第一章緒論1.1課題研究背景及意義農業(yè)是國民經濟的基礎,現代農業(yè)裝備是現代農業(yè)的重要支柱。近年來,隨著設施農業(yè)﹑精準農業(yè)及高新技術的發(fā)展,特別是土地流轉與農業(yè)生產規(guī)模化﹑集約化的加劇以及人工作業(yè)成本的不斷增加,農業(yè)機器人成為替代繁重體力勞動、改善生產條件﹑提高收獲生產效率﹑轉變發(fā)展方式、降低生產成本和損耗、增強綜合生產能力的關鍵裝備,也是國際農業(yè)裝備產業(yè)技術競爭焦點之一。[1]在農業(yè)生產的過程中，雜草十分影響農作物生長。雜草通過與農作物競爭陽光、水分和營養(yǎng)等，嚴重影響作物的質量和產量。全世界雜草大約有3000多種，其中1800多種能夠影響作物的收成[2]。我國的田園雜草有1454種，嚴重危害的有130多種，其中惡性雜草37種，區(qū)域性惡性雜草96種。據2016年中國農業(yè)數據統計，我國的草害的面積發(fā)生面積高達97226ｋｈｍ２，造成糧食、棉花、油料以及其他的損失分別達到331萬ｔ、5.7萬ｔ和20.1萬ｔ、158萬ｔ[3]。因此，雜草是影響作物豐收的主要制約因素。同時雜草能夠助長病蟲害的發(fā)生，加劇病蟲災害，甚至有些雜草能夠影響人、畜和家禽的安全，因此除草是農業(yè)生產必不可少的一個環(huán)節(jié)。傳統的除草方式主要有手工除草和噴施除草劑兩種，但都有其各自的局限性。人工除草人工成本高，費力傷神還容易造成遺漏，有研究證明，人工除草常會產生35%的遺漏[4]；噴施除草劑在抑制雜草生長的同時也一定程度上影響了農作物的生長，還容易造成環(huán)境污染，對農作物的食品安全也有一定影響，而雜草的抗藥性也隨農藥的噴涂越來越強，農藥的效果越來越差。傳統的除草方式已經不能滿足農業(yè)的發(fā)展需求，農業(yè)除草機器人應運而生[5-6]。農業(yè)機器人有以下四個特點[7-9]：（1）作業(yè)的季節(jié)性：由于農業(yè)機器人大都針對農業(yè)生產某一環(huán)節(jié)，功能較為單一，因此農業(yè)機器人的使用具有較強的季節(jié)性，利用率較低，從而增加了農業(yè)機器人的使用成本。（2）作業(yè)環(huán)境復雜性：由于農業(yè)生產環(huán)境多變且無法預知，農業(yè)機器人無法同工業(yè)機器人一樣具有比較固定的作業(yè)環(huán)境。因此，農業(yè)機器人需具有適應不同環(huán)境的能力，并且能夠在不同環(huán)境中智能化完成任務。（3）作業(yè)對象的嬌嫩性和復雜性：由于農作物的嬌嫩性與復雜性，農業(yè)機器人在完成任務時，必須能適應形狀復雜、大小迥異的農作物變化情況，并且需進行柔性處理（4）使用對象的特殊性：農業(yè)機器人的使用對象是農民。一方面，農民并不具備較高的機械電子知識水平，農業(yè)機器人必須操作簡單、可靠；另一方面，由于農業(yè)生產總體利潤不高，農業(yè)機器人的價格不能超出一般農民的承受能力。農業(yè)除草機器人能夠大大節(jié)省勞動力，犯錯率低；精準噴涂除草劑能夠使其節(jié)省除草劑用量，減少對環(huán)境及對農作物的損害，也能使農作物的食品安全得到保障。1.2國內外研究現狀綜述1.2.1國外發(fā)展與研究現狀澳大利亞昆士蘭科技大學研制了一臺名為AgBotＩＩ的智能除草機器人[10]如圖1.1所示。它采用模塊化設計，由機器人平臺和除草模塊組成。除草模塊分為機械除草和噴霧除草模塊，它是可拆卸和可互換的。AgBotＩＩ采用電力驅動，當電力不足時，能自動到附近太陽能充電站充電。