割草机器人的开发实践.docx
- 文档编号:8511686
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:264.37KB
割草机器人的开发实践.docx
《割草机器人的开发实践.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《割草机器人的开发实践.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
割草机器人的开发实践
设计实践案例一
割草机器人的开发实践
——机器人技术的产品化
什么是机器人
大部分文学与影视电影中所出现的机器人形象都是一幅人形机器的样子,满是电路的脑袋,齿轮驱动的四肢。
机器人应该按照这样预期来设计么?
现有工业技术条件下,人形拟态机器人的技术已经获得了很大的突破和进展,相信大家还记得春晚上表演过的HONDA的ASIMO的高超舞技吧。
上个世纪80年代研发的直立行走平台至今有20余年了,综合了传感器技术、计算机嵌入式系统等等的技术突破,人形拟态机器人日趋成熟。
但是,面对市场需求和实际应用,机器人的产品形式是不应该只有这一种的,因为机器人作为一种智能产品所承担的首要的产品功能是将人们从枯燥繁重和危险的工作中解脱出来。
而人形拟态机器人所模拟的人体结构并不是一个非常适合许多繁复和危险工作的设计,不管怎样,同等条件下,双腿还是跑不过轮子。
对于这些繁重而危险的工作,我们已经设计过很多工具来帮我们对付它们了,我们之前的设计者们花费了很多精力找到了适合某一工作的设计方案。
那么这些设计方案就是机器人产品的雏形。
相反,对于市场而言,综合了众多技术突破的,耗资巨大的人形拟态机器人未必是个经济合算或者实用的选择。
传统产品的自动化智能化是机器人技术进入我们寻常生活的首要途径,也正是我们机器人技术产品化的设计解决方案。
“机器人”一词起源于捷克语,意为强迫劳动力。
这个词是由剧作家KarelCapek引入的,属于科幻文学作品中的一个概念。
基本上,一个机器人包括:
机械设备,如可以与周围环境进行交互的车轮平台、手臂或其它构造。
设备上或周围的传感器,可以感知周围环境并向设备提供有用的反馈。
根据设备当前的情况处理传感输入,并按照情况指示系统执行相应动作的系统。
“可重复编程的多功能操纵器,设计成通过不同的编程动作为执行多种任务的部件、工具或专门的设备。
”
——美国机器人协会,1979年
在制造业领域,机器人的开发集中在工业制造过程的工程机器人手臂上。
在航天工业中,机器人研发集中在高度专业的一种探测行走机器上。
不同于一台高度自动化的焊接设备,探测器行走在环境恶劣的行星上-没有无线电通讯-可能碰到意外的情况。
但是无论多么复杂,一个探测器机器人还是必须具备某种传感输入源、解释该输入的方法和修正它的行动以响应变化着的世界的机制。
此外,对感知和适应一个部分未知的环境需要智能(换句话说就是人工智能)。
从军事科技和空间探索再到健康产业和寻常生活,机器人产品的优势已经被认识到了-它们正在成为我们集体经验和日常生活的一部分。
如何寻求机器人平台技术的产品形式:
机器人技术的开发应用主要有以下几个方面:
安全:
机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途,包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。
重复:
机器人执行很多乏味、不愉快但必需的任务,如焊接和看门工作。
精度:
装配线工作已经成为机器人技术工业的一个中流砥柱。
机器人被广泛地用于制造业,而且,在强调最小维护需求的空间探索中,使用机器人更具有吸引力。
在两年前,我们开始了对机器人平台技术的应用领域进行一些探讨。
而在我们对于日常习惯以及生活事件的关于劳动强度的调查中,居室环境的清洁是最为频繁也是最为恼人的重复劳动。
对于城市社区来说,街道卫生的维护也一直是件费时费力的事情,同时,随着城市环境的改造中绿化面积的增加,绿化地的维护也逐渐成为了一项日常工作。
环境清洁和园林工作成为了我们日后的在机器人技术产品化的工作中最为重视的两个方面。
2006年,创新工程中心的前身——工业设计研究所推出了智能机器人吸尘器的设计,并在当年的浙江省工业产品经贸展览会上实物展出,如图:
本次开发中的割草机器人便是针对绿化地面维护所发展出来的关于行走机器人的新的应用。
1.从哪开始?
这是个不大不小的问题,好的开始等于成功的一半。
所以在之前最好清醒地想一想,怎样能够开个好头?
