目錄TOC\o"1-3"\h\u14453摘要 果園小型除草機(jī)器人設(shè)計(jì)摘要：為了提高果園除草管理的效率，減輕農(nóng)民的果園勞動(dòng)強(qiáng)度，本文通過研究國內(nèi)外現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的除草方式效率較低，而且速度慢，所以優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種小型除草機(jī)器人。果園小型除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)左右是對(duì)稱的,特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,彎曲性能好有很強(qiáng)的適應(yīng)性。基于機(jī)械設(shè)計(jì)及相關(guān)理論的研究,設(shè)計(jì)了除草機(jī)傳動(dòng)部分凸輪的設(shè)計(jì)，推桿端面齒輪和撥桿設(shè)計(jì)；最后，完成零部件的選擇和裝配過程。小型除草機(jī)器人不僅可以短時(shí)間內(nèi)完成大量除草工作，提高果園的管理效率，還可以降低長期勞動(dòng)力成本。同時(shí)也促進(jìn)新農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，這是一種有前景的技術(shù)，也為其他機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。關(guān)鍵詞：除草機(jī)器人；優(yōu)化設(shè)計(jì)；刀具；齒輪OrchardsmallweedingrobotdesignAbstract：Inordertoimprovetheefficiencyoforchardweedingmanagementandreducethelaborintensityoffarmers,thispaperstudiesthecurrentsituationathomeandabroadandfindsthatthetraditionalweedingmethodhaslowefficiencyandslowspeed,soasmallweedingrobotisoptimized.Thedesignofsmallorchardweedingrobotissymmetrical,characterizedbysimplestructure,goodbendingperformanceandstrongadaptability.Basedontheresearchofmechanicaldesignandrelatedtheories,thedesignofthedriveCAM,theendgearofthepushrodandtheshiftrodaredesigned.Finally,thepartsselectionandassemblyprocessarecompleted.Smallweedingrobotscannotonlycompletealargenumberofweedingworkinashorttime,improvethemanagementefficiencyoforchards,butalsoreducelong-termlaborcosts.Atthesametime,italsopromotesthesustainabledevelopmentofnewagriculture,whichisapromisingtechnology,andalsoprovidesanempiricalandtheoreticalbasisforotherrobotdesigns.Keywords：Weedingrobot;optimizationdesign;cutter;cogwheel緒論課題研究背景及意義果園種植作為農(nóng)業(yè)鏈的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，涵蓋耕地平整、苗木培育與栽植、精準(zhǔn)的水分養(yǎng)分管理、定期的雜草修剪和病蟲害控制、適時(shí)的收獲與物流、以及后續(xù)的加工和市場銷售等規(guī)范化流程。在適合果樹生長的理想條件下，茂盛的雜草競爭激烈，它們搶奪果樹所需的水分、陽光和營養(yǎng)土壤，甚至可能引發(fā)病蟲害問題，嚴(yán)重制約了果樹的產(chǎn)量和品質(zhì)提升[1]。采用果園小型除草機(jī)器人的目的是為了防止上述情況的發(fā)生，及時(shí)通過控制或者清除雜草生長對(duì)增加產(chǎn)量，保證質(zhì)量，提高農(nóng)民收入、提高除草效率，減少勞動(dòng)力的使用。傳統(tǒng)手工除草方法主要依賴人力，盡管除草徹底，但勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下。隨著農(nóng)村勞動(dòng)力的減少，這種模式已難以滿足現(xiàn)代工作效率需求，顯得日益過時(shí)[2]。果園小型除草機(jī)器人設(shè)計(jì)的主要目的是為了提高果園管理的效率，減輕農(nóng)民的勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)實(shí)現(xiàn)除草的精準(zhǔn)化和智能化，可以提高效率。隨著人口老齡化和勞動(dòng)力成本的上升，使用機(jī)器人可以減少對(duì)人工的依賴，降低長期勞動(dòng)力成本?？梢跃珳?zhǔn)除草。機(jī)器人可以通過圖像識(shí)別技術(shù)和傳感器精確識(shí)別雜草，并對(duì)其實(shí)施定點(diǎn)清除，減少對(duì)有益植物和土壤的損害?？梢詼p少化學(xué)藥品使用。創(chuàng)新策略的引入有望顯著提升化學(xué)藥物的利用率，并有效降低其可能產(chǎn)生的不良反應(yīng)。傳統(tǒng)的農(nóng)作物管理手段常常依賴化學(xué)除草劑，然而這種做法往往對(duì)生態(tài)環(huán)境構(gòu)成潛在威脅，且可能對(duì)作物的品質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。小型除草機(jī)器人有助于減少化學(xué)藥品的使用，推動(dòng)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。我們有必要設(shè)計(jì)一款除草機(jī)器人來分擔(dān)壓力，當(dāng)前，自動(dòng)化技術(shù)日新月異，不僅全天候無間斷地取代或增強(qiáng)人工執(zhí)行任務(wù)，成功緩解了勞動(dòng)力短缺，節(jié)省了人力資源開支，而且還顯著減少了對(duì)化學(xué)農(nóng)藥的過度依賴，從而大大提高食品安全標(biāo)準(zhǔn)。更為重要的是，它對(duì)于保持生態(tài)系統(tǒng)的平衡以及推動(dòng)其綠色、可持續(xù)的發(fā)展策略具有不可估量的積極影響。還能適應(yīng)多樣化非結(jié)構(gòu)地形和氣候條件，從而顯著提高雜草管理效率[3]。大大減輕人工的人力、財(cái)力、物力的損耗，提高工作效率，對(duì)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，提升農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度都有巨大的意義。除草機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著機(jī)械化進(jìn)程的加速，除草機(jī)器人尤其實(shí)現(xiàn)了顯著的自動(dòng)化和智能化提升。