AgBotＩＩ有自己的可快速部署的雜草分類系統，能夠在沒有先前的雜草物種信息時進行識別，且具有植物物種特異性處理系統，能夠根據雜草種類有選擇性地應用機械或是化學控制方法。圖1.1AgBotＩＩ除草機器人圖1.2Adigo智能除草機器人挪威科技大學的Utstumo等人研制了一臺基于機器視覺的定靶噴藥的智能除草機器人Adigo[11]如圖1.２所示。該機器人采用三輪驅動，主要是針對行種胡蘿卜的精準除草。它的雜草控制采用按需滴注的方法，將除草劑控制在單個液滴，其設有２８個噴嘴，噴嘴之間的橫向間距為6ｍｍ，分辨率為0.8/ｓ，操作寬度為168ｍｍ。試驗表明，按需滴注法與普通噴灑法相比，可以節(jié)省除草劑73％～95％，不僅節(jié)約了大筆成本，還保護了環(huán)境，這也是精準農業(yè)的重要研究領域。德國Deepfieldrobotics公司研發(fā)了一款具有學習機制的Bonirob除草機器人[12]如圖1.3所示。研究人員向Bonirob分別展示大量標記為“good”的健康植物的葉子圖片和標記為“bad”的雜草圖片，Bonirob會將信息存儲在它的信息庫中，工作時根據葉子的顏色、形狀和大小來判斷植物的好壞并決定是否要留下或清除。不斷地重復同種植物的新圖像，Bonirob的判斷能力也會與日俱增。通過甜菜與雜草分類的試驗表明，其分類系統通過基于關鍵點和基于對象的方法相結合，在相對較短的時間內提供準確的分類結果。圖1.3Bonirob除草機器人圖1.4稻田除草機器人日本的研究人員Sori等人研制了一臺適用于稻田除草的機器人[13]如圖1.４所示。其配備電容式觸摸傳感器，用于水稻幼苗的檢測，當傳感器接觸水稻幼苗時，傳感器電容改變，轉換成電壓值輸出。同時，裝置方向傳感器，它輸出機器人的方位角在0°～360°之間的運動方向。它的除草方式是機器人在跨越一排水稻幼苗的同時進行雜草控制，利用攪拌土壤并將水攪拌起來以防止陽光到達它們，從而通過阻礙光合作用來殺死雜草。除了上述幾種智能除草機器人，還有幾種除草機器人也較為出色：Oz除草機器人、Dino除草機器人、ecoRobotix太陽能除草機器人、Tertill智能除草機器人等。1.2.2國內發(fā)展研究現狀與國外相比，國內對于智能除草機器人的研究發(fā)展起步較晚，品種門類較少，競爭力較差，整體技術水平也比較低。黑龍江八一農墾大學的郭占斌研制出一種彈齒式苗間中耕鋤草機[14]如圖1.5所示。該機器改善了中耕除草機在使用過程中對作物苗傷害嚴重，株間雜草鏟除效果不佳，及藥物除草對動、植物的危害等問題，集鋤草、培土、深松于一體，傷苗率不超過，可應用于大豆、小豆、玉米、甜菜、馬鈴薯等多種農作物的定期鋤草。圖1.5彈齒式苗間中耕鋤草機圖1.6彈齒式苗間鋤草機劉天祥等人在該鋤草機的基礎上進行了改進，設計了一種新式的彈齒式苗間鋤草機[15]如圖1.6所示。該機器傷苗率不超過2%，而且適應性較強，可對大豆、小豆、玉米、甜菜、馬鈴薯等農作物進行定期除草作業(yè)。此外，黑龍江八一農墾大學的馬永財等人設計了中耕苗間除草單體機構如圖所示，通過田間試驗驗證了該機器工作性能良好，苗間雜草除凈率大于75%，傷苗率小于5%。黑龍江省農業(yè)機械工程科學研究院的魏兆凱等人設計了一種新型大豆苗間除草松土機[16]如圖1.7所示，可對大豆、蕓豆、土豆和玉米等中耕作物進行間苗除草松土與苗前滅草，該機器除草率大于85%，作物損傷率小于3%。圖1.7大豆苗間除草松土機圖1.8水平圓盤式苗間除草裝置東北農業(yè)大學的韓豹與吉林大學的吳文福等人設計了一種水平圓盤式苗間除草裝置[17]如圖1.8所示。