开个好头需要什么?
开始的时候该做些什么?
很多教科书都教过我们,一个项目开始之前是需要进行调查研究的。
那么需要调查些什么呢?
1.社会市场环境——包括技术水平、市场饱和度、供需平衡、地区制造业水平等等;
2.现有或潜在的竞争对手——包括现有或即将推出的产品、价格、服务体系和存在的主要问题等等;
3.消费对象——包括社会群体、收入水平、生活习惯、审美特点等等。
4.相关产品的质量体系、检测标准和其所涉及的法律责任与权利。
整个项目的提出和定向都是基于之前中心在智能机器人吸尘器的开发项目中进行的调研,但是两年过去了,市场、技术水平肯定也发生了很多变化,而且,和家庭居室的清洁一样,割草机也是一个非常专业的园林工具,在国内外都有着非常成熟的生产消费体系。
因此将机器人技术引入割草机械制造中,不是简单的将割草机加载到行走机器人平台上。
在设计上有着许多区别,影响到设计开发中表面材料、电子电路、机械结构等等各方面。
为此,我们重新组织了几次调查,分别针对割草机的市场环境、竞争对手、消费对象和质量安全标准。
园林工具已和五金工具、电动工具并驾齐驱,成为了众多外贸交易博览会上的一大亮点。
目前就国内生产的园林工具主要面向的还是国外市场,如东南亚、欧美等国家和地区,特别是欧美一些国家的高尔夫球场和私人庄园。
由于受气候的影响,每周都要对草坪等进行一次系统的修剪,因此带动了园林工具较为乐观的销势。
经过多年产品技术的改良的和创新,产品的品种也从单一的逐步达到规格品种齐全,如便携式收割机、绿篱修剪机、割草机、割灌机等产品,纷纷打进新加坡等东南亚和欧美国家。
通过几年来的市场情况,目前外商对产品质量的要求是每一个园林工具产品必须要达到国际认证。
如CE(安全认证标志)、GS(德国安全认证标志)、EPA(美国环保署认证)等国际认证。
只有这样,国内生产的园林工具才能畅通无阻地出口到欧美国家。
目前园林工具无论在制造工艺或者使用功能上已经相当完善,在劳动力成本居高不下的欧美发达国家。
园林工具的自动化与智能化改造将是未来园林工具的技术发展趋势。
自动割草机作为行走机器人的衍生产品,于上世纪90年代末出现在以司列,近两年陆续在欧美发达国家接连出现了自动吸尘器、自动割草机等一批智能产品。
2006年,在美国举行的自动驾驶车辆竞赛中首次有机器人以60公里每小时的速度完成了153公里的全部赛程,这一点标志着行走机器人的技术最高点。
各个大型高科技企业和研发机构纷纷投身这一朝阳产业的开发中。
许多标准纷纷出台。
随着计算机技术和智能控制理论的不断完善和进步。
在产业界和学术界,许多人都相信在不久的将来,各型各色的机器人必将走入千千万万的家庭之中,从而掀起新的一轮技术和产业革命。
人类文明发展到今天,人们的吃、穿、住、行发生了翻天覆地的变化。
如今,家用电器智能化、自动化已经取代了传统电器。
在我国日新月异的发展速度下,智能机器人的研发将带动制造、电子、软件等一大批产业的发展。
由于生活水准的要求和生活习惯的需要,割草机已经成为欧美许多家庭必不可少的家用设备。
同时,在我国人民生活水平不断提高的大背景下,城市环境不断改进,更加重视绿化,割草机器人在国内拥有潜在的巨大市场。
该项目所包含的经济利益不言而喻。
欧美国家的割草机的制造技术已经非常成熟,家用割草机械已经进入了产品成熟期,该产品的重新概念定位是迫切需要的。
世界各国包括日本、欧盟、美国都正在大力发展机器人割草机。
他们希望能缓解因本国劳动力成本居高不下的压力,对于中国,走出长期以来依靠自身廉价的劳动力和自然资源来获取经济增长的局面也亟待改变。
发展自己的机器人工业是应对技术革命的要求,同时也是实现经济结构优化,实现经济健康增长的需要。
以割草机为例,智能化园林工具在国内外的发展处于起步阶段。
本世纪初,最早进入市场的产品是由以司列FriendlyRobotics公司研制的RL1000系列。
除此之外,瑞典的家用电器制造商伊莱克斯也在近期推出了HusqvarnaAutomower系列割草机器人,并已经在欧洲和美国正式发售。
机器人技术已经开始了进入普通家庭生活的,就像上个世纪九十年代末的PC普及浪潮一样。
