割草機(jī)器人調(diào)研報告

1、割草機(jī)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(qiáng)度，1997年，OPEI年會上第一次提出了智能割草機(jī)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(jī)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(jī)器人也是目前市場 化最成功的智能割草機(jī)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(jī)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(jī)器人驅(qū)動輪直徑較大，有很強(qiáng)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(jī)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(jī)器人。國從事割草機(jī)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(jī)器人的參數(shù)指標(biāo)和價格。表1各種品牌割草機(jī)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(jī)器人鋰/鎳電池24v,6070w,3500r/min2

5、523最大1500實(shí)際建議<500二割草機(jī)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(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)和割草機(jī)械結(jié)構(gòu)。1驅(qū)動機(jī)械結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的割草機(jī)器人大多采用輪式機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)1）刀片：刀片的設(shè)計直接影響割草機(jī)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(yùn)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(jī)構(gòu)：現(xiàn)有的割草機(jī)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(shí)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(jī)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(jī)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(jī)選型直流電機(jī)額定電壓：24V功率：60-70W轉(zhuǎn)速：3500轉(zhuǎn)/分土 10%2行走電機(jī)選型行走電機(jī)（可參照吸塵機(jī)器人）較強(qiáng)的爬坡能力，30度（行走電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速減緩等實(shí)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(diǎn)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(diǎn)，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(diǎn)。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(jī)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(jī)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(jī)器人的剩余電量低于我們的設(shè)定電量值時，機(jī)器人便要自動回歸充電。 機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人便處于“騎線”狀態(tài)。接下來，機(jī)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(jī)器人便向左偏轉(zhuǎn)；右側(cè)的傳感 器檢測到信號時，機(jī)器人便向右偏轉(zhuǎn)。(A)(B)(C)圖7情況1情況二：機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人的路 徑規(guī)劃方法。8遙控功能結(jié)合吸塵機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計，功能有：1）前、后、左、右運(yùn)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(jī)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?yàn)椴菪级ㄋ?、鎖緊時，要及時切斷電源，防止電機(jī)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