該機器改善了機械除草過程中除草率低、傷苗嚴重，且作物株間以及秧苗附近的雜草難以產除等問題，當苗帶被近似菱形的齒跡梳理后，有以上的雜草被鋤草齒鋤掉并拋至壟側曬枯或被掩埋。田間試驗結果表明，苗間除草率大于78%，傷苗率低于5%,能夠滿足大田作物苗間機械松土和除草的農藝要求。韓豹等人還設計了一種適合玉米和大豆作物株間作業(yè)的組合梳齒式除草機構，此外，東北農業(yè)大學的秦麗元等人發(fā)明了一種中耕除草松土機；江蘇大學的陳樹人等人設計了一種適合作物株間作業(yè)的八爪式機械除草裝置；江蘇大學的劉繼展等人發(fā)明了一種激光除草機器人；華南農業(yè)大學的胡煉、羅錫文等人設計了一種基于爪齒余擺運動的株間機械除草裝置和一種橫擺式株間除草裝置；化南農業(yè)大學的齊龍等人設計復合式水田除草器；張濱等人研制了一種水田除草機器人；南京林業(yè)大學的陳勇等人研制了一種適應于行播農田的除草機器人和一種高效智能除草機器人；北京林業(yè)大學的吳健等人設計了一種自動可視除草機器人；東北農業(yè)大學的王金武等人設計了一種適用于水稻田的苗間除草裝置；中國農業(yè)大學的張春龍、李偉等人設計了一種智能鋤草機器人。我國國內雖然對于智能除草機器人的研究發(fā)展起步較晚，品種門類較少，競爭力較差，整體技術水平也比較低，但正快步追趕世界強國，推陳出新，不斷有自己的一些新創(chuàng)新，終會趕超他們。1.3課題來源本課題來源于江蘇省先進機器人技術重點實驗室項目（JAR202003）以及福建省科技計劃引導性項目（2020Y0014）。1.4論文研究內容末端執(zhí)行器是農業(yè)除草機器人的關鍵部件，直接影響著農業(yè)除草機器人的工作效率。本文是在查閱大量國內外相關文獻資料的基礎上，分析當前現有國內外農業(yè)除草機器人的優(yōu)缺點，并對當前國內較先進的農業(yè)除草機器人調研，以理論分析結合實驗研究的方法對農業(yè)除草機器人的重要組成部分——刀具部件進行了設計和研究。本文采用理論分析設計、SolidWorks建模、SolidWorks運動仿真分析、SolidWorks有限元分析的研究方法，對以下內容展開了研究：在調研和理論研究的基礎上，結合實驗的方法對農業(yè)除草機器人的刀具進行了選擇，其中包括：材料的選擇、轉速的選擇、行進速度的選擇、刀盤直徑的選擇等。參考前輩設計的刀具對刀具進行設計以及自我創(chuàng)新，并使用SolidWorks對設計的刀具進行建模。使用SolidWorks對已建立模型的刀具進行運動軌跡分析，得出其刀尖運動軌跡圖。使用SolidWorks對已建立模型的刀具定義材料屬性，得到質量分析圖；對已建立模型的刀具進行有限元分析中的靜應力分析，得出其應力云圖及位移云圖。第二章農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器設計2.1刀具選擇研究與分析2.1.1刀具類型選擇常見農業(yè)除草機器人中的切割器一般分為往復式[18]和回轉式[19]兩種。往復式切割器的原理是利用動刀片與定刀片之間的往復的剪切運動將雜草切斷，其結構簡單，適應性較廣。它能適應一般或較高作業(yè)速度（6-10km/h）的要求，工作質量較好。但其動刀片作往復運動時會產生一定的沖擊載荷和慣性力，振動較大，對割臺及切割器自身部件的壽命造成影響；由于切割時間長和莖稈有多次切割現象，則切割不夠整齊。圖2.1為幾種常見的往復式切割器類型：（a）標準型（b）雙刀距行程型（c）低割型（d）中間型（e）雙動割刀型。(a)(b)(c)(d)(e)圖2.1往復式切割器2.