王娜 高文英

摘要：為了滿足農(nóng)村蛋雞舍產(chǎn)蛋數(shù)量大，空間合理利用問題，在預(yù)先設(shè)定好的小空間、飼養(yǎng)人員無(wú)法通過的采蛋路線上，設(shè)計(jì)出一臺(tái)能夠沿著預(yù)定路線運(yùn)行，并完成自動(dòng)避障及撿蛋智能小車，通過三維軟件進(jìn)行整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度要求。并通過對(duì)行走裝置、撿蛋裝置、運(yùn)轉(zhuǎn)裝置的設(shè)置，最終達(dá)到效率、空間、勞動(dòng)成本等幾個(gè)方面的最優(yōu)設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：撿蛋;機(jī)器人;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);組裝

0? 引言

農(nóng)業(yè)自動(dòng)化是當(dāng)今不可避免的一大趨勢(shì)，智能機(jī)器人代替人類工作能夠解決安全性、效率、可靠性等一系列問題，并能夠在小空間內(nèi)代替人類無(wú)法觸及的領(lǐng)域去完成工作[1-2]。

1? 本課題研究的內(nèi)容

該機(jī)器人的主要任務(wù)是自動(dòng)撿蛋機(jī)器人，主要應(yīng)用在農(nóng)場(chǎng)或養(yǎng)雞場(chǎng)內(nèi)。設(shè)計(jì)的自動(dòng)撿蛋機(jī)器人大概工作流程如下：將機(jī)器人放在養(yǎng)雞房門口，啟動(dòng)機(jī)器人開關(guān)。機(jī)器人進(jìn)入養(yǎng)雞房后，機(jī)器人先進(jìn)行右轉(zhuǎn)，直行到傳感器檢測(cè)到機(jī)器人行至房間角落，然后左轉(zhuǎn)延邊行進(jìn)。再行至同一面墻的兩個(gè)角落的時(shí)候，在進(jìn)行左后轉(zhuǎn)彎，通過程序數(shù)據(jù)調(diào)控達(dá)到一個(gè)車位距離。再直行至距墻一個(gè)車位距離，以方便執(zhí)行右后轉(zhuǎn)彎。然后以此重復(fù)，直至機(jī)器人行至最左側(cè)靠入口墻角落，執(zhí)行左轉(zhuǎn)，行至入口。撿雞蛋的工作流程用機(jī)械結(jié)構(gòu)執(zhí)行，在行進(jìn)過程中通過機(jī)械結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)，將雞蛋收到結(jié)構(gòu)里。完成自動(dòng)撿蛋的工作過程[3-5]。

2? 總體設(shè)計(jì)方案

2.1 行走方案

機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)大致可分為三類：輪式、履帶式、行走式。由于養(yǎng)雞房一般都有草料鋪在地面上，比較寬敞，且相對(duì)比較平整。并且行走式的控制和設(shè)計(jì)太過復(fù)雜，而履帶式又因?yàn)榈孛嫔箱佊胁萘峡赡軙?huì)出現(xiàn)草料卡住履帶的情況，因而選擇輪式行走方式會(huì)比較合理。

2.2 撿蛋方式

本設(shè)計(jì)采用仿造收割機(jī)的方案，將雞蛋通過擠壓進(jìn)入撿蛋機(jī)構(gòu)，再存放到存放室中。

2.3 驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的方式

針對(duì)動(dòng)力裝置選擇，可考慮采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，24V小型功率驅(qū)動(dòng)即可。機(jī)器人由前輪進(jìn)行方向控制，驅(qū)動(dòng)裝置安裝在后輪。并由萬(wàn)向輪進(jìn)行導(dǎo)向，萬(wàn)向輪形式多樣，可以直接采購(gòu)，使用方便簡(jiǎn)潔。導(dǎo)向輪的支架保證能夠整周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，起到導(dǎo)向和支撐的作用。

實(shí)現(xiàn)車輛轉(zhuǎn)向的方式以差動(dòng)居多，該機(jī)器人亦可以選取差動(dòng)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)向，差動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活。大多數(shù)機(jī)器人小車的車輪采用安裝兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行差動(dòng)控制，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時(shí)，由于車輪速度不同，導(dǎo)致車輛發(fā)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，即當(dāng)左輪停止或者降低轉(zhuǎn)速時(shí)，車輛向左轉(zhuǎn)向;反之，右輪停止或降低轉(zhuǎn)速時(shí)，車輛向右轉(zhuǎn)動(dòng)。

綜上所述，整機(jī)的車輪的設(shè)計(jì)可以采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)導(dǎo)向輪的方式進(jìn)行控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于控制和加工。

2.4 主體材料的選擇

由于制作的自動(dòng)撿球機(jī)器人體積中等，因?yàn)樾枰獞?yīng)對(duì)鋪了草料的養(yǎng)雞場(chǎng)，所以要求機(jī)器人重量較重。所以，主體的制造材料選為金屬材料。這種材料的強(qiáng)度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。選用這種材料會(huì)使機(jī)器人體重增加，但是會(huì)增大電機(jī)的負(fù)載。所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用要用大功率的步進(jìn)電機(jī)。用以提供更大的動(dòng)力。

