化；6.運(yùn)行靜應(yīng)力分析算例。運(yùn)用SolidWorkSimulation分析求解結(jié)果如圖4.2，圖4.3。圖4.2應(yīng)力云圖圖4.3位移云圖從上述有限元分析圖4.2中，我們得到了刀具中會(huì)受到的最大應(yīng)力值為4.205×106Pa，受到最大應(yīng)力的部位是刀柄根部。我刀柄選用的材料是合金鋼，可以從軟件上顯示的數(shù)值查到這種材料的屈服強(qiáng)度為6.204×108Pa，假定安全系數(shù)為2.5，那么根據(jù)安全系數(shù)計(jì)算公式：=2.48×108Pa從公式中可以得到許用應(yīng)力為2.48×108Pa，最大應(yīng)力值4.205×106Pa遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力2.48×108Pa，故表明刀具還有很大受力的空間，從而表明該材料使用合理。材料屈服強(qiáng)度圖為下圖4.4：圖4.4材料屈服強(qiáng)度圖（b）從上述有限元分析圖4.3中，我們得到了刀具中的最大形變量為1.098×10-2mm，最大變形量的部位為刀尖處。4.3本章小結(jié)本章利用SolidWorksSimulation插件對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果表示強(qiáng)度足夠。因此，本設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器是合理的，滿足工作要求。總結(jié)與展望總結(jié)在本次設(shè)計(jì)過程中，運(yùn)用SolidWorks軟件對(duì)刀具進(jìn)行建模，并且利用軟件內(nèi)置的Motion分析和Simulation有限元分析插件對(duì)刀具進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析和靜應(yīng)力分析?，F(xiàn)將本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容介紹如下：1.通過了解農(nóng)業(yè)機(jī)器人的基本工作原理以及刀具設(shè)計(jì)的一些基本的要求，結(jié)合導(dǎo)師要求的條件，確定了農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用SolidWorks三維建模軟件進(jìn)行建模，并且通過計(jì)算確定了刀具的轉(zhuǎn)速與行進(jìn)速度，得到了較為理想的一個(gè)可以工作的刀具方案。2.運(yùn)用SolidWorks中的Motion分析對(duì)已經(jīng)繪制好的三維模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到刀具的刀尖運(yùn)動(dòng)軌跡圖，保證刀具符合設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)要求。3.利用SolidWorks中的Simulation插件對(duì)刀具的三維模型進(jìn)行靜應(yīng)力分析，根據(jù)刀具受力云圖的情況對(duì)各個(gè)部件的材料、尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，使之符合最初的設(shè)計(jì)要求。4.至此，基本的工作已經(jīng)完成，在確保滿足各項(xiàng)力學(xué)性能以及使用要求的情況下也適當(dāng)考慮經(jīng)濟(jì)性原則和工藝性原則對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)末端執(zhí)行器進(jìn)行最后的優(yōu)化。展望由于時(shí)間和能力水平有限，課題的研究在一些方面還存在不足，以后的研究可以圍繞以下幾個(gè)方面開展。（１）本文刀具在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)刀具進(jìn)行了一些自己的設(shè)計(jì)與完善，但考慮的方面較為單一。本人認(rèn)為在重割率、漏割率等方面，可以通過交叉對(duì)比或其他方式對(duì)刀具進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計(jì)、研究和論證。（２）通過軟件的模擬，對(duì)刀具切割雜草時(shí)的碰撞過程進(jìn)行合理的分析，更加準(zhǔn)確的測(cè)量刀片與雜草碰撞切割過程中刀片的受力。（３）通過進(jìn)一步的研究，預(yù)測(cè)在修剪不同品種的雜草時(shí)，刀片的工作時(shí)間壽命。參考文獻(xiàn)[1]ZhaoJingjuan,YangYanping,ZhengHuaiguo,DongYu.GlobalAgriculturalRoboticsResearchandDevelopment:TrendForecasts[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2020,1693(1).[2]張文莉,陳樹人,褚德宏.除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J].農(nóng)業(yè)裝備技術(shù),2015(2):6-10.[3]中華人民共和國農(nóng)業(yè)部．中國農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)資料(2016)[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2017.[4]SlaughterDc，GilesDK，DowneyD.Autonormousroboticweedcontrolsysterms:areview[J].Cormputers&ElectronicsinAgriculture，2008,61(1):63-78.[5]蘭天,李端玲,張忠海,于功敬,金勛俊.智能農(nóng)業(yè)除草機(jī)器人研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)分析[J/OL]計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制:1-7[2021-05-05]./kcms/detail/11.4762.TP.20210301.0933.026.html.[6]孫君亮,閆銀發(fā),李法德,董巖,郭家樂,宋占華.智能除草機(jī)器人的研究進(jìn)展與分析[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2019,40(11):73-80.[7]趙勻.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展及存在的問題.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（1）：1-4.[8]方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn).農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：273-275.[9]田素博.國內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展.農(nóng)業(yè)機(jī)械化與電氣化，2007（2）：3-5.[10]HallD.DayoubF,KulkJ,etal.Towardsunsupervisedweedscoutingforagriculturalrobotics[C]//IEEEInternationalConferenceonRobotics&Autornation.IEEE,2017.[11]UtstumoT，UrdalF，BrevikA，etal.Roboticin—rowweedcontrolinvegetables[J].ComputersandElectronicsinAgri-culture，2018，154:36-45.[12]LottesP，H?rferlinM，Sanders.etal.Effectivevision—basedclassificationforseparatingsugarbeetsandweedsforprecisionfarrning[J].JournalofFieldRobotics，2017，34(6):1160-1178.[13]SoriH，InoueH，HattaH，etal.Effectforapaddyweedingrobotinwetriceculture[J].JournalofRoboticsandMecha-tronics，2018,30(2):198-205.[14]汪春,張錫志,衣淑娟,等.水稻育秧氣吸式播種機(jī)的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2006(04):103-105.[15]劉天祥,張穎,韓霞,等.彈齒式苗間鋤草機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2010,32(002):107-109.[16]魏兆凱,張修春.大豆苗間除草松土機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究,2009,31(006):83-86.[17]韓豹,吳文福,申建英.水平圓盤式苗間除草裝置試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)化試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2010(02):142-146.[18]桑中天.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)[M]﹑北京:機(jī)械工業(yè)出版社