回轉式切割器作旋轉運動，其切割速度高、運轉平穩(wěn)、振動小、較少出現故障，但其割幅受到圓盤直徑的限制，通常不超過1.5m。此外，回轉式切割器最大的缺點是圓盤形的動刀壽命較短，維修費用較高，因此目前圓盤式切割器的使用較少。圖2.2為幾種常見的回轉式切割器：(a)直線型(b)曲線型(C)光刃圓盤型(d)鋸齒圓盤型(e)行星回轉型(f)星齒型。(a)(b)(c)(d)(e)(f)圖2.2回轉式切割器認真研讀過許多文獻后決定選擇設計回轉式切割器，參考前輩所設計的刀具進行自我創(chuàng)新設計。2.1.2刀具的技術要求我此次設計的作業(yè)末端執(zhí)行器由三個部分組成：刀盤、刀柄和刀片。本次設計的作業(yè)末端執(zhí)行器是一個小型刀具，刀盤直徑為100mm，厚度為10mm；刀柄長度為81mm，寬度為10mm，厚度為8mm；刀片長度60mm，寬度為9.5mm，厚度為1mm；整個刀具直徑為265mm。刀柄、刀片數量為四。刀盤、刀柄所選擇的材料為合金鋼。刀片所選材料為65Mn。2.1.3刀具的設計及建模刀盤為直徑100mm，厚度10mm的圓盤，中間設計了一個直徑20mm的圓槽作為連接刀架的部位。刀柄長度為81mm，寬度為10mm，厚度為8mm，成45度角與刀盤連接。刀柄上挖出一個深度為1mm的凹槽作為放置刀片的位置。刀柄上打出三個圓孔，打上螺紋線，通過螺栓將刀柄和刀把進行固定。刀片長度60mm，寬度為9.5mm，厚度為1mm。以下圖2.3（a～e）是我所設計的農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器的建模圖。（a）（b）（c）（d）（e）圖2.3農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器的建模圖2.1.4刀具的設計思路及選材（a）刀具選材思路：此設計中刀盤、刀柄選用合金鋼考慮到合金鋼有較強的強度和韌性，不易變形、開裂，應用范圍廣；刀片選用65Mn主要考慮到65Mn有較強的耐強酸、強堿性，作為刀片比較合適[20]。（b）選擇用刀柄連接刀片的思路：此設計中選擇使用刀柄連接刀片主要考慮到成本問題，將刀盤直徑減小，延伸出刀柄，所需材料遠遠少于使用完整刀盤，可以大大較少成本；同時也能減輕重量，降低馬達要求及耗電量。（c）選用長刀片的思路：此設計中使用較長的刀片主要是為了增加切割面積，減少漏割率。（d）選用四個刀片的思路：此設計選擇四個刀片主要考慮到刀片數量的增多有利于減少漏割率，四個刀片也有利于刀具切割時的平衡；但刀具過多對減少漏割率效果有限，同時也浪費材料，因此我選擇了使用四個刀片。（e）刀片和刀柄選擇與刀盤成45度角的思路：與此設計中刀柄和刀片選擇與刀盤成45度角的原因主要考慮到以下四點：首先考慮到切割效率問題，在研讀文獻中有文章對不同角度刀具切割枝條進行仿真分析，結果顯示45度角切割枝條效率最高[21]，因此我做的切割雜草原理相同，也選擇刀柄和刀片與刀盤成45度角進行切割；其次是考慮到成45度角切割時相比平行切割時切掉的雜草更多，所剩余的雜草更少，對農作物的生長更有利；再者考慮到切割雜草時刀片難免沾有雜草的汁液等，刀柄和刀片與刀盤成45度角不易殘留汁液，有利于刀片的保養(yǎng)，增加刀片的使用壽命；最后還考慮到的是安全問題，成45度角讓使用者在使用后清潔時更加安全，不會一不小心刀頭刀背沒分清導致割傷。（f）使用可拆卸刀片的思路：此設計選擇刀柄與刀片通過螺栓連接主要考慮到刀片是旋轉切割過程中較容易損壞的部位，出現缺口時經常需要更換，我選擇通過螺栓連接使刀片變成可拆卸的部分，刀片出現損壞時可以直接更換單個刀片而非整個刀具進行更換，大大節(jié)約了維護成本。