這些機(jī)器人配備了激光雷達(dá)、機(jī)器視覺及全球定位系統(tǒng)等多種感應(yīng)設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航并精確識(shí)別雜草于作業(yè)流程中。雖然國內(nèi)外都在積極研發(fā)，但當(dāng)前國際上的除草機(jī)器人技術(shù)走在前列，更為成熟[4]國外研究現(xiàn)狀在國外，現(xiàn)如今經(jīng)過多年的探索與研發(fā)，機(jī)械除草技術(shù)已不再是運(yùn)用簡單的農(nóng)業(yè)機(jī)械來清除田間雜草，而是把兩種或多種除草技術(shù)結(jié)合運(yùn)用起來，從而達(dá)到更加有效的除草方式。當(dāng)前，機(jī)械設(shè)計(jì)與自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)器視覺、液壓技術(shù)和傳感技術(shù)緊密結(jié)合，孕育出高效能的智能除草裝備。其智能操作與精準(zhǔn)性能顯著提升了農(nóng)田間雜草處理的效率。雖然智能除草機(jī)器人已在部分國家取得突破，但其大規(guī)模應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域仍需更多時(shí)間。在2013年，英國Garford公司推出了一款創(chuàng)新的RobocropInRowWeeder除草機(jī)[5-7]，其核心技術(shù)在于其配備的旋轉(zhuǎn)缺口圓盤鋤式除草刀。該機(jī)器的工作原理獨(dú)特且高效：首先，通過高清晰度攝像頭捕捉農(nóng)田圖像，接著運(yùn)用先進(jìn)的圖像處理算法精確區(qū)分行間和株間的雜草。這些信息進(jìn)一步被計(jì)算機(jī)系統(tǒng)解析，精確調(diào)控液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)除草刀按照預(yù)設(shè)的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)的株間除草，大大提升了農(nóng)田管理的自動(dòng)化水平。此除草機(jī)主要用于白菜、在芹菜等田野作物的管理中，已實(shí)現(xiàn)了高達(dá)98.5%的高效除草率。奧斯納布呂克大學(xué)與Werke公司聯(lián)手開展的一項(xiàng)創(chuàng)新項(xiàng)目中，他們研發(fā)出一款獨(dú)特的株間除草機(jī)[8]，其核心技術(shù)體現(xiàn)在一組以垂直軸為設(shè)計(jì)核心的均勻分布除草爪上。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，通過整合GPS全球定位系統(tǒng)精準(zhǔn)導(dǎo)航與先進(jìn)的機(jī)器視覺伺服系統(tǒng)，使得除草工作得以精確控制。系統(tǒng)引導(dǎo)機(jī)械沿著預(yù)設(shè)路徑行進(jìn)，同時(shí)，借助視覺技術(shù)監(jiān)控的除草爪能按照預(yù)設(shè)的外圓柱軌道規(guī)律性地伸縮，有效地進(jìn)行株間雜草清理，提升了作業(yè)效率和除草效果。Cordill、Grift以及他們的團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一款先進(jìn)的玉米行間除草機(jī)[9]，該設(shè)備巧妙地利用光傳感器接收并處理環(huán)境信息，通過智能算法實(shí)現(xiàn)對(duì)玉米秸稈的自動(dòng)識(shí)別，進(jìn)而精確地調(diào)控除草組件的動(dòng)作路徑，確保其能靈活地繞過玉米植株，實(shí)現(xiàn)了高效且精準(zhǔn)的工作性能。經(jīng)過試驗(yàn)：在理想的無雜草環(huán)境中，除草部件導(dǎo)致的幼苗損傷率為8.8%，而在雜草叢生的條件下，這一比例顯著上升至23.7%。國內(nèi)研究現(xiàn)狀在國內(nèi)，田間除草機(jī)器人是集環(huán)境信息感知、路徑規(guī)劃、目標(biāo)識(shí)別與動(dòng)作控制于一體的智能系統(tǒng)[10]。在中國，農(nóng)業(yè)主要依賴于人工耕作作為其發(fā)展模式，與此同時(shí)，智能農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)目前正處于一個(gè)試驗(yàn)性的探究階段。在2014年的研究中，丁文[11]在輪式移動(dòng)機(jī)器人的平臺(tái)上引入了雙目視覺系統(tǒng)，專注于室內(nèi)的導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。他特別針對(duì)圓形特征進(jìn)行了深入探究，通過對(duì)多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的細(xì)致分析和比對(duì)，優(yōu)化了圖像預(yù)處理步驟。最終，他成功研發(fā)出一種新穎且高效的室內(nèi)圓形特征檢測算法，這一成果具有重要意義。在2015年，戚樹騰等學(xué)者[12]利用Hough變換技術(shù)高效地從激光雷達(dá)設(shè)備獲取的果樹樹干位置數(shù)據(jù)中進(jìn)行了精確提取，從而成功實(shí)現(xiàn)了果樹行的導(dǎo)航線路識(shí)別。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一款果園自動(dòng)化機(jī)器人。0.14在以每秒m/s的速度行駛40米后，車輛的橫向偏離保持在極小的26厘米以內(nèi)。在2020年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的科研人員吳超[13]創(chuàng)新性地運(yùn)用了阿克曼轉(zhuǎn)彎模型，構(gòu)建了一種前進(jìn)-后退相結(jié)合的決策策略轉(zhuǎn)彎模型。他聚焦于30-45°這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)彎角度，進(jìn)行了深入的優(yōu)化研究。其研究成果通過模擬實(shí)驗(yàn)顯示出，這種尋優(yōu)算法能高效地探尋農(nóng)機(jī)在執(zhí)行轉(zhuǎn)彎任務(wù)時(shí)的最佳路徑，顯著提升了操作速度和效率。在國內(nèi)，眾多學(xué)者和專家，如張漫、劉陽、毛方東和張兆義等人[14-17]，對(duì)農(nóng)田和果園環(huán)境中的導(dǎo)航系統(tǒng)研發(fā)以及導(dǎo)航線路的高效擬合提取算法進(jìn)行了深入且廣泛的探討和研究。設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容本課題主要針已有除草機(jī)器人的情況下，分析現(xiàn)如今除草機(jī)器人的主要工作原理以及基礎(chǔ)刀具運(yùn)用等，針對(duì)部分果園無法使用大型除草機(jī)器的弊端，進(jìn)一步研制了果園小型除草機(jī)器人。主要研究內(nèi)容如下：1、已設(shè)定明確的果園小型除草機(jī)器人設(shè)計(jì)指標(biāo)：旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)各種地形（包括山地和平地）的高效適應(yīng)性，提升除草效率，并注重操作簡易性。2、分析其設(shè)計(jì)過程中可能遇到的各種問題以及解決方法，如增速機(jī)構(gòu)的選用由于可用于鏈、皮帶和齒輪傳動(dòng)。為了使除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊，可以使用齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)。3、各零部件的選擇及計(jì)算，選用合理的變速齒輪，齒輪端面，撥桿，剪刀等各部件的細(xì)化計(jì)算，進(jìn)行精確的計(jì)算選用合適的零部件。4、完成整個(gè)果園小型除草機(jī)器人的工程制圖和組裝。5、評(píng)估設(shè)計(jì)成效，制定改良措施，預(yù)測未來研究動(dòng)向。

