割草機器人調(diào)研報告

1、割草機器人調(diào)研國外研究狀況在歐美國家，城市中有大量的公園草坪、足球場草坪、高爾夫球場草坪等公共綠地以 及一般家庭綠地需要進(jìn)行維護(hù)。為降低草坪維護(hù)作業(yè)的勞動強度，1997年，OPEI年會上第一次提出了智能割草機器人（In tellige nt Robot Mower ）的概念。目前，國外市場上已經(jīng)有了多款割草機器人產(chǎn)品。以色列Friendly Machines公司設(shè)計的Friendly Robomow（見圖1）是世界上第一批走進(jìn)家庭和市場的割草機器人也是目前市場 化最成功的智能割草機器人產(chǎn)品之一。此外，還有意大利Zucchetti 公司生產(chǎn)的Robo-Lawnmowe（見圖2，爬坡的坡度為27&

2、#39;30，其中型號為Line 300的機器人具有下 雨時，自動回歸充電站的功能；瑞典Electrolux 公司生產(chǎn)的 Husqvarna Auto Mower （見圖3），該機器人驅(qū)動輪直徑較大，有很強的爬坡能力，最大爬坡角度為35 ;比利時Belrobotics 公司生產(chǎn)的適用于大、中型草坪維護(hù)的Bigmow （見圖4）。據(jù)國據(jù)報道，2007年2月，大學(xué)研發(fā)成功了割草機器人“kakamower”并準(zhǔn)備于今年投入市場，預(yù)期售價為460美元左右。以及在今年3月，昆山市金聯(lián)塑料制品與大學(xué)聯(lián)合研發(fā) 成功了割草機器人。國從事割草機器人研究的還有理工大學(xué)、大學(xué)等。圖 1 Friendly RL850

3、圖 2 Robo-Lawnmower圖 4 Bigmow圖 3 Auto MowerF表列出了各種割草機器人的參數(shù)指標(biāo)和價格。表1各種品牌割草機器人參數(shù)指標(biāo)及價格比較型號生產(chǎn)廠商重量 (kg)外形尺寸(cm)驅(qū)動電源割刀功率(w)割草寬 度( cm)連續(xù) 工作 時間(h)工作面積(m2)價格Robomow（RL 850）Frie ndlyMachines（以色列）2289*65*31.524v,17Ah*2鉛酸電瓶150*3割刀5800r/mi n532.53500$1199.95Robo-Law nm ower（Line50）Zucchetti（意大利）41*19*36鋰/鉛酸電 池253.

4、5（Li ne 100）51*33*432925300（Li ne 200）57*42*262924.5300（max3000）（Li ne 300）65*49*285000Husqvar na Auto MowerElectrolux（瑞典）8.671*60*2618v,22Ah*12400$2299.99Bigmow(中、大型草坪)Belrobotics（比利時）48120*120*5024v,15Ah鎳鉻電池24v,3200r/mi n*5割刀10020000$12799MORO理工大學(xué)5080*51*405000r/mi n待設(shè)計機器人鋰/鎳電池24v,6070w,3500r/min2

5、523最大1500實際建議<500二割草機器人技術(shù)分析1結(jié)構(gòu)設(shè)計設(shè)計要求：害倬寬度：25 cm，割草高度：2-7cm （割刀距地面距離可調(diào)節(jié)）按功能分割草機器人的機械結(jié)構(gòu)可分為驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)和割草機械結(jié)構(gòu)。1驅(qū)動機械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的割草機器人大多采用輪式機構(gòu)驅(qū)動（也有采用履帶驅(qū)動，很少）。常見的輪式結(jié)構(gòu)為三輪（2個驅(qū)動輪，1個導(dǎo)向輪，如 RobomoW和四輪（2個驅(qū)動輪，2個導(dǎo)向 輪，女口 Electrolux Husqvama Auto Mower）。三輪方式結(jié)構(gòu)簡單，能滿足一般要求。四輪方式穩(wěn)定性好、承載能力較大、結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。2割草機械結(jié)構(gòu)1）刀片：刀片的設(shè)計直接影響割草機器人的性能，須考