2.2本章小結本章通過研究各部件的改進方向，對比分析后逐個設計并確定出各部件的結構參數，最終再將各部件組合的形式，完成了農業(yè)除草機器人作業(yè)末端執(zhí)行器的設計以及三維圖形的建立，并解釋了我的設計思路及選材。第三章農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器運動仿真分析3.1Solidworks軟件介紹SolidWorks軟件是由美國SolidWorks公司推出的一款具有十分強大的功能的三維建模設計軟件，自1995年它的初代軟件推出以來，由于其性能穩(wěn)定且強大，上手簡單，極具創(chuàng)新性，大大提高了機械學習者的工作效率，成為機械行業(yè)不可或缺的一款軟件，在同類軟件中處于頂端位置，成為了三維建模設計軟件的標桿。該軟件還配備了豐富的VBA接口，也可以滿足一部分的編程需求[22-23]。3.1.1運動分析所需功能及插件SolidWorks軟件具有極為豐富的功能，是一個綜合性軟件，具有許多功能各異的模塊，每一個模塊都有著各自獨立的功能，能夠滿足各方面的需求。使用者可以根據自身需要任意調用其中的一個模快。本次運動分析時主要用到的模塊為：草圖繪制模塊、零件設計模塊、裝配模塊、運動仿真分析模塊。(1)草圖繪制模塊草圖繪制就是利用各種曲線繪制出符合需要的二維圖形[24]。(2)零件設計模塊零件模塊用于創(chuàng)建和編輯三維模型，就是將利用草圖模塊繪制完成的二維圖經過拉伸、切除、旋轉、倒角、鏡像等處理，得到一個三維零件圖[25]。(3)裝配模塊裝配就是將各個設計出的零件通過確定各個零件的相對位置以及各個零件之間所需的配合來形成一個大的裝配體，裝配模塊為零件之間的定位提供了便捷的方法，可以很簡單地確定各個零件之間的位置關系[26]。(4)運動仿真分析模塊及SolidWorksMotion運動分析插件SolidWorks中的Motion插件可以對機構的運動狀態(tài)做機構的運動和運動學分析，裝配體建成后需要對其進行運動分析，在SolidWorksMotion中，所有零件都可以視為剛體，即在運動分析過程中，這些零件都不會發(fā)生變形，于是可以利用SolidWorks的運動算例功能對其進分析，選擇其中的Motion分析插件，拖動裝配體鍵碼，添加馬達、轉速等參數進行計算，最終的到速度加速度圖，并由此進行結構的優(yōu)化[27-30]。(5)強度校核模塊及SolidWorksSimulation有限元分析插件SolidWorksSimulation是基于有限元技術的強度分析軟件，易學易用、簡潔直觀，可以很好地對裝配體進行應力分析、頻率分析、屈曲分析、熱分析和優(yōu)化分析等，可以根據計算后的校核云圖得到裝配體中最容易出現失效的部位，以便對此部位進行強度優(yōu)化，可以分為以下幾個關鍵步驟：三維模型的簡化、參數的設置、模型的離散化、算例運算求解以及結果分析，但實驗總會存在誤差，Simulation也不例外，這些關鍵步驟每一步都會或多或少地引起誤差，這些誤差會不斷累積，從而對結果產生一些影響[31-32]。3.1.2solidworks運動分析本設計運用SolidWorks對三維模型進行運動分析，可以分為設置各零件之間配合、設置仿真條件（機構所受力、速度等）、求解機構運動規(guī)律得到速度、加速度圖像。（1）設置配合配合是指各個零件之間的相對運動關系，配合完成后，當拖動整體機構中的一個零件時，其余零件會隨之運動，形成一個相互關聯的運動。