除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理和參數(shù)主要工作原理這款專為果園設(shè)計(jì)的微型除草機(jī)，得益于輪式架構(gòu)的高效齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，能保證持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。該設(shè)計(jì)巧妙融合了變速齒輪、端面齒輪、操縱桿及剪切部件，通過協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)高效除草性能。端面齒輪通過自旋機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了軸向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化，從而驅(qū)動(dòng)傳力桿進(jìn)行水平的來回運(yùn)動(dòng)。因此，該工具具備自動(dòng)執(zhí)行周期任務(wù)的功能。鑒于扭矩限制，選擇合適的刀具對(duì)優(yōu)化除草機(jī)器人的性能至關(guān)重要。除草機(jī)器人主要依靠后輪驅(qū)動(dòng)的輪子和大尺寸齒輪軸設(shè)計(jì)，通過齒輪間的協(xié)同工作顯著提高工作效率。大齒輪通過傳動(dòng)作用驅(qū)動(dòng)小齒輪，繼而小齒輪推動(dòng)端面齒輪回旋，最終引發(fā)撥桿的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。最終，這個(gè)過程通過撥桿與端面齒輪的互動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖1清晰呈現(xiàn)。這種設(shè)計(jì)創(chuàng)新地結(jié)合了固定和可調(diào)節(jié)刀片，靈活切換以高效管理雜草。圖1機(jī)器的運(yùn)動(dòng)簡圖主要技術(shù)指標(biāo)和重要技術(shù)參數(shù)2.2.1該果園除草機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)參數(shù)外形尺寸：；輸入功率：；輪子轉(zhuǎn)速：；力矩：；凈質(zhì)量：；變速要求：單級(jí)刀具，一固定刀片和一活動(dòng)刀片相互運(yùn)動(dòng)。2.2.2該除草機(jī)器人的刀具設(shè)計(jì)參數(shù)表1刀具設(shè)計(jì)參數(shù)項(xiàng)目切割器的形式切割幅寬刀片間距刀片運(yùn)動(dòng)形式刀片往復(fù)頻率刀片形狀配套動(dòng)力操作人數(shù)凈重除草機(jī)器人往復(fù)切割240mm20mm單動(dòng)860r/min平形149.1W113r/min1人30kg除草方案的比較2.3.1常見幾種除草機(jī)器的除草原理（1）滾刀式除草機(jī)[15]。滾刀形狀類似圓筒形籠子，其表面嵌有螺旋狀的切割刀片。滾刀割草機(jī)的效能主要依賴于刀片的數(shù)量和轉(zhuǎn)速：理論上，刀片越多，連續(xù)切割能力越強(qiáng)，割草效率自然提高。刀片種類繁多，范圍從基礎(chǔ)的3片到高效能的12片，一應(yīng)俱全。滾刀轉(zhuǎn)速對(duì)割草精度和效率有直接的影響，一般來說，轉(zhuǎn)速越高，割草效率和效果越佳。滾刀型除草機(jī)定價(jià)相對(duì)較高，并且需要定期進(jìn)行保養(yǎng)和維修。（2）旋轉(zhuǎn)葉片式除草機(jī)(也稱為刀掛)[15]。這是一款專為高空葉片剪切設(shè)計(jì)的高效裝置，橫向安置于直葉片垂直軸上，其運(yùn)行速度極其迅速。其主體配備是特制的細(xì)長割草刀或刀片結(jié)構(gòu)，依賴高速旋轉(zhuǎn)的葉片與草本植物莖稈進(jìn)行接觸并實(shí)現(xiàn)切割。一種裝備，其特征為鐮刀形葉片，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)利用葉片表面誘發(fā)的真空現(xiàn)象，結(jié)合套管技術(shù)，巧妙地引導(dǎo)雜草進(jìn)入切割組件或直接通過排放口排出，這種創(chuàng)新的除草原理在全球范圍內(nèi)廣受贊譽(yù)。（3）甩刀式除草機(jī)[15]。設(shè)備的獨(dú)特之處在于其運(yùn)用的鉸鏈軸設(shè)計(jì)，軸線精確融入葉片平滑的外觀結(jié)構(gòu)中。憑借其高效的運(yùn)行機(jī)制，離心力精確同步葉片與軸線，確保一體化草莖切割任務(wù)的連續(xù)且高效執(zhí)行。刀片與刀軸設(shè)計(jì)中可能包含內(nèi)置鉸鏈或磁性元件，這些精密結(jié)構(gòu)使其對(duì)沖擊異常敏感，任何損壞都可能導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行受擾。（4）甩繩式除草機(jī)[15]。設(shè)備的核心組成部分包含耐用的尼龍繩和高效的割草部件。當(dāng)割草機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，外露的尼龍繩在離心力驅(qū)使下劃出一條精準(zhǔn)的直線軌跡，猶如動(dòng)態(tài)切割器，瞬間與草莖強(qiáng)力碰撞，高效完成對(duì)草葉的切削。2.3.2除草機(jī)器人的工作設(shè)計(jì)方案常見的幾種除草設(shè)備，可以對(duì)雜草清除功能有一定的體現(xiàn)，但是每個(gè)機(jī)器都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體分析如下：（1）用腳驅(qū)動(dòng)。當(dāng)以腳踏方式操作時(shí)，使用者需一邊驅(qū)動(dòng)機(jī)器，一邊坐在硬質(zhì)座椅上，這使得除草機(jī)的設(shè)計(jì)不僅要承載操作者的體重，還需集成方向控制功能，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大。這在果園的除草作業(yè)中造成不便，因此不適用于果園環(huán)境。（2）用手驅(qū)動(dòng)。用手驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以避免操作者用腳的問題，手動(dòng)操作時(shí)，可防止腳部誤操作，簡化機(jī)柜設(shè)計(jì)，提升操作靈活性。因此，我們的決策是研發(fā)手動(dòng)操作的除草機(jī)器人。（3）用割的方式。難以通過直接切割來切下柔韌雜草。（4）用剪的方式。交錯(cuò)切口的多刀法更奏效。通常，手動(dòng)操作是除草機(jī)的主要工作方式。機(jī)器能執(zhí)行基礎(chǔ)的旋轉(zhuǎn)和直線來回動(dòng)作，并可通過手動(dòng)操控實(shí)現(xiàn)雙向移動(dòng)功能。