3? 結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3.1.1 電源的選擇

因?yàn)楸緳C(jī)器人整體質(zhì)量較大，選用電機(jī)扭矩較大，故采用12V鋰電池作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)、另外因?yàn)闄C(jī)械臂連接各驅(qū)動(dòng)板，所以采用7.4V鋰電池來驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂以保證它動(dòng)作穩(wěn)定，為了更易于識(shí)別待檢測(cè)物體需電壓穩(wěn)定，故采用7.4V電源單獨(dú)給各傳感器供電。

3.1.2 電機(jī)的選擇

微型機(jī)器人使用的電機(jī)一般有步進(jìn)電機(jī)、直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)這三種類型。這三種電機(jī)的控制都相對(duì)簡(jiǎn)單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。本設(shè)計(jì)可采用L298N電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片帶動(dòng)兩個(gè)5V的直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.1.3 車輪的確定

本設(shè)計(jì)的采蛋機(jī)器人車輪分為驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪兩種，驅(qū)動(dòng)輪可采用直接采購(gòu)的方式進(jìn)行，車輪表面選擇大紋路表面，從而增大摩擦力。萬(wàn)向輪也采用直接購(gòu)買的方式，使整機(jī)簡(jiǎn)便，易于更換。

3.2 撿蛋機(jī)構(gòu)

本課題采用仿水稻收割機(jī)的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)滾筒式的收雞蛋機(jī)構(gòu)，采用螺旋的鋼絲，螺旋線方向選擇左螺旋，通過電機(jī)用傳送帶與滾筒連接來帶動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)槭锹菪噪u蛋將在自身重力的作用下，沿著螺旋向左側(cè)緩慢移動(dòng)，當(dāng)雞蛋移動(dòng)到最左側(cè)時(shí)，雞蛋通過左側(cè)開的小口進(jìn)入傳送帶內(nèi)。

3.3 輸送機(jī)構(gòu)

本機(jī)器人采用特別設(shè)計(jì)的傳送帶來實(shí)現(xiàn)本機(jī)器人的多種用途。首先本機(jī)器人的傳送帶需要能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)與收集雞蛋滾筒的傳動(dòng)功能，其次該傳送帶還要實(shí)現(xiàn)能夠?qū)㈦u蛋進(jìn)行運(yùn)輸?shù)倪\(yùn)輸功能。所以本課題設(shè)計(jì)了一款兩側(cè)具有與電機(jī)相連的帶動(dòng)元件相符合的突起，類似齒輪的連接，用以實(shí)現(xiàn)傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)。傳送帶的中間部分因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)將雞蛋輸送到更高的位子的功能，而一般的雞蛋大概長(zhǎng)5厘米，寬3厘米。所以打算在傳送帶中間設(shè)計(jì)高1.5厘米，厚0.5厘米，長(zhǎng)6厘米的突起，用以支撐雞蛋在上升過程中的重力。電機(jī)的帶動(dòng)元件設(shè)計(jì)為兩側(cè)齒輪，中間凹下去的“工”字型構(gòu)造。再將雞蛋抬起到需要位子，設(shè)立一個(gè)斜擋板，讓雞蛋在擋板和傳送帶突起的擠壓下從傳送機(jī)構(gòu)中出來進(jìn)入緩沖通道。緩沖通道設(shè)計(jì)為一個(gè)“S”型的傾斜通道，讓雞蛋不至于因?yàn)橛筛呶恢眠M(jìn)入低處的存雞蛋箱產(chǎn)生的勢(shì)能導(dǎo)致蛋殼破損。

4? 機(jī)器人的感官

機(jī)器人的感官采用聲波感應(yīng)器，因?yàn)槁暡ǜ袘?yīng)器能夠更好的感應(yīng)機(jī)器人距離養(yǎng)雞房墻壁的距離，更容易讓機(jī)器人確定自身位于養(yǎng)雞房中的位置，使機(jī)器人能夠更好地確定自己的下一步的路線。

5? 結(jié)論

本文希望在最大限度保證收集到雞蛋的完好無(wú)損下，通過機(jī)器人的幫助減少人工。通過上電機(jī)的差動(dòng)用以提供機(jī)器人本身所需要的動(dòng)力與轉(zhuǎn)向要求。通過滾筒狀螺旋收集機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雞蛋的收集工作。再通過傳送帶和緩沖通道實(shí)現(xiàn)雞蛋的從收集機(jī)構(gòu)到儲(chǔ)存機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)移。在各種機(jī)器人不斷出現(xiàn)和各個(gè)領(lǐng)域逐漸實(shí)現(xiàn)機(jī)械化的大背景下，希望本文能夠給機(jī)器人的設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)新的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊大蓉.中國(guó)智慧農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展策略[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2014（4）：1-2.

[2]楊瑛，崔運(yùn)鵬.我國(guó)智慧農(nóng)業(yè)關(guān)鍵技術(shù)與未來發(fā)展[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（6）：34-37.

[3]趙勻.農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展與存在問題[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，19（1）：1-4.

[4]方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：273-275.

[5]田素博.國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械與電氣化，2007（2）：3-5.