（2）設置仿真條件仿真條件就是對機構添加一些必要的受力，對于本次設計的農業(yè)除草機器人作業(yè)末端執(zhí)行器，刀具上需要設置旋轉馬達，并給他一個線性馬達，使他能夠正常模擬運動還有就是設置機構的材料屬性。（3）求解運動規(guī)律對運動算例進行求解，得到刀尖運動軌跡的分析圖像。3.2刀具行進速度與轉速的確定本次刀具行進速度與轉速的確定我采用的方法是：先通過所研究的文獻分別了解刀具行進速度及轉速正常的取值范圍，在正常范圍內取值后,再通過機具前進速度與不漏割條件公式進行驗證所取行進速度與轉速是否合理。我所選擇的刀具前進速度為1000（mm/s）；轉速n=2000（rpm/s）機具前進速度與不漏割條件的公式為：Vj=(mhVg)/πD，也可以寫作：Vg/Vj≥πD/mh其中Vg：刀尖速度；Vj：前進速度；m:刀片數；h：時間；其中Vg=nπD則Vj=mhn轉速n=2000（rpm/s）；直徑D=265mm；刀片數m為4個；時間為1s則當Vjmax≤mhn=8000（mm/s）時不漏割我取的刀具前進速度為1000（mm/s）符合條件3.3刀尖的運動軌跡分析刀具的運動分析：將刀具及其連桿采用SolidWorkMotion分析，通過求解后得到刀具運動軌跡如圖3.1所示。刀具及其連桿的運動分析：將刀具及其連桿采用SolidWorkMotion分析，通過求解后得到刀具運動軌跡如圖3.1所示。圖3.1圖3.2線性速度圖圖3.3線性位移圖求解后得到的線性速度和相對起始圓心的線性位移如圖3.2、圖3.3所示。對構件進行運動分析，可以得到其運動軌跡，線性速度和線性位移的運動狀態(tài)。由圖3.1可知刀具運轉平穩(wěn)，符合工作需要。由圖3.2中的線性速度曲線可知，0s-0.01s區(qū)間速度變化較大，0.01s-0.9s區(qū)間速度較穩(wěn)定，符合刀具的運動特性。由圖3.2中的線性位移曲線可知，曲線成波浪型逐漸增大，符合運動狀態(tài)。綜上所述，本機構運動性能良好，符合工作要求。3.4本章小結本章運用SolidWorksMotion對刀具及其連桿進行了運動仿真分析,了解了刀具的大概運動軌跡以及得到了刀具運動的線性速度及線性位移圖像。結果表明，本次設計的農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器運動過程合理，滿足運動要求。第四章運用Simulation有限元分析進行強度校核4.1Simulation有限元分析本次強度校核用到的是SolidWorks中的Simulation有限元分析插件。基于SolidWorks的Simulation有限元分析插件：SolidWorks中的Simulation插件可以很好地對裝配體進行強度校核，可以根據計算后的校核云圖得到裝配體中最容易出現失效的部位，以便對此部位進行強度優(yōu)化，主要環(huán)節(jié)有：三維模型的簡化、參數的設置、模型的離散化、算例運算求解以及結果分析[33-34]。運用SolidWorks中Simulation有限元分析進行機構靜力學分析可得校核云圖，需合理設置材料屬性來保證機構強度和控制機構重量，必要時可修改部分尺寸來獲得合理強度。4.2關鍵部件強度校核4.2.1定義材料屬性刀具在旋轉切割過程中會受到受到離心力的影響，選用的材料既要可以承受較大的沖擊力和擠壓力，也要保證能夠抵抗彎曲變形，因此刀盤、刀柄選用合金鋼比較合適，合金鋼可以承受較大的沖擊力和擠壓力，不易變形、開裂，應用范圍廣。刀具在旋轉切割過程中，刀片會受到雜草的作用力引起道具的磨損，所以刀具的材料應該保證耐磨、耐沖擊，我認為65Mn較為合適，65Mn既有較強的強度和韌性，也有較強的耐強酸、強堿性。