然而，由于大多數(shù)除草機(jī)器人需要手動(dòng)推行，操作流程相對(duì)復(fù)雜，缺乏直觀的簡易性。創(chuàng)建直觀易用的控制體系，讓操作員能輕松管理割草機(jī)器人，其獨(dú)特的滾輪設(shè)計(jì)能高效地轉(zhuǎn)換為往復(fù)運(yùn)動(dòng)模式，優(yōu)化了草坪修剪過程。手動(dòng)操作除草機(jī)器人在技術(shù)層面上無疑是合理且可執(zhí)行的。基于先前數(shù)據(jù)，可制定初步提議。根據(jù)前期研究，手動(dòng)式除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)僅需融入一種運(yùn)動(dòng)模式轉(zhuǎn)換（即旋轉(zhuǎn)并沿直線來回移動(dòng)）功能即可。最基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)向從直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)包含曲柄滑塊、直推桿盤形凸輪和齒輪齒條系統(tǒng)。關(guān)鍵問題及其解決辦法2.4.1增速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選擇在復(fù)雜的機(jī)械設(shè)備構(gòu)造中，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)猶如基石，起著至關(guān)重要的作用，它不僅承載著動(dòng)力傳輸?shù)闹厝?，還是實(shí)現(xiàn)速度變換與精細(xì)調(diào)控的關(guān)鍵組件。其迅猛的發(fā)展速度直接影響著剪切刀具的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)特性。鑒于當(dāng)前技術(shù)的迅猛發(fā)展，這款創(chuàng)新的除草機(jī)器人特別配備了高效能的圓柱凸輪傳動(dòng)系統(tǒng)，以滿足現(xiàn)代需求?；趫A盤的獨(dú)特幾何形狀優(yōu)勢，我們構(gòu)建了一個(gè)創(chuàng)新裝置：撥桿的一端巧妙地融合到一個(gè)具備滑動(dòng)靈活性的滑塊中，特別強(qiáng)調(diào)了其具備精細(xì)的水平調(diào)節(jié)能力。這一設(shè)計(jì)的直觀工作示例詳盡地呈現(xiàn)在圖2中。圖2圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)2.4.2幾種增速方式的比較用組合法實(shí)現(xiàn)增速。設(shè)計(jì)旨在讓操作者以日常行走速度就能順暢操控機(jī)器，力量傳輸連續(xù)穩(wěn)定。由于依賴于固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換原理，除草裝置中的輪子與輸入組件間的動(dòng)作轉(zhuǎn)換可通過鏈傳動(dòng)、皮帶傳動(dòng)或齒輪系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)?？紤]采用齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)除草機(jī)器人體型緊湊且高效運(yùn)作。齒輪及齒輪以直齒、采用螺旋圓柱齒輪、錐齒輪以及蝸輪蝸桿等傳動(dòng)方式。這會(huì)提升除草機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，由于蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率不高，且圓錐齒輪傳動(dòng)軸線交叉問題的出現(xiàn)。在除草機(jī)器人不高、在負(fù)載輕的條件下，若齒輪軸平行，直齒圓柱齒輪由于其簡潔的支撐結(jié)構(gòu)，所以進(jìn)行選用。機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示例如下圖所示。（1）帶動(dòng)齒輪增速的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖3所示，該設(shè)計(jì)巧妙融合了曲柄滑塊和齒輪加速原理，專為除草機(jī)器人的剪切組件服務(wù)?；瑝K通過直線運(yùn)動(dòng)直接驅(qū)動(dòng)剪切刀片，而齒輪系統(tǒng)則提升剪切速度與力度，確保高效運(yùn)作。圖3帶動(dòng)齒輪增速的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（2)帶齒輪增速的直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)，如圖4所示，該機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)剪切刀具實(shí)現(xiàn)往復(fù)動(dòng)作，利用增速齒輪技術(shù)提升其切割速度與力度，從而優(yōu)化了除草的工作效率。凸輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于其確保了剪切動(dòng)作的平順與精準(zhǔn)，從而降低了機(jī)械磨損和損壞的風(fēng)險(xiǎn)。圖4帶齒輪增速的直動(dòng)推桿盤狀凸輪機(jī)構(gòu)（3)帶齒輪增速的齒輪齒條機(jī)構(gòu)，如圖5，電機(jī)或其他動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)的齒輪在齒輪齒條機(jī)構(gòu)中扮演核心角色，通過與其嚙合的齒條交互，實(shí)現(xiàn)了齒輪旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)向齒條直線運(yùn)動(dòng)的有效轉(zhuǎn)化。增速齒輪的主要功能是提升齒輪的轉(zhuǎn)速，從而間接加快齒條進(jìn)行的直線運(yùn)動(dòng)速度。圖5帶齒輪增速的齒輪齒條機(jī)構(gòu)鑒于初始設(shè)計(jì)中，因各類工具的剪切視角與除草機(jī)器人活動(dòng)路徑的不匹配，導(dǎo)致其未能充分滿足預(yù)設(shè)目標(biāo)，當(dāng)前迫切需要對(duì)這些構(gòu)造進(jìn)行深入的改良和精確的校準(zhǔn)，以確保其在實(shí)際運(yùn)用中的高效性和精準(zhǔn)性。圖6闡述了圓柱凸輪的工作原理，其目的是同步活塞桿和凸輪軸的運(yùn)動(dòng)。圖6圓柱凸輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)圖6圓柱凸輪機(jī)構(gòu)及端面凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可視為設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)制的除草機(jī)器人。機(jī)構(gòu)的功能及特點(diǎn)該機(jī)器裝備單一可更換刀片，結(jié)構(gòu)緊湊，小巧便攜，低噪音，操作簡便靈活；無引擎設(shè)計(jì)保證安全且維護(hù)簡易，耐用鋁制底盤不易生銹，無纏繞問題；前輪采用萬向設(shè)計(jì)，導(dǎo)航精準(zhǔn)；后輪配置長壽命球軸承，推動(dòng)輕松；包裝小巧，切割長度可調(diào)節(jié)適應(yīng)各種地形高度；獨(dú)特底盤設(shè)計(jì)防止草料堵塞；外觀優(yōu)美，符合家庭用戶審美，性價(jià)比高，性能出色且成本經(jīng)濟(jì)。

