基于模塊化的小體量割草機器人設計

柯宇 王欣怡 王 旭

（電子科技大學成都學院 智能制造工程系，成都 611731）

隨著城市化進程的不斷加速和人們生活水平的不斷提高，越來越多的人開始注重綠化場所的建設和維護。例如，國家規定校園綠化率不得低于35%，且球場草坪的維護標準逐漸提高，導致校園綠化維護難度加大。同時，公共場所的綠化率也在大幅提高，因此研究專業的除草設備具有廣闊的市場前景。

近年來，國內各大高校和企業加大了割草機器人的研究和開發力度。2020 年，宋黎明等以STM32 為主控制器，結合無線傳感技術，提高了草坪修剪機器人的修剪效率[1]。2022 年，周紅宇等設計的智能割草機器人，利用人體工學為用戶帶來更好的使用體驗，并搭載了攝像與錄像設備，可以記錄工作時的狀態，方便用戶查看[2]。2023 年，張旭東等為割草機增加了避障、報警和自適應割草等功能，提高了割草效率[3]。從這些研究來看，研究內容主要聚焦于自動化程度的提升及便捷的人機交互系統。現有割草機功能設計集中、機型大，不便于根據場景更換刀具去適應不同情況下的工作。基于此，設計一種模塊化小體量割草機，對各項功能單位進行拆分設計，使其能夠搭配多種不同標準的刀具，割除不同情況下的不同草類。

1 總體設計思路

在割草機器人設計中，涵蓋的專業領域較廣泛，主要包括機械結構、智能控制系統、串口通信和傳感器技術等。基于多場景應用模塊化的設計原則，擬定對應的功能來完成機器人整體的結構布局，從機械結構和控制系統兩個方面進行總體設計。機械結構的行進模塊通過防滑和減震設計來適應復雜的地形，刀盤升降結構根據草的高度進行升降調節，刀盤本體具有獨特結構，可根據不同情況進行更換。控制系統通過主控模塊和避障模塊進行自動路徑規劃和障礙物避讓，并通過自動升降模塊自動調節割草高度。模塊化割草機器人設計框圖，如圖1 所示。

圖1 麥佛遜懸掛支架

圖1 模塊化割草機器人設計框圖

圖2 減震器

圖3 三角形下擺

2 割草機器人結構設計

2.1 行進模塊設計

行進模塊是機器人的運動結構。在該模塊設計中，主要考慮機器人的工作場景為草坪，普通的輪式結構無法確保其像在平地上一樣平穩行進。因此，行進模塊的設計主要從懸掛機構和系統框架兩個方面進行。

2.1.1 懸掛機構設計

為適應崎嶇的草坪地面，確保機器人在割草時的運行平穩性，采用具有減震性能良好、質量輕、反應速度快、空間利用率高以及平順性高等特點的麥弗遜式獨立懸掛機構[4-5]。該懸掛機構主要由麥弗遜懸掛支架、減震器、三角形下擺和輪胎組成，分別如圖1～圖4 所示。在輪胎設計中，安裝片狀橡膠防滑帶，以減少打滑的情況。麥弗遜式獨立懸掛機構總體裝配，如圖5 所示。

圖4 輪胎

圖5 麥弗遜懸掛輪組

2.1.2 系統框架設計

機體框架是支撐和連接各個功能部件的中心構件，設計上應使其具備一定的承載能力，并且兼顧良好的緩沖能力。車體框架采用壁厚為2 mm 的T6061-T6 鋁合金鋼管，通過角碼銜接而成。為檢驗框架能否承受機器人各部分傳遞的載荷以及強度是否滿足要求，對該結構進行靜強度有限元分析，結果如表1 所示。

表1 強度性能分析結果

由表1 可知，機體框架承受的最大主應力為56.602 MPa，小于材料的屈服應力，即強度性能良好，證明該結構設計基本合理。機體框架三維模型如圖6所示，行進模塊總裝如圖7 所示。

