自主型草地修整機器人六向碰撞檢測安裝架的創(chuàng)新設(shè)計

劉寧發(fā)，周驥平，高龍琴，柯鐘煜

(1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)(2.揚州維邦園林機械有限公司，江蘇 揚州 225127)

自主型草地修整機器人六向碰撞檢測安裝架的創(chuàng)新設(shè)計

劉寧發(fā)1，周驥平1，高龍琴1，柯鐘煜2

(1.揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225127)(2.揚州維邦園林機械有限公司，江蘇 揚州 225127)

為提高草地修整機器人工作的安全性能，避免檢測碰撞的壓力開關(guān)分布散、安裝繁瑣的弊端，在利用了球關(guān)節(jié)連接自由度高和彈簧力復位特性的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計了一款集6個方向碰撞檢測于一體的壓力開關(guān)安裝架，使得草地修整機器人的整體結(jié)構(gòu)更加緊湊，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，還提高了市場競爭力。

草地修整機器人；碰撞檢測；安裝架；六向運動；彈簧力

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的不斷提高，城市綠化迅猛發(fā)展，新增了大量的公園草坪、社區(qū)綠地、道路綠化等公共綠地，用于草坪維護的機械也隨之得到了較快的發(fā)展，其中可大幅度降低草坪維護作業(yè)勞動強度的自動化草坪機械更是大量涌現(xiàn)。為確保草地修整機器人的使用安全，除了要有大量的避障和導航設(shè)備外，還要求安裝碰撞檢測裝置，當草地修整機器人發(fā)生碰撞時，使切割裝置(刀片)能夠?qū)崿F(xiàn)快速制動，并且機器人能根據(jù)碰撞位置自動進行路徑修正。

1 與傳統(tǒng)設(shè)計的比較

檢測碰撞主要基于形狀、壓力、能量等的改變來實現(xiàn)，考慮到成本和方便應(yīng)用等因素，目前草地修整機器人主要還是運用壓力開關(guān)檢測碰撞。傳統(tǒng)的方法是將壓力開關(guān)分布于草地修整機器人車體的四周[1]，采用單獨固定安裝的方式，用于檢測前后左右四向的碰撞。本文設(shè)計了一種新型的六向碰撞檢測壓力開關(guān)安裝架，使壓力開關(guān)都集中在此裝置內(nèi)，不僅可以方便檢測前后左右的碰撞，還能檢測來自草地修整機器人縱向的碰撞。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與工作原理

2.1草地修整機器人總體結(jié)構(gòu)

草地修整機器人整體主要由控制模塊1、驅(qū)動模塊2、傳感模塊3和割草模塊4等組成，如圖1所示[2]。其壓力開關(guān)安裝架屬于傳感模塊的一部分，它同時也起著連接外殼和車體的作用。

1—控制模塊；2—驅(qū)動模塊；3—壓力開關(guān)安裝架(傳感模塊)；4—割草模塊

2.2壓力開關(guān)安裝架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

壓力開關(guān)安裝架的外形是一個φ120mm×90mm的圓柱體，主要由底座、萬向轉(zhuǎn)動塊、上下移動滑桿和彈簧等幾部分組成，結(jié)構(gòu)緊湊，拆裝方便[3]，如圖2所示。為了方便檢測各個方向的碰撞，萬向轉(zhuǎn)動塊一端設(shè)計成球形結(jié)構(gòu)，與底座形成球關(guān)節(jié)連接來完成橫向運動；同時萬向轉(zhuǎn)動塊還巧妙地設(shè)計成空心結(jié)構(gòu)，可以使上下移動滑桿在萬向轉(zhuǎn)動塊內(nèi)部上下滑動完成縱向運動。

1，5，8—螺紋鏈接孔；2—上連接板；3—下壓彈簧；4—提升檢測壓力開關(guān)；6—碰撞檢測壓力開關(guān)；7—底座；9—萬向轉(zhuǎn)動塊；10—側(cè)壓彈簧；11—提升彈簧；12—提升擋板；13—上下移動滑桿；14—下壓檢測壓力開關(guān)