除草機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)3.1除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)原理總體方案設(shè)計(jì)如圖7所示，在這個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)想中，扭矩初始階段借助于高效能的單級(jí)減速器進(jìn)行傳輸，緊接著，它經(jīng)過精密的端面齒輪精細(xì)嚙合，并巧妙地借助撥桿裝置，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力向復(fù)式剪切運(yùn)動(dòng)的流暢且靈活的方向轉(zhuǎn)換輸出。圖7總體方案設(shè)計(jì)3.2方案的選擇方案一：通過精密齒輪機(jī)構(gòu)的獨(dú)創(chuàng)應(yīng)用，我們顯著提高了人工除草機(jī)器人的工作效率。我們的創(chuàng)新凸輪機(jī)構(gòu)獨(dú)樹一幟，憑借精巧設(shè)計(jì)，徹底改革了機(jī)器的運(yùn)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)了流暢的直線雙向運(yùn)行。此創(chuàng)新設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)對(duì)雜草生長的高效精準(zhǔn)機(jī)械操控，完美符合我們對(duì)卓越性能的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)和期望。方案二：圖8所示的割草機(jī)器人設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵部分依賴直接蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)割草盤進(jìn)行草坪維護(hù)工作。機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)精簡，刀具易于拆裝。然而，鑒于草地的柔韌性質(zhì)，直接運(yùn)用割草機(jī)進(jìn)行修剪可能會(huì)遇到操作難題。為了提高效率，必須使用高端功率設(shè)備。雖然軸向?qū)?zhǔn)相對(duì)簡易，但在構(gòu)建垂直于基架的水平配置的蝸輪蝸桿式除草機(jī)器人過程中，技術(shù)難度明顯增大。在同等雜草量的條件下，剪切方式的效率始終高于切割模式。圖8蝸輪蝸桿傳動(dòng)的割草機(jī)通過比較兩種方案，齒輪機(jī)構(gòu)相比蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率更高，并且容易實(shí)現(xiàn)直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且在雜草單位面積相同時(shí)，兩款進(jìn)行比較，剪切方式比切割方式效率高。最終選擇方案一，選擇方案一能夠更好的實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)傳遞。

除草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1齒輪的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.1.1齒輪設(shè)計(jì)思路及要求（1）合理的選擇模塊:選擇齒輪組件因設(shè)計(jì)而異。但為了經(jīng)濟(jì)和使用需求，主要模塊:。（2）合理的壓力角的選擇：在保持分度圓尺寸不變的前提下，齒輪設(shè)計(jì)中對(duì)微小壓力角的精細(xì)調(diào)節(jié)，實(shí)際上會(huì)對(duì)基圓尺寸產(chǎn)生不容忽視的影響，這對(duì)精密工程領(lǐng)域的精確性至關(guān)重要。當(dāng)壓力角逐步提升時(shí)，基圓直徑呈現(xiàn)出遞減的態(tài)勢，這種變化直接引發(fā)了漸開線圖形的幾何構(gòu)造呈現(xiàn)出更為復(fù)雜的特性。盡管變遷迅速，但齒根區(qū)域的強(qiáng)度顯著提升，且齒面的曲率半徑非但沒有減小，反而有所增長，這一現(xiàn)象清楚地揭示了其在適應(yīng)性方面的顯著增強(qiáng)。（3）在開發(fā)先進(jìn)的除草機(jī)器人進(jìn)程中，我們嚴(yán)謹(jǐn)?shù)匾罁?jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)雜漸開線圓柱齒輪承載能力評(píng)估準(zhǔn)則進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。此準(zhǔn)則深入考慮了眾多影響因素，如齒輪材料性質(zhì)、負(fù)荷分布、齒形參數(shù)等，以確保計(jì)算出的結(jié)果既精確又全面，為設(shè)備的可靠性能奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。事實(shí)上，此方法在齒輪強(qiáng)度評(píng)估的領(lǐng)域中已經(jīng)贏得了廣泛的贊譽(yù)和接納，其卓越的可靠性使其不折不扣地成為了業(yè)界公認(rèn)的基準(zhǔn)工具。在深入分析牙齒的耐受力時(shí)，其穩(wěn)定性受四大關(guān)鍵要素的共同影響：首先，靜態(tài)載荷系數(shù)，定量評(píng)估靜止?fàn)顟B(tài)下對(duì)牙齒的壓力效應(yīng)；其次，動(dòng)態(tài)載荷系數(shù)，強(qiáng)調(diào)在牙齒運(yùn)動(dòng)過程中負(fù)荷的波動(dòng)特性；接著，齒載荷分布系數(shù)，考察負(fù)荷在牙齒各部位的均衡分布問題；最后，我們不能忽視的是齒間載荷分布系數(shù)，它對(duì)于理解相鄰牙齒間負(fù)荷轉(zhuǎn)移的規(guī)律至關(guān)重要。鑒于ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織以其嚴(yán)謹(jǐn)且精確的齒輪強(qiáng)度計(jì)算方法在業(yè)界享有崇高聲譽(yù)，因此，在齒輪設(shè)計(jì)的定量分析中，本文明確傾向于優(yōu)先采用其推薦的計(jì)算策略。在齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)作中，非對(duì)稱支持（如懸臂狀態(tài)）下的齒根區(qū)域會(huì)遭受大幅的彎曲應(yīng)力和額外負(fù)荷，導(dǎo)致明顯的應(yīng)力集中問題，對(duì)機(jī)械性能構(gòu)成嚴(yán)峻考驗(yàn)。為了確保齒輪能在預(yù)期壽命內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)作，務(wù)必使其所受最大應(yīng)力嚴(yán)格限制在制造商建議的容許極限之內(nèi)。4.1.2齒輪設(shè)計(jì)過程在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)運(yùn)營中，實(shí)現(xiàn)高效且可持續(xù)的雜草管理策略，離不開對(duì)各類除草機(jī)械的精細(xì)理解與透徹分析，包括其工作原理和性能參數(shù)，例如挑選那種能提供強(qiáng)大清除效能，如施加250牛頓力的設(shè)備，就顯得至關(guān)重要。