学号

姓名

专业

机械设计制造及其自动化

年级

班别

机自专升本

毕业论文（设计）题目

轮式割草机器人的设计与仿真

拟完成时间

2024年5月10日

指导教师姓名

及职称

题目类型

R设计开发 £应用研究 £理论研究 £其他

命题来源

£教师命题 £生产实际（社会实践） £教师科研课题R学生自拟

是否在实验、实习、工程实践和社会调查等社会实践中完成

否

一、选题依据及意义

随着科学技术的进步和城市绿地覆盖率的增加，以及人们对草坪维护作业的不断重视，由传统的半自动化割草机械逐步向自动化方向发展，进而孕育出智能化的割草机器人。相比于传统割草器械，割草机器人不但操作更简便、割草工作效率更高，同时还能够自动完成割草任务，降低了劳动力与时间成本，还具备了环保、安全、噪声小、自动化程度高等方面优势，具体表现在：

（1）智能割草机器人通常采用可充电锂电池与电机作为主要动力源，相比于传统汽油机动力源，大大降低了尾气污染和能源消耗，其动力电池可重复使用，并且能满足割草作业的功率需求，因此具备了可靠性高、体积小、质量轻、成本低等优势。解决了半自动割草器械工作噪音过大和尾气污染等问题，更加绿色环保。

（2）半自动割草器械需要依赖于人工辅助操作，且工作过程枯燥繁琐，由于长时间处于单一作业环境，人工操作存在操作不当和疲劳操作等风险，易引发不确定的安全事故。例如驾驶式割草车，多工作在斜坡、洼地等复杂环境，当驾驶式割草车一侧的车轮突然被抬高或下陷，造成割草车重心变化，使整车稳定性下降，极易发生侧翻事故。

不管是草地的普通修剪还是景观造型修剪，发展趋势一定是机器取代手工、智能产品代替半自动化产品。因此，本文割草机器人的设计具有重要的实践意义。

二、研究目标与主要内容（含论文(设计)提纲，不少于500字）

2.1研究目标

针对油电混合割草机存在的问题和不足，进行针对性的改进设计和试验调试优化，以提高割草机的作业效率。本文设计一种双割刀、割刀高度可调的割草机机器人，解决存在问题的同时，使得割草机器人在实现草地修剪时割草效率更高，解决国内大部分地区依靠人工作业的问题。

2.2研究内容

（1）切割器设计：切割器最重要的部分之一，它必须能够有效地切割草，同时保持平稳和准确，本设计采用割草绳作为割草器。

（2）动力系统设计：割草机器人需要一个强大的动力系统来驱动其工作。包括电机、电池和减速机等。

（3）行走系统设计：割草机器人需要能够在各种地形上移动和操作。采用与汽车悬架类似的轮式四驱后轮转向行走系统，设计并调整这些系统以实现最佳的性能。

（4）效率优化：减少噪音、振动、热量和能源消耗，提高割草机器人的速度和准确性。

（5）安全性设计：提高割草机器人的安全性，通过设计和使用特殊的保护装置或安全系统，例如增加倒地检测装置，使割草机器人在陡坡和崎岖路面行驶出现此类问题时自动停机，减少割草机器人运行时的风险。