2.3工作原理

壓力開關(guān)安裝架的底座7通過螺紋孔連接固定在草地修整機器人車體上，上連接板2與草地修整機器人外殼相連，起到連接外殼與車體的作用，如圖1所示。草地修整機器人的外殼與車體四周存在2cm左右的空隙，外殼可以自由運動。因為外殼僅僅通過壓力開關(guān)安裝架與車體連接，所以外殼的運動就會傳遞到壓力開關(guān)安裝架上。壓力開關(guān)安裝架中的萬向轉(zhuǎn)動塊9與底座7之間是球形連接，當草地修整機器人前面受到撞擊時，外殼相對于車體往后移動的同時帶動壓力開關(guān)安裝架中的萬向轉(zhuǎn)動塊9同步運動，萬向轉(zhuǎn)動塊9就會觸發(fā)安裝在底座7側(cè)壁的壓力開關(guān)6，起到碰撞檢測的作用，當碰撞結(jié)束后通過側(cè)壓彈簧10使外殼復位。后面和側(cè)面碰撞時原理一樣。當壓下外殼時，上下移動滑桿13下行，下壓檢測壓力開關(guān)14被觸發(fā)，壓力移除時在下壓彈簧3的作用下外殼復位，這個功能可以作為草地修整機器人的急停開關(guān)。當草地修整機器人被人通過外殼提起時，萬向轉(zhuǎn)動塊9在上下移動滑桿13的帶動下上行，觸發(fā)提升壓力開關(guān)4，當草地修整機器人被放下時，外殼在提升彈簧11的作用下復位。

提升彈簧和下壓彈簧與提升擋板之間有限位槽，與萬向轉(zhuǎn)動塊和上連接板之間是平面接觸，保證萬向轉(zhuǎn)動塊側(cè)向運動時，提升彈簧和下壓彈簧不會發(fā)生彎曲變形。

3 彈簧的設(shè)計

壓力開關(guān)安裝架結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是3種彈簧的設(shè)計[4]。因為根據(jù)壓力開關(guān)安裝架的功能要求，草地修整機器人正常工作時，萬向轉(zhuǎn)動塊和上下移動滑桿是不允許產(chǎn)生位移的，以防止因草地修整機器人工作震動帶來的微小擾動而引起誤報警，這些彈簧在安裝時都有一定的預壓縮量，以對壓力開關(guān)安裝架的內(nèi)部零件起到一定的支撐作用。在受到碰撞時，要及時克服彈簧阻力觸碰壓力開關(guān)發(fā)出報警，這就需要對彈簧進行合理的設(shè)計。

3.1下壓彈簧

下壓彈簧對草地修整機器人的外殼起著支撐作用，既要保證機器人工作時外殼的穩(wěn)定性，還要確保緊急情況下按下外殼急停開關(guān)能成功觸發(fā)，對彈簧力的大小以及彈簧預壓縮量要進行精確的計算。設(shè)：P1min為下壓彈簧最小工作載荷(根據(jù)使用要求估算)；P1max為下壓彈簧最大工作載荷(根據(jù)使用要求估算)；h1為下壓彈簧工作行程(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求選取)。初算下壓彈簧剛度

設(shè)G為彈簧鋼彈性模量 (按文獻[4]表取熱軋彈簧鋼材料彈性模量G=79GPa)；D1為下壓彈簧的中徑(先按結(jié)構(gòu)要求估計，然后按表取標準值)；n1為下壓彈簧有效圈數(shù)(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求按表取標準值)；d1為下壓彈簧的鋼絲直徑。則下壓彈簧剛度

根據(jù)取值代入公式求得d1=2.08mm，按表取標準值d1=2mm。

設(shè)fj1為下壓彈簧工作極限載荷下的單圈變形量(查表fj1=3.676mm)，則下壓彈簧的節(jié)距

t1=fj1+d1=5.676(mm)