由此得到質量評估圖如4.1：圖4.1質量評估圖4.2.2靜應力分析使用SolidWorkSimulation分析步驟如下：1.設置好零部件接觸；2.設置好應用材料；3.進行夾具設置，設置圓盤中心為固定幾何體；4.因為刀具旋轉時為刀尖受力，故給予刀尖一均布載荷（共50N）；5.對模型進行適當網格化；6.運行靜應力分析算例。運用SolidWorkSimulation分析求解結果如圖4.2，圖4.3。圖4.2應力云圖圖4.3位移云圖從上述有限元分析圖4.2中，我們得到了刀具中會受到的最大應力值為4.205×106Pa，受到最大應力的部位是刀柄根部。我刀柄選用的材料是合金鋼，可以從軟件上顯示的數值查到這種材料的屈服強度為6.204×108Pa，假定安全系數為2.5，那么根據安全系數計算公式：=2.48×108Pa從公式中可以得到許用應力為2.48×108Pa，最大應力值4.205×106Pa遠小于許用應力2.48×108Pa，故表明刀具還有很大受力的空間，從而表明該材料使用合理。材料屈服強度圖為下圖4.4：圖4.4材料屈服強度圖（b）從上述有限元分析圖4.3中，我們得到了刀具中的最大形變量為1.098×10-2mm，最大變形量的部位為刀尖處。4.3本章小結本章利用SolidWorksSimulation插件對農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器進行有限元分析，分析結果表示強度足夠。因此，本設計的農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器是合理的，滿足工作要求。總結與展望總結在本次設計過程中，運用SolidWorks軟件對刀具進行建模，并且利用軟件內置的Motion分析和Simulation有限元分析插件對刀具進行了運動分析和靜應力分析。現將本次設計的主要內容介紹如下：1.通過了解農業(yè)機器人的基本工作原理以及刀具設計的一些基本的要求，結合導師要求的條件，確定了農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器的總體結構設計方案，利用SolidWorks三維建模軟件進行建模，并且通過計算確定了刀具的轉速與行進速度，得到了較為理想的一個可以工作的刀具方案。2.運用SolidWorks中的Motion分析對已經繪制好的三維模型進行運動分析，得到刀具的刀尖運動軌跡圖，保證刀具符合設計運動要求。3.利用SolidWorks中的Simulation插件對刀具的三維模型進行靜應力分析，根據刀具受力云圖的情況對各個部件的材料、尺寸等進行優(yōu)化，使之符合最初的設計要求。4.至此，基本的工作已經完成，在確保滿足各項力學性能以及使用要求的情況下也適當考慮經濟性原則和工藝性原則對農業(yè)機器人作業(yè)末端執(zhí)行器進行最后的優(yōu)化。展望由于時間和能力水平有限，課題的研究在一些方面還存在不足，以后的研究可以圍繞以下幾個方面開展。（１）本文刀具在設計時對刀具進行了一些自己的設計與完善，但考慮的方面較為單一。本人認為在重割率、漏割率等方面，可以通過交叉對比或其他方式對刀具進行進一步的設計、研究和論證。（２）通過軟件的模擬，對刀具切割雜草時的碰撞過程進行合理的分析，更加準確的測量刀片與雜草碰撞切割過程中刀片的受力。（３）通過進一步的研究，預測在修剪不同品種的雜草時，刀片的工作時間壽命。