6、慮割草刀片在高速旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn) 生氣流的流場；分析刀片在運行時的模態(tài)、不平衡離心力和動態(tài)響應(yīng)等參數(shù)。2） 割草高度調(diào)節(jié)機構(gòu)：現(xiàn)有的割草機器人為手動調(diào)節(jié)。RobomoW通過調(diào)整前端萬向輪、車身相對后端驅(qū)動輪的高度來調(diào)整割草高度。伊萊克斯的Auto mower通過調(diào)整割刀的高度來實現(xiàn)割草高度的調(diào)節(jié)。3）出草通道設(shè)計：防止草屑的堵塞。4）散熱機構(gòu)設(shè)計：由于刀片處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，有較大的發(fā)熱量，因而所設(shè)計的結(jié) 構(gòu)須有良好的散熱性。5） 割草寬度：可設(shè)計并列的雙割刀，橫向?qū)挾葹?5cm.。6） 增加收集碎草功能（待討論），RobomoW割草機器人是將草剪碎至 3mm作為天然肥 料留在草坪上。2驅(qū)動系統(tǒng)1割

7、刀電機選型直流電機額定電壓：24V功率：60-70W轉(zhuǎn)速：3500轉(zhuǎn)/分土 10%2行走電機選型行走電機（可參照吸塵機器人）較強的爬坡能力，30度（行走電機功率要求較高）3工作空間，時間圍設(shè)計要求：最大割草面積：1500 m通過減輕重量，非割草狀態(tài)下割草電機轉(zhuǎn)速減緩等實現(xiàn)低功耗 大容量電池 選擇合適的行走速度，使相同能耗下割草的效率最高。,建議圍500m2，額定工作時間：120-180 min4）工作面積超過建議的500m2時，設(shè)計多個充電站。如以500 m 2為1個單位，當(dāng)面積為1500 m 2可以設(shè)計3個充電站。4充電器選型（外包）INPUT：100-240V ，AC 1500mA，50/

8、60HzOUTPUTDC 29.4V 2-2.5A充電時間：180mi n鋰電（或鎳氫）：8Ah5傳感系統(tǒng)避障方案：超聲波傳感器、紅外傳感器及碰撞傳感器雨天自動感知，并避雨方案1：濕度傳感器原理：利用雨天濕度大的特點來檢測。存在問題：是否能夠準(zhǔn)確地區(qū)別出霧天和小雨天。表2濕度傳感器參數(shù)型號西博臣CHTM-01系列溫濕度傳感器模塊輸出A 型：03V B 型：01V敏感元件（濕度）高分子濕敏電容“ HS1101'供電5V± 5%耗電電流5mA max.(2mA avg.)工作圍溫度060C濕度10% 95%RH以下儲存條件溫度-2070C濕度95%RH以下精度（濕度）±

9、 5%RH （在25C，輸入電壓 =5V）方案2:雨水傳感器原理：當(dāng)雨水滴落在傳感器電路板上時，產(chǎn)生觸發(fā)信號。為克服易觸發(fā)的缺點，應(yīng)將傳感器封閉好，只留有一小孔讓雨水可以滴落在傳感器電路板上。 存在問題：1易觸發(fā)，不確定是否可以避免因露水引起的觸發(fā)；2、在避雨后，須用戶將傳感器電路板擦干。方案3:雨量傳感器原理：如圖5所示的雨水收集裝置，當(dāng)裝置中的雨水滿到觸發(fā)線時，便會產(chǎn)生觸發(fā)信號。該 方法可有效克服方案 2中易觸發(fā)的缺點。存在問題：避雨后，如何將水排空。圖5雨量傳感器檢測原理示意圖防跌落：前視傳感器，可參照吸塵機器人設(shè)計（該功能待討論）感知小動物，并進(jìn)行驅(qū)趕方案：人體熱釋傳感器原理：人體熱釋