（6）绘制二维零件图、三维装配图并对割草机器人主体进行建模，描述其工作原理、组成和工作过程。

（7）根据对割草机器人结构分析和各个功能控制参数：电机功率、扭矩、结构受力强度确定各类零件的选型。

（8）对割草机器人主要功能进行仿真，根据仿真情况对结构进行优化。

三、研究方法和手段

查和研究：首先，需要对现有的割草机器人进行调查和研究，了解它们的设计、性能、优缺点以及市场趋势等。这可以通过查找文献、收集数据、分析同类竞品等方式。

确定设计目标：根据调查和研究的结果，确定设计的主要目标，例如提高割草效率、降低噪音和振动、优化行走系统等。

制定设计方案：根据设计目标，制定具体的设计方案，包括切割器形状和材料、动力系统配置、行走系统设计等。

建模和分析：利用三维建模软件、有限元软件或仿真模拟软件，对设计方案进行建模和分析，调整设计方案的结构和性能，以及预测可能存在的问题。

优化和改进：根据建模和分析的结果，对设计方案进行优化和改进。包括调整切割器的位置、改进行走系统的结构和材料等。

四、文献综述

由于国外家庭庭院草坪很多且需求量大，因此国外智能割草机械的相关研制比国内要早，技术上更为先进。[1]其中在国外被评选为最佳割草机器人的品牌及其割草机型号有以色列Robomow、日本Honda Miimo和瑞典HusqvarnaAutomower系列等智能割草机器人，这些机器人具备的功能和智能化程度已经达到行业领先水平。Robomow RS622是由以色列Friendly Robotics研制的割草机器人，它是一款以电池供能的割草机，可用于较大面积的草坪，具备满足家用自动化割草所需的功能。采用耐候性的深绿色和黑色的塑料外壳，避免了金属材料长期使用中易生锈或因水损坏等问题，内置传感器在必要时可阻止刀片旋转，并在割草机与任何物体接触时迫使其改变行进方向。采用浮动甲板式设计，使其能够贴合草坪的轮廓，且可在高达20°的斜坡上正常行驶。割草机还配备一个单色LCD的控制面板，可显示日期、时间、电池状态、割草时间表状态和下一次预定操作时间。支持通过控制面板对割草机进行编程，可使用iOS或Android应用程序，智能化程度较高。Miimo HRM 310是日本本田公司研制的割草机器人，Miimo外观进行了比较时尚的工业设计，通过传感器系统、多种编程选项和机载计算机，只需很少的设定即可修剪草坪，而且其主要的优势是工作噪音小。采用三刀片切割机构，电机转速达到2500 r/min，锋利的刀片可将草切割成粉末状的覆盖物，在割草的同时为草坪添加营养。Miimo采用锂电池供电，工作时长30 min，与RobomowRS622一样，采用浮动甲板设计，使其能够贴合草坪轮廓，并具有内置传感器来检测周边电线，防止其四处游荡。具有内置安全传感器，当与外界物体接触时就会关闭割草机，智能化程度较高。

国内草坪主要在城市道路绿化带、公园、高尔夫球场、校园等场所，草坪覆盖分散且地形较为复杂，多采用背负式割草机进行割草作业，而对于智能割草机器人的研究起步比较晚，相对于欧美国家在技术上还存在着不小的差距。随着我国城市绿化建设越来越受重视，国内技术的不断革新，国产割草机具有较高性价比的优势，近些年，部分公司和高校着手于智能割草机方面研究且取得不错的成果。Landroid M 20V是Worx（威克士）研发的一款的智能割草机器人，其配备GPS和Wi-Fi模块，可通过手机定位并进行操控。Worx（威克士）是宝时得机械（中国）有限公司创立的电动工具品牌，该割草机具有出色的切割性能，且易于编程，其工作时噪音较小，采用浮动甲板设计，使其能够在不刮伤草坪的情况下通过复杂地形，使用带有三个旋转切割刀片的旋转盘来提供相对较窄的切割宽度，因此该机器主要用于较小面积的草坪。割草机顶部的圆形表盘用于手动调节割草高度，后部结构主要用于装载电池舱、USB端口和用于放置包含Find My Landroid模块的隔间，该模块为割草机提供GPS功能。割草机右侧有两个充电接口，当割草机停在家里时，便可连接基站进行充电。R150是广州极飞科技股份有限公司推出的一款农用割草机，该机器主要用于农业割草，因此为满足工作环境需求，在尺寸上相比前几款割草机大了很多。该割草机最大作业效率可达1800 m2/h，效率比人工提高了5倍，可用于无人化开荒，采用双割刀的方式，能根据工作需要调节割刀高度，最大割草幅宽为1 m，采用电池供电且任务续航时间可达1 h，可实现手动遥控和手机APP进行操作。KUMAR割草机器人是深圳库犸动力科技有限公司最新研制的一款纯电动商用自主导航割草机器人。该机器主要运用于园林、农林、野外等草坪场景，分为智能导航版和遥控版，其中智能导航版基于GPS卫星定位系统技术，融合超声波和激光雷达传感系统，能实现自主避障、自动导航、自主定位等功能。该机器割草效率可达4000 m2/h，可根据手机APP调整割草区域、割草时间等，相比前面介绍割草机不同的是，该设备装有草屑收集装置，因此能够实现割草和集草同步进行，最后只需在定点位置清理草屑，节省了草屑清理工作成本。[2]

近年来,我国农业经济获得了迅速发展,人们的饮食结构也发生了巨大改变，开始追求更加养生的生活方式,带动了水果产业的发展,为此,果树的种植越来越普及,果园的种植面积也逐年扩展[3，4]，为了满足人们的需求，果农在果园管理过程中面临一个全新的挑战——安全高效割除杂草。然而，山地果园不仅土质瘠薄、水源缺乏、石砾多,还有随处蔓生的杂草。因此,山地果园现有除草难题不仅包括广袤的地域、严重匮乏的劳动力、日益攀升的人工成本等,还包括狭窄的果树株行距、崎岖不平的山地地表、遍布各处的以及大小与形状各异的果园障碍物(例如石块与树枝等),基于上述情形,传统的除草机械难以灵活自由前行。

我国是世界第一大水果生产国，柑橘是我国第二大水果。目前，我国柑橘种植产业化发展不断加快，柑橘市场消费需求量不断攀升；加大对柑橘果园机械化设备研制的投入力度，对促进我国贫困山区经济发展具有非常重要的现实意义[5，6]。据统计，杂草能导致果树减产１０％～２０％。因此，研制配套的割草机及时除草，不仅能确保果园果树健康生长，降低果园的病虫害发生，还能提高水果品质和产量[7，8]，同时降低生产成本，提高作业效率。我国南方柑橘园大多分布在山地丘陵，相较平地柑橘园，山地柑橘园地形复杂，主要表现为坡度较大、地形起伏明显、石块多[9]，传统割草机的切割器除草时缺乏避让功能，碰到坚硬石块等物体导致刀具容易损坏[10]。

