一種自動采蛋機器人設計研究

王娜 高文英

摘要：為了滿足農(nóng)村蛋雞舍產(chǎn)蛋數(shù)量大，空間合理利用問題，在預先設定好的小空間、飼養(yǎng)人員無法通過的采蛋路線上，設計出一臺能夠沿著預定路線運行，并完成自動避障及撿蛋智能小車，通過三維軟件進行整體的結構設計，滿足強度要求。并通過對行走裝置、撿蛋裝置、運轉裝置的設置，最終達到效率、空間、勞動成本等幾個方面的最優(yōu)設計目的。

關鍵詞：撿蛋;機器人;結構設計;組裝

0? 引言

農(nóng)業(yè)自動化是當今不可避免的一大趨勢，智能機器人代替人類工作能夠解決安全性、效率、可靠性等一系列問題，并能夠在小空間內代替人類無法觸及的領域去完成工作[1-2]。

1? 本課題研究的內容

該機器人的主要任務是自動撿蛋機器人，主要應用在農(nóng)場或養(yǎng)雞場內。設計的自動撿蛋機器人大概工作流程如下：將機器人放在養(yǎng)雞房門口，啟動機器人開關。機器人進入養(yǎng)雞房后，機器人先進行右轉，直行到傳感器檢測到機器人行至房間角落，然后左轉延邊行進。再行至同一面墻的兩個角落的時候，在進行左后轉彎，通過程序數(shù)據(jù)調控達到一個車位距離。再直行至距墻一個車位距離，以方便執(zhí)行右后轉彎。然后以此重復，直至機器人行至最左側靠入口墻角落，執(zhí)行左轉，行至入口。撿雞蛋的工作流程用機械結構執(zhí)行，在行進過程中通過機械結構的轉動，將雞蛋收到結構里。完成自動撿蛋的工作過程[3-5]。

2? 總體設計方案

2.1 行走方案

機器人行走機構大致可分為三類：輪式、履帶式、行走式。由于養(yǎng)雞房一般都有草料鋪在地面上，比較寬敞，且相對比較平整。并且行走式的控制和設計太過復雜，而履帶式又因為地面上鋪有草料可能會出現(xiàn)草料卡住履帶的情況，因而選擇輪式行走方式會比較合理。

2.2 撿蛋方式

本設計采用仿造收割機的方案，將雞蛋通過擠壓進入撿蛋機構，再存放到存放室中。

2.3 驅動和轉向的方式

針對動力裝置選擇，可考慮采用步進電機進行驅動，24V小型功率驅動即可。機器人由前輪進行方向控制，驅動裝置安裝在后輪。并由萬向輪進行導向，萬向輪形式多樣，可以直接采購，使用方便簡潔。導向輪的支架保證能夠整周旋轉運動，起到導向和支撐的作用。

實現(xiàn)車輛轉向的方式以差動居多，該機器人亦可以選取差動的方式進行轉向，差動機構簡單靈活。大多數(shù)機器人小車的車輪采用安裝兩個步進電機為基礎進行差動控制，當電機轉速發(fā)生變化時，由于車輪速度不同，導致車輛發(fā)生轉向運動，即當左輪停止或者降低轉速時，車輛向左轉向;反之，右輪停止或降低轉速時，車輛向右轉動。

綜上所述，整機的車輪的設計可以采用兩個驅動輪和一個導向輪的方式進行控制，結構簡單緊湊，易于控制和加工。

2.4 主體材料的選擇

由于制作的自動撿球機器人體積中等，因為需要應對鋪了草料的養(yǎng)雞場，所以要求機器人重量較重。所以，主體的制造材料選為金屬材料。這種材料的強度較大，而且來源廣泛，通常選用碳鋼和鋁合金。選用這種材料會使機器人體重增加，但是會增大電機的負載。所以驅動電機的選用要用大功率的步進電機。用以提供更大的動力。

3? 結構的設計

3.1 驅動機構

3.1.1 電源的選擇

因為本機器人整體質量較大，選用電機扭矩較大，故采用12V鋰電池作為電機驅動、另外因為機械臂連接各驅動板，所以采用7.4V鋰電池來驅動機械臂以保證它動作穩(wěn)定，為了更易于識別待檢測物體需電壓穩(wěn)定，故采用7.4V電源單獨給各傳感器供電。

3.1.2 電機的選擇

微型機器人使用的電機一般有步進電機、直流電機和直流伺服電機這三種類型。這三種電機的控制都相對簡單，性能也比較出眾，而且直流電源也比較容易獲得。本設計可采用L298N電機專用驅動芯片帶動兩個5V的直流電動機進行驅動。

3.1.3 車輪的確定

本設計的采蛋機器人車輪分為驅動輪和導向輪兩種，驅動輪可采用直接采購的方式進行，車輪表面選擇大紋路表面，從而增大摩擦力。萬向輪也采用直接購買的方式，使整機簡便，易于更換。

3.2 撿蛋機構

本課題采用仿水稻收割機的方式，設計了一個滾筒式的收雞蛋機構，采用螺旋的鋼絲，螺旋線方向選擇左螺旋，通過電機用傳送帶與滾筒連接來帶動滾筒轉動。因為是螺旋所以雞蛋將在自身重力的作用下，沿著螺旋向左側緩慢移動，當雞蛋移動到最左側時，雞蛋通過左側開的小口進入傳送帶內。

3.3 輸送機構

本機器人采用特別設計的傳送帶來實現(xiàn)本機器人的多種用途。首先本機器人的傳送帶需要能夠實現(xiàn)電機與收集雞蛋滾筒的傳動功能，其次該傳送帶還要實現(xiàn)能夠將雞蛋進行運輸?shù)倪\輸功能。所以本課題設計了一款兩側具有與電機相連的帶動元件相符合的突起，類似齒輪的連接，用以實現(xiàn)傳送帶的轉動。傳送帶的中間部分因為要實現(xiàn)將雞蛋輸送到更高的位子的功能，而一般的雞蛋大概長5厘米，寬3厘米。所以打算在傳送帶中間設計高1.5厘米，厚0.5厘米，長6厘米的突起，用以支撐雞蛋在上升過程中的重力。電機的帶動元件設計為兩側齒輪，中間凹下去的“工”字型構造。再將雞蛋抬起到需要位子，設立一個斜擋板，讓雞蛋在擋板和傳送帶突起的擠壓下從傳送機構中出來進入緩沖通道。緩沖通道設計為一個“S”型的傾斜通道，讓雞蛋不至于因為由高位置進入低處的存雞蛋箱產(chǎn)生的勢能導致蛋殼破損。

4? 機器人的感官

機器人的感官采用聲波感應器，因為聲波感應器能夠更好的感應機器人距離養(yǎng)雞房墻壁的距離，更容易讓機器人確定自身位于養(yǎng)雞房中的位置，使機器人能夠更好地確定自己的下一步的路線。

5? 結論

本文希望在最大限度保證收集到雞蛋的完好無損下，通過機器人的幫助減少人工。通過上電機的差動用以提供機器人本身所需要的動力與轉向要求。通過滾筒狀螺旋收集機構實現(xiàn)雞蛋的收集工作。再通過傳送帶和緩沖通道實現(xiàn)雞蛋的從收集機構到儲存機構的轉移。在各種機器人不斷出現(xiàn)和各個領域逐漸實現(xiàn)機械化的大背景下，希望本文能夠給機器人的設計人員提供一個新的思路。

參考文獻：

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