圖6 機體框架

圖7 行進模塊總裝

2.2 刀盤升降結構設計

為控制割草高度，設計了刀盤升降結構。該結構主要由電推桿提供驅動力，通過電推桿的伸出和收回傳動到主連桿和副連桿，副連桿繞固定點運動，最終帶動刀盤上升和下降。通常情況下，草坪上常見植物的割除高度為2～6 cm，草類每個修剪周期的生長高度為5～10 cm[6-7]。為了防止割草機在運動過程中出現底盤卡住，造成刀具受損等問題，還需要考慮園區內減速帶的高度。按照標準規定，減速帶高度不得超過5 cm，因此可以確定刀盤的升降范圍為0～8 cm，電推桿行程為100 mm。升降結構三維圖，如圖8 所示。

圖8 升降結構三維圖

2.3 刀盤設計

刀具是除草機器的核心部件，也是決定機器人割草效率的關鍵。在刀具類型的確定中，選擇在農田、果園及草坪等場景下割草效率較高的旋轉式刀具[8]。根據通用旋轉式刀具的安裝特點，設計可快速更換的刀具連接結構。旋轉式刀具的種類和特點如表2 所示。

表2 刀具種類及特點

為適配表中的刀具，將不同刀具安裝到割草機上，需要設計一個可以調節孔徑大小的刀盤連接頭，如圖9 所示。該結構的弧形撐桿和固定桿套選用不銹鋼制作，調節旋蓋由PETG 熱塑性聚酯材料打印而成。順時針旋轉調節旋蓋，通過斜面齒將弧形撐桿旋出，6 個弧形撐桿所支撐的孔徑逐漸變大。該結構撐桿可調節孔徑為15～30 mm，滿足表中刀具種類的安裝要求。割草機器人總體裝配效果，如圖10 所示。

圖9 刀盤連接頭

圖10 割草機器人總體裝配效果

3 割草機器人控制系統設計

3.1 系統總體布局

割草機器人工作時，控制系統需要實現數據傳輸、定位、避障、路徑規劃以及刀具控制等功能。根據功能和結構相統一的原則，系統的主要模塊如下。第一，主控單位。主控單位是整個割草機器人控制系統的核心，負責控制和協調各個模塊的協同工作。它通過接收來自模塊的數據進行數據處理和分析，然后制定相應的控制策略，并將指令發送給其他模塊。第二，定位模塊。割草機器人需要準確確定自身位置，以便劃分工作區域和規劃路徑。采用全球定位系統（Global Positioning System，GPS）獲取機器人當前的位置信息，通過將定位數據傳輸給主控單位，機器人可以準確確定自己的位置坐標。第三，藍牙模塊。藍牙模塊用于實現與用戶之間的數據傳輸和通信，用戶可以通過藍牙模塊發送指令，調整工作模式、切換區域或者監測機器人的工作狀態。第四，驅動模塊。驅動模塊負責控制機器人的移動和轉向，通常由電動馬達和相應的驅動電路組成，通過接收主控單位發送的指令，控制車輪運動。第五，電源模塊。電源模塊為整個割草機器人系統提供電能，需要滿足機器人系統的功耗需求，并能夠長時間提供穩定可靠的電源。第六，傳感模塊。傳感模塊負責感知周圍環境并將感知數據傳輸給主控單位。通過感知模塊，機器人可以探測到周圍的障礙物，并根據感知數據做出相應的避障策略。控制系統整體布局，如圖11 所示。

圖11 控制系統整體布局

3.2 主控單位的類型確定

控制系統采用STM32F103ZET6 作為主控芯片，該芯片具有性能高、成本低、功耗小、應用靈敏性高、快速計算和響應復雜數據等特點，能夠在多個設計中反復使用相同的軟件。它具有144 引腳，閃存容量達512 kB，主頻可達72 MHz，可在-40～85 ℃環境下工作，供電電壓為直流6～12 V，針腳5 V 輸入。