這不僅關(guān)乎工作效率，也關(guān)系到環(huán)境保護(hù)和資源節(jié)約。端施加到齒輪上力的大小如下：。車輪提供轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)剪刀運(yùn)動(dòng)。假設(shè)車輪的直徑，輪子周長為，人的正常行走步數(shù)為，所有刀具的力量來自車輪的扭矩由運(yùn)動(dòng)引起的。則,軸I上的所傳遞的功率大小為：軸II上的所傳遞的功率大小為：輪子所傳遞的功率大小為：(公式1)（1）輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)計(jì)：轉(zhuǎn)速：軸I上的轉(zhuǎn)速：計(jì)算輪子傳遞的轉(zhuǎn)矩可得：軸I上的轉(zhuǎn)矩為：(公式2)（2）探討齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)選擇齒輪材料、熱處理參數(shù)、公差等級(jí)及齒數(shù)?，F(xiàn)代廣泛應(yīng)用的高效除草機(jī)器人，其核心組件，尤其是齒輪，精心選用了具備高級(jí)耐磨損性和卓越性能的特殊材料。并經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臒崽幚砑夹g(shù)強(qiáng)化，嚴(yán)格遵循八級(jí)精密作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以保證設(shè)備的高效運(yùn)行和長久使用壽命。齒輪:在生產(chǎn)過程中，我們選用優(yōu)質(zhì)40Cr材料專門用于制造空調(diào)部件，其關(guān)鍵部位的齒面經(jīng)過精細(xì)特殊工藝處理，得以實(shí)現(xiàn)驚人的280HBS超高硬度標(biāo)準(zhǔn)。相比之下，對(duì)于大齒輪，我們特意選用了強(qiáng)度更高的45號(hào)鋼材以確保其耐用性。當(dāng)前發(fā)展階段，信息科技日新月異。齒輪用鋼齒面硬度達(dá)240HBS。選擇小齒輪齒數(shù)：主動(dòng)輪齒數(shù)：Z1=23，從動(dòng)輪齒數(shù)：Z2=69。（3）基本參數(shù)的選擇試選載荷系數(shù)：選擇的齒寬系數(shù)為：查得彈性系數(shù)為：(公式3)按齒面硬度查取接觸疲勞極限：小齒輪：，大齒輪：；（4）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N在正常使用中，機(jī)器如遇到輕度震動(dòng)，推薦每周進(jìn)行一次兩小時(shí)的除草作業(yè)，整個(gè)設(shè)備的預(yù)期使用壽命可達(dá)13年。齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：可得：大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：(公式4)(5)接觸疲勞壽命的計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力檢查系數(shù)：小齒輪，大齒輪；接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)；所以根據(jù)已有數(shù)據(jù)結(jié)果，可得：（公式5）（公式6）試算小齒輪分度圓直徑：（公式7）可得：；為了保證制造工藝簡單，取；取標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)；小齒輪分度圓直徑：；大齒輪分度圓直徑：；大齒輪齒寬，圓整?。恍↓X輪齒寬(加寬5mm)；中心距；小齒輪齒全高；大齒輪齒全高。（6）計(jì)算載荷系數(shù)K查得使用系數(shù)；圓周力：，；查得動(dòng)載荷系數(shù)；查得齒間載荷分配系數(shù)，；查得齒向載荷分布系數(shù)，取；計(jì)算載荷系數(shù)。（7）修正計(jì)算：已取,符合接觸疲勞強(qiáng)度條件。（8）齒輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核過程載荷系數(shù)；小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩；檢查齒形系數(shù)，和應(yīng)力修正系數(shù)，；檢查彎曲疲勞壽命因素：小齒輪，大齒輪；通過齒面硬度查得齒輪的彎曲疲勞極限：小齒輪，大齒輪；計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，由：可得。由：可得。齒根彎曲應(yīng)力：，。結(jié)論：經(jīng)過計(jì)算可知道彎曲疲勞強(qiáng)度足夠。4.2軸的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.2.1除草機(jī)器人中軸II的設(shè)計(jì)（1）II軸材料的選擇：沒有特殊要求的軸，選擇了45鋼，。初步估算軸徑：45號(hào)鋼軸的最小直徑,，根據(jù)公式：取。（2）II軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：II軸上零件的周向和軸向的位置。在左輪子連接處向右?。??？紤]到軸的結(jié)構(gòu)工藝性，軸的軸左和軸右制成倒角。（3）軸II的強(qiáng)度演算：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段完成后，我們?cè)敿?xì)分析并確定了軸部所承受的力的精確數(shù)值，包括力的作用點(diǎn)分布，如軸的直徑參數(shù)。此外，我們還對(duì)相關(guān)軸承的預(yù)期使用壽命有了深入的理解和預(yù)估。在齒輪傳動(dòng)體系中，扭矩的數(shù)值直接反映了作用于齒輪上的力的強(qiáng)度等級(jí)：。齒輪端面分度圓直徑：圓周力：170.05N；徑向力：61.9N；軸向力：(公式8)垂直面上受力簡圖，如圖9所示：圖9垂直面上受力簡圖垂直平面軸承的反應(yīng)力和彎矩主要部分：截面C處的彎矩為：，。垂直面上截面的彎矩如圖10所示：圖10垂直面上截面的彎矩軸承的彎矩和水平平面軸承的主要部分：，。截面C處的彎矩為：。在水平面上截面的支持力反映在如圖11所示：圖11水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為：，。水平面上截面的彎矩及合成彎矩如圖12所示：圖12水平面上截面的彎矩及合成彎矩對(duì)軸的彎扭復(fù)合應(yīng)力進(jìn)行詳盡深入的強(qiáng)度評(píng)估與深入剖析。在工程評(píng)估中，軸截面的強(qiáng)度評(píng)估是一項(xiàng)至關(guān)重要的步驟，它通常通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臋z驗(yàn)程序得以確保，其中包括深入研究其承受的最大彎矩和扭矩的能力。(公式9)通過查表可知：材料是45鋼，調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力，因?yàn)?，故安全?.2.2除草機(jī)器人中軸I的設(shè)計(jì)（1）選擇軸I無特殊要求的材料，和45鋼調(diào)質(zhì)處理?xiàng)l件的選擇，初步估算軸徑：按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度估計(jì)的輸入端的最小軸徑。按45鋼，取，根據(jù)公式取。