參考文獻[1]ZhaoJingjuan,YangYanping,ZhengHuaiguo,DongYu.GlobalAgriculturalRoboticsResearchandDevelopment:TrendForecasts[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2020,1693(1).[2]張文莉,陳樹人,褚德宏.除草機器人研究現狀與趨勢[J].農業(yè)裝備技術,2015(2):6-10.[3]中華人民共和國農業(yè)部．中國農業(yè)統計資料(2016)[M].北京:中國農業(yè)出版社,2017.[4]SlaughterDc，GilesDK，DowneyD.Autonormousroboticweedcontrolsysterms:areview[J].Cormputers&ElectronicsinAgriculture，2008,61(1):63-78.[5]蘭天,李端玲,張忠海,于功敬,金勛俊.智能農業(yè)除草機器人研究現狀與趨勢分析[J/OL]計算機測量與控制:1-7[2021-05-05]./kcms/detail/11.4762.TP.20210301.0933.026.html.[6]孫君亮,閆銀發(fā),李法德,董巖,郭家樂,宋占華.智能除草機器人的研究進展與分析[J].中國農機化學報,2019,40(11):73-80.[7]趙勻.農業(yè)機器人的研究進展及存在的問題.農業(yè)工程學報，2003，19（1）：1-4.[8]方建軍.移動式采摘機器人研究現狀與進.農業(yè)工程學報，2004，20（2）：273-275.[9]田素博.國內外農業(yè)機器人的研究進展.農業(yè)機械化與電氣化，2007（2）：3-5.[10]HallD.DayoubF,KulkJ,etal.Towardsunsupervisedweedscoutingforagriculturalrobotics[C]//IEEEInternationalConferenceonRobotics&Autornation.IEEE,2017.[11]UtstumoT，UrdalF，BrevikA，etal.Roboticin—rowweedcontrolinvegetables[J].ComputersandElectronicsinAgri-culture，2018，154:36-45.[12]LottesP，H?rferlinM，Sanders.etal.Effectivevision—basedclassificationforseparatingsugarbeetsandweedsforprecisionfarrning[J].JournalofFieldRobotics，2017，34(6):1160-1178.[13]SoriH，InoueH，HattaH，etal.Effectforapaddyweedingrobotinwetriceculture[J].JournalofRoboticsandMecha-tronics，2018,30(2):198-205.[14]汪春,張錫志,衣淑娟,等.水稻育秧氣吸式播種機的試驗研究[J].機械設計與制造,2006(04):103-105.[15]劉天祥,張穎,韓霞,等.彈齒式苗間鋤草機的改進設計[J].農機化研究,2010,32(002):107-109.[16]魏兆凱,張修春.大豆苗間除草松土機的設計[J].農機化研究,2009,31(006):83-86.[17]韓豹,吳文福,申建英.水平圓盤式苗間除草裝置試驗臺優(yōu)化試驗[J].農業(yè)工程學報,2010(02):142-146.[18]桑中天.農業(yè)機械學[M]﹑北京:機械工業(yè)出版社