下壓彈簧自由高度H01=n1t1+1.5d1=31.38mm，按表取標準值H01=32mm。

3.2提升彈簧

萬向轉(zhuǎn)動塊通過提升彈簧產(chǎn)生的壓力與底座球面形成球形連接，壓力的大小直接關(guān)系到萬向轉(zhuǎn)動塊運動的靈敏度，既要保證草地修整機器人正常工作時萬向轉(zhuǎn)動塊運動的可靠性，又要確保抬起外殼時上下移動滑桿能帶動萬向轉(zhuǎn)動塊克服彈簧力的作用向上移動。設(shè)：R1為小端圈半徑(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計)；R2為大端圈半徑(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求設(shè)計)；n2為提升彈簧有效圈數(shù)(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求按表取標準值)；Fc為大端圈開始觸合時的變形(根據(jù)結(jié)構(gòu)要求估算)。

式中：Pc為大端圈開始觸合時的載荷(根據(jù)使用要求估算)；d2為提升彈簧的鋼絲直徑。又由

可得提升彈簧自由高度

則提升彈簧的節(jié)距t2=(H02-d2)/n2=4.667mm。

3.3側(cè)壓彈簧

求得d3=0.767mm，按表取標準值d3=0.8mm。

設(shè)fj3為工作極限載荷下的單圈變形量(查表fj3=2.098mm)，則側(cè)壓彈簧的節(jié)距

t3=fj3+d3=2.898(mm)

側(cè)壓彈簧自由高度H03=n3t3+1.5d3=30.18mm，按表取標準值H03=30mm。

4 結(jié)束語

文中設(shè)計的六向碰撞檢測開關(guān)安裝架主要利用草地修整機器人外殼的運動帶動其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的運動，從而迅速觸發(fā)相應(yīng)的壓力開關(guān)，達到碰撞檢測的目的，并能通過彈簧力的作用使碰撞后的草地修整機器人外殼復位。此安裝架不僅可以安裝在草地修整機器人上，稍加改造還可以應(yīng)用于大多數(shù)自主移動機器人。但是，目前的研究工作僅通過較為簡單的實驗驗證了其工作的可行性，要真正在實踐中體現(xiàn)其價值，還需要更多的相關(guān)試驗支撐或根據(jù)試驗結(jié)論進行改進。

[1] 李文飛.電動四輪割草機設(shè)計與研究[D].蘇州：蘇州大學，2012：43-46.

[2] 戴福國，徐興江.電動割草機綜合檢測裝置設(shè)計[J].機械工程師，2005，32(1)：29-32.

[3] 高良鳳，胡偉蓉，何向東.開設(shè)創(chuàng)新設(shè)計性實驗的實踐與探索[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2008，18(7):12-16．

[4] 秦大同.彈簧設(shè)計[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2013：30-33.

Creativedesignonthesixdirectioncollisiondetectionmountingbracketofthelawntrimmingrobot

LIU Ningfa1,ZHOU Jiping1,GAO Longqin1,KE Zhongyu2

(1.Yangzhou University, Jiangsu Yangzhou, 225127, China)(2.Yangzhou Weibang Outdoor Power Equipment Ltd. Co., Jiangsu Yangzhou, 225127, China)

Security is the premise of lawn trimming robot's work. How to detect the collision is the key problem of the lawn trimming robot's safety. In order to avoid the scattered distribution and complicated installation of the collision detection pressure switch, this paper innovatively designs a set of pressure switch mounting bracket in the integration of six direction collision detection. This method can save the production cost of lawn trimming robot and improve the market competitiveness.

lawn trimming robot; collision detection; mounting bracket; six direction movement; spring force

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.11.006

2014-10-28

揚州市-揚州大學科技合作資金計劃項目(C×201210006)

劉寧發(fā)(1988—)，男，江蘇泰州人，揚州大學碩士研究生，主要研究方向為機電一體化。

TH22

A

2095-509X(2014)11-0025-03