（2）軸I的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：在設(shè)計(jì)軸部件時(shí)，其軸向布局傾向于明確，大齒輪采用軸向?qū)ΨQ定位，確保左右兩側(cè)均設(shè)有定位裝置，且兩側(cè)使用的軸承規(guī)格一致，這既有利于加工精度，也便于安裝和維護(hù)，考慮到便捷性，軸承的軸肩高度被控制在適宜范圍內(nèi)。齒輪與軸之間通過標(biāo)準(zhǔn)的平鍵聯(lián)接進(jìn)行軸向固定，這種設(shè)計(jì)考慮了拆裝的便利性。為了確保精確無誤，至關(guān)重要的一步是對(duì)耳軸的精確校準(zhǔn)，這是為了維持肩部構(gòu)造的穩(wěn)固性：從左輪開始，肩部高度的微調(diào)呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，具體表現(xiàn)為每一步分別是14毫米、然后增加至16毫米，接著提升至18毫米，緊接著是一個(gè)峰值，即22毫米，隨后又回落到18毫米，接下來是16毫米，最后以14毫米的遞減趨勢結(jié)束。這種精細(xì)的調(diào)整體現(xiàn)了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)要求。這種梯度設(shè)計(jì)的核心目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)全面且優(yōu)化的均衡性?？紤]軸的結(jié)構(gòu)工藝性：在軸的左端和右段均制成倒角。該力對(duì)齒輪的扭矩：；齒輪端面分度圓直徑：46mm；圓周力：170.05N；徑向力：61.9N；軸向力：。軸I垂直面上受力簡圖如圖13所示：圖13軸I垂直面上受力簡圖軸承的彎矩和垂直平面的主要部分：，方向相反。截面C處的彎矩為：，。軸I垂直面上截面的彎矩如圖14所示：圖14彎矩的軸垂直剖面水平平面軸承的反應(yīng)力和彎矩的主要部分：截面C處的彎矩為：。軸I水平面上截面的支反力如圖15所示：圖15軸I水平面上截面的支反力截面C處的合成彎矩為：，；軸I在如圖16的水平面支撐力，根據(jù)彎扭合成應(yīng)力校核軸強(qiáng)度。最大彎矩和扭矩的軸截面強(qiáng)度取。該截面上的計(jì)算應(yīng)力：(公式10)通過查表可知：材料是45鋼,調(diào)質(zhì)處理的許用應(yīng)力，因?yàn)?，所以安全。圖16軸I水平面上截面的彎矩及合成彎矩4.3刀具的設(shè)計(jì)及計(jì)算4.3.1刀具的概述除草機(jī)器人采用剛性切割類型，運(yùn)動(dòng)模式選擇往復(fù)運(yùn)動(dòng)。往復(fù)切割裝置由上、設(shè)計(jì)中選用兩套刀具，操作方式限定為單一動(dòng)作。單動(dòng)刀是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其特點(diǎn)是：，葉片的旅行距離和上下刀片都是一樣的。剪切機(jī)的上、下兩片刀片設(shè)計(jì)成對(duì)稱形態(tài)，以便同步進(jìn)行高效切割與修剪草坪，通過調(diào)整適宜的剪切速度，能確保更順暢且有效的切割過程。在剪切操作中，當(dāng)?shù)镀舻断蛴覉?zhí)行滑動(dòng)動(dòng)作，其速度初始為零，然后逐漸攀升，直至達(dá)到一個(gè)至關(guān)重要的臨界狀態(tài)，即兩片刀刃邊緣精準(zhǔn)相遇的瞬間，這標(biāo)志著剪切過程中切削速度的決定性節(jié)點(diǎn)。由到為切割速率的變化轉(zhuǎn)變限度。切割速度的變化，由圖17可知，大于終切速。圖17切割速度的變化4.3.2刀具的運(yùn)動(dòng)分析刀片機(jī)一起旅行時(shí)間的距離表達(dá)在H絕對(duì)距離內(nèi)刀具運(yùn)動(dòng)如：式中：——機(jī)器的前進(jìn)速度，——刀具水平運(yùn)動(dòng)的距離，——輪子的周長，一個(gè)行程所需要的時(shí)間為：一個(gè)行程運(yùn)動(dòng)的絕對(duì)距離：可得切刀的進(jìn)程H為：端面齒輪銑刀旋轉(zhuǎn)往復(fù)運(yùn)動(dòng),刀具運(yùn)動(dòng)速度由變化，從0到達(dá)的所需的時(shí)間與到達(dá)0的時(shí)間均為。運(yùn)動(dòng)分析,刀具是勻加速運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方程：可得：切刀的平均速度：刀具的平均速度和機(jī)器的前進(jìn)速度的比值稱為刀具的速度比：(公式11)依照類似的茶樹修剪機(jī)和測試分析，發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速較小的機(jī)器傳動(dòng)效率較高。4.3.3刀具的結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)葉片是刀片切割設(shè)備的重要組成部分,不同的使用條件和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，使得葉片具有一些差異。表2除草機(jī)器人的主要參數(shù)項(xiàng)目切割器的形式切割幅寬刀片間距刀片運(yùn)動(dòng)形式刀片往復(fù)頻率刀片形狀配套動(dòng)力操作人數(shù)凈重除草機(jī)器人往復(fù)切割240mm20mm單動(dòng)860r/min平形149.1W113r/min1人30kg切割角度的加大使得切口變得不齊。當(dāng)?shù)镀烦淘跁r(shí)，刀片的切角和楔角不影響割草的質(zhì)量。往復(fù)式刀刃的切角和楔角如圖18所示。往復(fù)式葉片的主要技術(shù)參數(shù)如表3所示。圖18往復(fù)式刀刃的切割角和楔角表3往復(fù)式刀片的主要技術(shù)參數(shù)項(xiàng)目刀片刀間距刀高切割角刀角硬度（HRC）往復(fù)式刀片動(dòng)刀片20mm定刀片4.4端面齒輪及撥桿的設(shè)計(jì)部分4.4.1端面齒輪和撥桿的概述除草機(jī)器人的端面齒輪和撥桿運(yùn)動(dòng)類似凸輪與推桿，是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，規(guī)則的撥桿端面齒輪是凹凸表面運(yùn)動(dòng)，使刀具運(yùn)動(dòng)。4.4.2端面齒輪和撥桿的運(yùn)動(dòng)分析圖19端面齒輪的形狀端面齒輪的形狀如圖19所示，對(duì)撥桿的運(yùn)動(dòng)要求為：端齒輪轉(zhuǎn)過，推桿上升20mm；端齒輪再轉(zhuǎn)過，撥桿下降20mm；推桿再轉(zhuǎn)過時(shí)，撥桿不動(dòng)。運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如圖20所示。圖20運(yùn)動(dòng)分析圖撥桿在端面齒輪的地方安裝，圖中a和b在撥桿上升對(duì)處的端面齒輪旋轉(zhuǎn)的角度，c為。在端面齒輪撥桿和端面齒輪旋轉(zhuǎn)角接觸點(diǎn)的行程如下:d型端面上的撥桿和齒輪端面齒輪接觸的中心的直徑大小。圖21端面齒輪的輪廓曲線假設(shè)最終齒輪的運(yùn)動(dòng)行程,接觸點(diǎn)上下的位移為,能算出軌跡方程為：在式中各參數(shù)：為端面齒輪的旋轉(zhuǎn)角度；運(yùn)動(dòng)行程的上下齒輪的運(yùn)動(dòng)位移K參數(shù)。代入特殊值，可得：因此，得到了接觸點(diǎn)的上下位移的軌跡方程：(公式12)（1）推程階段:，（2）遠(yuǎn)休止階段:，（3）回程階段:，（4）近休止階段:，本研究旨在詳盡解析通過運(yùn)動(dòng)分析獲取的撥桿端面齒輪輪廓線特征。由于其端面齒輪6所采用的近似凸輪設(shè)計(jì)構(gòu)造。通過持續(xù)的撥桿往復(fù)操作，能夠準(zhǔn)確地獲取到齒輪工作輪廓線的相關(guān)數(shù)值，具體如表4所示，其計(jì)算過程精確無誤。表4端面齒輪的工作輪廓線（mm）(mm)002.2690.1184.5380.4746.8071.0669.0761.89511.3452.96013.6144.26315.8835.80218.1527.57820.4219.59122.69011.84124.95914.32827.22817.05129.49720.000通過以上參數(shù)表中，我們可以近似處理的工作端面齒輪輪廓線。工作輪廓線，如圖22所示。圖22端面齒輪的工作輪廓線