10、傳感器是一種檢測人或動物身體發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器，其原理是利用熱釋電效應(yīng)。 熱釋電效應(yīng)同壓電效應(yīng)類似， 是指由于溫度的變化而引起的晶體表面 荷電的現(xiàn)象。熱釋電傳感器是對溫度敏感的傳感器，由瓷氧化物或壓電晶體元件組成，在元件兩個表面做成電極，在傳感器監(jiān)測圍溫度有變化時， 熱釋電效應(yīng)會在兩個電極上產(chǎn)生電荷， 即在兩電極之間產(chǎn)生微弱的電壓。由于它的輸出阻抗極高，在傳感器中有一個場效應(yīng)管進(jìn)行阻抗變換。熱釋電效應(yīng)所產(chǎn)生的電荷會被空氣中的離子所結(jié)合而消失，即當(dāng)環(huán)境溫度穩(wěn)定不變時，傳感器無輸出。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)，因人體溫度與環(huán)境溫度有差別，產(chǎn)生溫度變化， 則產(chǎn)生輸出信號。當(dāng)人體進(jìn)入檢測區(qū)后不動，

11、則溫度沒有變化，傳感器也沒有輸出。所以該 類型傳感器用于檢測人體或動物的活動情況。當(dāng)探測到動物后，采用黃色閃爍警示燈、 蜂鳴聲進(jìn)行驅(qū)趕。存在問題：對人和動物都將產(chǎn)生報警（設(shè)計一按鈕可手動解除報警）4V疔*二t田工作電壓35V靜態(tài)電流50uA工作溫度070：C電平輸出無信號輸出0.4V感應(yīng)角度110度外形尺寸28mm*36mm模塊重量約25g價格33元型號CT-418圖6邊界線檢測傳感器布置表3人體熱釋傳感器參數(shù)電源地輔出電薄正6自動回歸充電傳感器在割草機器人的前端并排安裝兩個用于邊界線檢測的傳感器。工作時，當(dāng)割草機器人的剩余電量低于我們的設(shè)定電量值時，機器人便要自動回歸充電。 機器人采用循跡回

12、歸的方法，按第一次檢測到邊界線時的狀態(tài)可分為下述的三種情況。萬案:情況一：當(dāng)機器人行走的方向與邊界線呈銳角時，左側(cè)的傳感器首先檢測到信號，隨后右側(cè)的傳感器也檢測到信號。然后走過一段距離，機器人順時針旋轉(zhuǎn)（見圖7 B）。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度，右側(cè)的傳感器再次檢測到信號時，機器人便處于“騎線”狀態(tài)。接下來，機器人便只要循線 行走即可。循線的方法是，當(dāng)左側(cè)的傳感器檢測到信號時，機器人便向左偏轉(zhuǎn)；右側(cè)的傳感 器檢測到信號時，機器人便向右偏轉(zhuǎn)。(A)(B)(C)圖7情況1情況二：機器人以與邊界線垂直的方向朝邊界線前進(jìn)。 這時，前端的兩個傳感器同時檢測到信號。 然后當(dāng)機器人走過一段距離后，順時針偏轉(zhuǎn)（見圖8 B

13、 ）。當(dāng)右側(cè)的傳感器再次檢測到信號時，機器人便處于了“騎線”的狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。(A)(B)(C)圖8情況2情況三：當(dāng)機器人行走的方向與邊界線呈鈍角時，右側(cè)的傳感器首先檢測到信號，隨后左側(cè)的傳感器也檢測到信號。然后走過一段距離，機器人順時針旋轉(zhuǎn)（見圖9 B）。當(dāng)轉(zhuǎn)過一定角度，右側(cè)的傳感器再次檢測到信號時，機器人便處于“騎線”狀態(tài)。循線的方法與情況一相同。7路徑規(guī)劃及邊界控制方案：邊界控制采用 HMC100磁場傳感器（見杰師兄文件）。路徑規(guī)劃采用吸塵機器人的路 徑規(guī)劃方法。8遙控功能結(jié)合吸塵機器人進(jìn)行設(shè)計，功能有：1）前、后、左、右運動2）割草：停、開；行走：停、開3）回歸充電4）電源開/關(guān)9割草方式調(diào)節(jié)根據(jù)草的長度，對割草速度和行走速度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)（待討論）1）參考吸塵機器人，設(shè)計不同的割草模式，如往復(fù)前進(jìn)式、螺旋式等10安全保護(hù)1、若工作中發(fā)生割草刀片因為草屑而卡死、鎖緊時，要及時切斷電源，防止電機及驅(qū)動電 路被燒毀。2、超負(fù)荷保護(hù)：負(fù)荷重（我們的理解是因草過長或過于濃密，割刀無法割動）時到退后前