常见的传统割草器械主要有手持式的和驾驶式的，使用传统的割草器械对草坪进行维护作业需要人工的操作，不但自动化程度低、割草效率低，还容易引起操作人员的疲劳，进一步导致安全事故。传统的割草器械以内燃机或者蓄电池为动力源，前者易产生高分贝的噪声污染，而且排放的废气对人体也会造成很大的伤害；后者相对前者虽然比较环保，但是因为体积限制，蓄电能力不足，需要人工携带并进行充电工作，降低了工作效率[11]。

相对于传统割草机，智能割草机器人无论是在科技含量上还是自动化程度上都有一定的优势。通过智能系统的操控进行独立工作，并采用了对环境危害较小的清洁能源，节约了大量的人力，也减少了污染[12]。具体来说：

（1）智能割草机器人通常采用可充电锂电池作为能源。相对于传统割草机采用的铅酸蓄电池来说，具有使用寿命长、体积小质量轻、充电快等优点；相对于传统割草机采用的内燃机来说，更是具有无噪声、更环保的优点；

（2）智能割草机器人的智能化水平高。传统的割草器械完全依赖于人工的操作，由于人工操作存在操作不规范、疲劳操作等问题，自然而然的会造成一定的安全隐患。而智能割草机器人则不同，它具有自己独立的控制系统，能够完全不依赖于人工，独立地完成割草作业任务。并且，当前的智能割草机器人基本都具备了根据当前不同的工况调整自身工作状态的功能，例如当发生抬起或侧翻时，能够立即停止快速旋转的刀盘，防止发生危险状况，降低产生伤害的可能性[13]。

基于以上现状可知割草机器人的研发对农业生产很重要，已有一些成果，也产生了较好的应用价值，本文借助以引用的研究成果设计了一种轮式多地形割草机，能实现园林与荒废田地的杂草清理具有良好的工程意义。

五、参考文献目录

[1]聂杨. 智能割草机器人的关键技术研究[D].重庆大学,2019.

[2]罗亮. 自动景观割草机改进设计与试验[D].华中农业大学,2023.DOI:10.27158/d.cnki.ghznu.2022.001738.

[3]陈玉华,田富洋,闫银发等.国内外牧草收获机械发展现状及其趋势[J].中国农机化学报,2018,39(03):1-5.DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2018.03.001.

[4]胡建.现代设施农业现状与发展趋势分析[J].农机化研究,2012,34(07):245-248.DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2012.07.026.

[5]赵映,肖宏儒,梅松等.我国果园机械化生产现状与发展策略[J].中国农业大学学报,2017,22(06):116-127.

[6]钟超,祁春节.投入品价格波动对中国柑橘种植面积影响研究[J].价格月刊,2017(02):13-18.DOI:10.14076/j.issn.1006-2025.2017.02.04.

[7]TAWAHA A M,TURK M A,MAGHAIREHG A.Response of barley to herbicide versus mechanical weed control under semi-arid conditions[J].Journal of ageonmy and crop science.2002,188(2):106-112.

[8]宋月鹏,张韬,樊桂菊等.国内外果园生草技术及其刈割机械的研究进展[J].中国农机化学报,2017,38(05):111-117.DOI:10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2017.05.022.

[9]宋勇义,赵霞,都兴政.根据梨树特性科学进行栽培管理[J].烟台果树,2013(01):30-31.

[10]张雯,张衍林,李善军等.基于虚拟样机运动学仿真的割草机喂草导向装置参数优化[J].华中农业大学学报,2019,38(04):134-142.DOI:10.13300/j.cnki.hnlkxb.2019.04.018.

[11]吴淳武. 智能割草机器人的研制[D]. 东南大学, 2011.

[12]张阳,张锋伟.机器人割草机的市场前景与技术难点分析[J].北京农业,2014(27):227-228.

[13]杜慧江. 全自动割草机器人的智能控制技术研究[D]. 浙江理工大学, 2015.

六、工作进度安排（时间、内容、步骤）

（1）确认选题 （2023年10月-2023年11月）

（2）查阅文献，确定装置的整体结构及三维建模（ 2023年11月-2023年12月）

（3）对装置进行仿真分析（2024年1月-2024年2月）

（4） 完成毕业设计初稿及修改，并确定终稿 （2024年3月-2024年4月）

（5）毕业答辩 （ 2024年5月  ）

七、预期成果

（1）完成割草机器人结构的设计和优化。

（2）割草机器人机构装配图，3D模型，运动仿真视频。

（3）结构的仿真验证得出设计方案可靠。

（5）完成论文的撰写。

（以上内容在教师指导下由学生填写）学生签名：

年     月    日

八、指导教师审核意见：

指导教师签名：

年   月   日

九、教研室审核意见

教研室主任签名：

年   月   日