3.3 驅動模塊設計

割草機器人的驅動模塊主要包括輪組電機、刀盤電機和升降電機。輪組電機用于控制機器人的行進方向和速度，需要力矩大且能夠實現無級調速的電機進行驅動，因此選擇36GP-3650 無刷直流減速電機作為輪組驅動電機。該電機驅動電壓為24 V，功率為18～30 W，轉速為570 r·min-1，且該電機內置驅動板，無須外接驅動板，具有高集成性特點。刀盤電機控制割草刀盤的轉動，需要達到割草的額定轉速2 000～3 000 r·min-1，因此選擇57BL55S06 電機，驅動電壓為24 V，功率為60 W，最大轉速為3 000 r·min-1。升降電機選擇直流電推桿，行程為100 mm，驅動電壓為24 V，伸縮速度為5 mm·s-1，推力為2 000 N。

3.4 傳感模塊設計

割草機器人在作業時，需要使其按照既定的方向行進。為保證運動方向的準確性，在傳感模塊的設計中，使用電子羅盤獲得方向信息，確保機器人能夠按照預定軌跡行走。同時，為了準確實現定位，在定位模塊的設計中采用GPS 定位模塊輔助機器人完成定位。在機器人行進過程中，由于草坪環境較為復雜，難免會遇到障礙物，采用超聲波測距傳感器作為避障模塊，實現遠程避障的功能。機器人在割草作業中，使用陀螺儀控制機器人在割草作業中根據地形起伏，計算偏移角度，控制刀盤的高度調節。傳感模塊選型及配置，如表3 所示。

表3 傳感模塊選型

3.5 電源模塊設計

選擇割草機電源需要考慮電池類型、電池容量、電壓穩定性、電池的質量和體積以及電池的成本，以確保電源系統的穩定性和性能。根據電機的選型及以上要求，通常需要較高的電壓以提供足夠的功率來推動割刀。一般選擇標稱24 V 鋰電池，容量為10 A·h，質量為1.5 kg。該電池能量密度高，相較于其他種類電池具有較輕的質量，提高攜帶和操控的便利性，而且壽命較長，能夠減少電池的更換頻率，從而降低維護成本。

4 系統性能測試

為驗證所設計的小體量割草機的可行性，評估機器的功能和性能，保證系統的穩定性和安全性，需要對割草機進行系統性能測試，主要從4 個方面開展。第一，數據的采集和分析。測試割草機器人在不同條件下的割草性能，如平地、坡地，記錄割草機器人的工作時間、割草面積和割草效率等，然后對采集的數據進行性能指標和統計分析。第二，系統穩定性測試。測試割草機人在工作多小時后的穩定性，模擬不同的路況和地形，觀察機器人的定位和運動性能，模擬碰撞、遇到障礙物以及在不同草坪高度中的安全性和穩定性。第三，響應速度測試。測試割草機器人對指令信號的響應速度，遇到邊界時的反應能力和反應速度，評估割草機器人是否能夠及時、準確地調整路徑。第四，割草效果評估。觀察割草高度和割草軌跡，測量割草面積和割草質量，與傳統割草效果進行優勢和不足的比較。性能測試結果如表4 所示。

表4 割草機器人系統性能測試結果

從表4 中測試值和預期值的比較來看，雖然割草寬度、割草效率、行進速度等參數與預期值存在一定的偏差，但是偏差較小，處于合理范圍內。因此，可以認為該機器人的設計基本達到預期目標，結構設計合理。

5 結語

從割草機的機構設計與控制系統設計開始，根據實際應用場景和當前割草機的不足完成行進模塊設計，使用獨立懸掛系統實現割草工作的穩定性。通過刀盤升降結構設計來調節割草高度，刀盤設計采用獨特結構完成不同刀具的轉換裝配。通過對割草機器人的性能測試，驗證了設計方案的合理性，為后續的優化設計奠定了基礎。