智能化园林工具将是家用机器人普及的一个切入口。
国外的制造水平依托长期的技术优势的积累,其产品的质量稳定,性能优秀。
但是根据我们的市场调查与对竞争对手的现有产品的分析,由于园林自动化智能化技术处于起步阶段,现有的产品存在以下几个方面有待改进:
1.现有产品的价格大都昂贵,无法进入普通家庭,更不符合中国国情,比如伊莱克斯的智能割草机的售价高达2,000美金;
2.功能单一,产品的功能仅仅限于割草上,对于用户的实际需求分析得不够彻底,忽略了产品多样的应用场合;
3.现有产品的实际效用不高,产品的体积过大;
4.现有的割草机器人大都采用的锂电池,存在着一定的安全隐患;
5.软件设计不尽合理,产品的智能化程度不高。
随着现代科技的迅猛发展,机器人技术已广泛应用于人类社会的各个领域。
在制造业中诞生的工业机器人是继动力机、计算机之后而出现的全面延伸人的体力和智力的新一代生产工具。
机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。
纵观目前经济发展现状,我国工业机器人市场增长异常迅猛;从销售量上充分说明了这个不争的事实。
在中国市场上占有35%市场份额的ABB公司2004年在中国卖出了600台机器人。
而该公司在过去9年中一共才在中国大陆市场销售了2000台机器人。
专家预测,中国机器人2005年拥有量将增至7600台,到2010年拥有量将达到17300台,到2015年,市场容量将达十几万台(套)。
近年来我国的机器人自动化技术也取得了长足的发展,但是与世界发达国家相比,还有一定的差距,如可靠性低于国外产品;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄,生产线系统技术与国外比有差距。
我国目前从事机器人研发和应用工程的单位相对较少,工业机器人的拥有量远远不能满足需求量,长期大量依靠从国外引进。
在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人,约占全球已安装台数的0.4%。
产生以上差距,有关专家认为主要是我国没有形成机器人产业,当前我国的机器人生产都是应用户的要求,“一客户,一次重新设计”,品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较多,而且质量、可靠性不稳定。
在民用领域,我国的机器人产业为零。
2004年中国国际机器人展览会于11月1-4日举行,会后分析报告数据表明,与会的专业观众只占43%,非专业观众占57%;而90.3%的专业观众为了了解、收集产品信息,其余的大多没有填写具体参观目的;专业观众中只有21%的工业制造业人员,其余主要以科研单位为主,国内参展单位展出的多是面向教育应用和处于实验开发中的机器人,且产品略显不成熟。
这充分表明我国机器人产业还停留在纯技术层面,离市场化还有很长一段距离。
有关专家研究表明,国外发达国家已广泛应用机器人自动化生产线,并已形成一个巨大的产业,年市场容量约为1000亿美元。
电器自动化智能化改造是未来工业产品发展的大势所趋。
提高现有产品的技术水平,加强行走机器人的技术储备,拓展行走机器人的应用领域将是小型智能化家用设备的发展方向。
在园林工具领域,智能化、自动化、功能多样化和机体轻量化将成为新一代的割草机械的必然趋势。
1.确定我们的目标
(1)项目目标:
智能化割草机器人系统将是目前家用割草机的发展方向,也是不可逆转的趋势。
经过项目组成员的讨论,本项目的研发目标是通过嵌入式操作系统技术、传感器系统以及车体结构之间的配合,实现割草机功能的全面自动化智能化,同时利用创新的结构设计和软件设计,拓宽割草机器人的应用范围,挖掘用户的潜在需求,并改善割草机器人的电池安全问题。
(2)研发内容:
多功能智能割草机器人的主要研发内容主要有以下几个方面:
1.割草机器人路径识别、跟踪与障碍探测软件系统