總結(jié)和展望5.1總結(jié)果園種植產(chǎn)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)體系中的重要組成部分。本文根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)出一臺(tái)小型果園除草機(jī)器人，兼顧了實(shí)用性，安全性，經(jīng)濟(jì)型以及環(huán)保性，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了幫助。小型果園除草機(jī)器人的設(shè)計(jì)旨在提高果園管理的自動(dòng)化水平，提高除草效率，并減少化學(xué)除草劑的使用，以保護(hù)環(huán)境。本設(shè)計(jì)是一款果園小型除草機(jī)器人，本課題主要研究內(nèi)容如下：（1）詳細(xì)了解了除草機(jī)器人各部件的主要結(jié)構(gòu)，并通過比較選用較為穩(wěn)定的零件對(duì)除草機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計(jì)，如齒輪、中軸、刀具、端面齒輪及撥桿等的設(shè)計(jì)，以確定機(jī)器人的結(jié)構(gòu)及特性。對(duì)內(nèi)部進(jìn)行了優(yōu)化，除草機(jī)器采用手推式，機(jī)器可以實(shí)現(xiàn)簡單的旋轉(zhuǎn)和往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),并且選擇直齒圓柱齒輪的增長機(jī)制進(jìn)行增速，根據(jù)不同的性能選擇了合適的齒輪，軸，刀具等設(shè)備以完成對(duì)機(jī)器人的整體改進(jìn)和設(shè)計(jì)，如防護(hù)裝置等，有效保護(hù)了作物不受損害，采用新型刀具更加方便果園雜草的清除工作，根據(jù)其不同雜草的種類和生長特點(diǎn)，以及除草的最佳時(shí)期，使除草機(jī)器人能夠適應(yīng)不同地形和環(huán)境，實(shí)現(xiàn)更加高效的除草。（2）設(shè)計(jì)的此款除草機(jī)器人，一方面解決了勞動(dòng)力的成本，隨著現(xiàn)如今人工的成本不斷提高，傳統(tǒng)的除草方式變得越來越昂貴，除草機(jī)器人的使用可以顯著降低成本；另一方面也解決了果農(nóng)的勞動(dòng)強(qiáng)度以及勞動(dòng)效率的問題，通常來說，人工除草效率較低，而機(jī)器人可以全天候的工作，提高除草效率，并且除草是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度很大的工作，機(jī)器人可以減輕農(nóng)民的體力勞動(dòng)。此次設(shè)計(jì)的果園小型除草機(jī)器人較傳統(tǒng)除草有了很大的改觀，降低了人工成本，也減少了化學(xué)藥品的使用，降低了環(huán)境的污染。同時(shí)其操作簡單，使農(nóng)民能夠輕松掌握其使用方法。（3）但是對(duì)于此次設(shè)計(jì)也有很多不足，如初期投資較高，購買和維護(hù)除草機(jī)器人的成本可能相對(duì)較高，尤其是小型果園。對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)性也有一定的限制，機(jī)器人面對(duì)復(fù)雜多變的天氣及氣候可能不如人類更加靈活的面對(duì)。并且機(jī)器人的技術(shù)更新迭代速度很快，設(shè)備可能很快過時(shí)，需要定期更換和升級(jí)。5.2展望回望國內(nèi)果園除草機(jī)器人領(lǐng)域，盡管在技術(shù)層面取得了較大的進(jìn)展，但整體來看，還有許多方面存在不足需要改進(jìn)，但其缺點(diǎn)也很明顯，此類小型除草機(jī)器人除草速度不能適用與大型果園，推廣也需要一段時(shí)間。這就要求我們必須加大對(duì)果園小型除草機(jī)器人的研究開發(fā)力度，推動(dòng)果園小型除草機(jī)器人的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)除草效率的提升，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展目標(biāo)，我們需要在幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行深入努力：（1）技術(shù)革新是我們的不懈追求，伴隨人工智能、機(jī)器視覺、傳感器及機(jī)器人控制技術(shù)的前沿發(fā)展，未來果園小型除草機(jī)器人的智能程度將迎來顯著提升。它們具備高度精確性，能有效辨識(shí)并區(qū)分作物與雜草類別，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的除草操作。（2）對(duì)于果園小型除草機(jī)器人導(dǎo)航行走系統(tǒng)也要進(jìn)行提升，未來的除草機(jī)器人將配備更先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng)，如GPS、激光雷達(dá)（LiDAR）和視覺SLAM技術(shù)，使機(jī)器人能夠在無需人工干預(yù)的情況下自主導(dǎo)航和規(guī)劃路徑，提高作業(yè)效率和覆蓋范圍。（3）未來的除草機(jī)器人將重點(diǎn)優(yōu)化電池性能，預(yù)計(jì)采用高能量密度電池，顯著延長工作時(shí)間并加速充電速度。深度挖掘太陽能等可再生能源潛力，目標(biāo)在于環(huán)保與高效能的雙重優(yōu)化。（4）我們的產(chǎn)品注重全面性，擁有豐富多元的功能。未來的果園小型機(jī)器人有望實(shí)現(xiàn)多合一，不僅限于單一的除草，還將集成施肥、噴藥和果實(shí)收獲等多功能，成為全方位的農(nóng)業(yè)設(shè)備。該系統(tǒng)旨在全面涵蓋果園管理，無論地勢與氣候條件如何多變，都能展現(xiàn)出極高的靈活性，適應(yīng)各種農(nóng)業(yè)操作需求?？萍疾粩噙M(jìn)步預(yù)示，未來果園小型除草機(jī)器人的成熟度和效率將迎來顯著提升。直接參與農(nóng)業(yè)活動(dòng)更為高效，大幅提升了果農(nóng)的便利和收益，有力推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的高質(zhì)發(fā)展，緊貼國家鄉(xiāng)村振興策略，致力于國家繁榮與社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，作出重大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)[1]崇興花.果園機(jī)械化生產(chǎn)技術(shù)研究進(jìn)展[J]