针对割草机器人所可能遇到的路况环境,结合多传感器电子电路设计,项目全新开发的一套软件系统,利用稳定高效的嵌入式操作系统平台,实现割草机器人对于可能遇到的各类环境的最大程度的适应,确保工作的效率及用户的安全。
1.超声波驱虫系统。
针对用户的实际需要并结合割草机的使用环境,自动割草机提供了驱虫的功能,拓展了割草机的功能应用。
1.自动雾化洒水装置。
实际的园林工作中,人工绿地的浇灌工作相当重要。
普通的人工洒水不仅费时费力,而且非常浪费水源。
虽然机械喷灌效率很高,但是管道铺设的造价高并且不易维护。
将喷洒装置添加在自动割草机上,可以定时定量的进行浇灌。
同时便于维修和护理,成本低廉。
1.自动肥料喷洒装置。
自动割草机的防蚀储料箱将可以将固体肥料(粉状、颗粒状)均匀的投放到人工绿地上,同时结合自动雾化洒水装置,还可以实现液体肥料的投放。
关键技术:
1.基于嵌入式操作系统的软件设计。
(1)自主开发的嵌入式操作系统软件较一般的单片机更为先进,智能化程度更高;
(2)通过最小的系统资源的消耗下,实现了智能化操作系统;
(3)嵌入式操作系统具有非常好的可移植性,功能实现非常方便。
1.新型同步带传动系统:
(1)解决了复杂路况下的系统可靠性问题,减少了意外震动对电机的损害。
降低了故障率。
(2)制造成本更为低廉。
1.高集成的硬件电路设计。
2.高集成的硬件电路设计提高了硬件系统运行的可靠性,增加了智能割草机的对恶劣环境的适应性;
3.减少了外围电路,有效降低了制造成本。
项目改变现有割草机的使用方式,采用嵌入式操作系统的软件设计将大大提高了自动割草机的智能化程度,新型的超声波驱虫能够有效的降低人工绿地病虫害,创新的车体结构设计不但减小了车体体积,同时也增加了自动割草机的环境适应能力。
镍氢电池的应用有效改善了自动割草机在恶劣环境下安全问题。
技术路线方案、课题分解
本项目依托中心在嵌入式软件开发以及人工智能领域的传统优势。
计划在现有的行走机器人的成熟技术上采用高集成的硬件电路设计,在大大提高硬件可靠性的同时,团队的工程师们深入研究各类智能识别和问题解决策略,从智能软件的创新开发入手,提高现有的智能割草机的智能水平。
同时通过用户使用情景分析,并结合实际的市场需求情况,在充分论证了技术开发难度的情况下,项目研发内容中拓展了智能割草机的多种使用功能,提高了项目内在竞争力。
研发课题的分解为以下子课题:
1.基于多传感器的高集成电子电路系统;
2.基于嵌入式软件平台的高智能割草机器人的软件开发;
3.新型自动化行进系统与割草系统;
4.智能化小型灌溉装置
三、设计先于技术
参考一般割草机械的设计方案,结合本项目既定的设计目标,我们决定首先给出了行进系统的初步设定。
行进系统的初步设定主要分为底盘,车轮,行走驱动装置,转动装置,刀片,割草驱动电机,电池,机壳这几个部分,设计师在中心的工程师团队配合下,我们花了很长一段时间详细考虑了行走系统各部分机件所可能用到的零件的型号、体积、电气性能指标等因素,并利用CAD软件设计了行进系统的基本构架。
之后利用打印图纸的不同视角,设计团队在纸面上进行了详细的讨论,以探索整机设计的各种可能性。
我们给割草机的初步概念给予了一些手绘表现,并通过团体评价在其中做出造型趋势图(有机——简洁,轻盈——沉稳)。
在获得割草机的概念设计定稿后,利用计算机辅助的手段,我们制作了一些产品外观的效果图纸。
在产品的初期设计阶段,产品设计部就开始介入并主导了该项技术型产品项目开发过程,在工程初期设定的工作中,有力地主导整个项目的进程。
根据项目设计的既定目标,解决了初期设计阶段所遇到的一系列问题,将项目设计内容和主要技术指标进一步的确定与深化下来。
团队内部每个人都有着不同的专业背景,以及不同的设计方式,在许多的争论和辩论之后,获得的不仅仅是在优化后项目设计方案,每个人在交流中所获取的信息与经验也是很重要的。
在初步的设计方案敲定后,团队在接下来的工作产生了很大的分歧。
大家的意见主要分为两种,一种认为技术型产品的开发形式应该遵循技术先行,功能模型先行的方式,也就是说第一步无论外观,形状如何,先要确定和完善所有的功能的技术方案,当然这里的技术所指的是传感器技术和电路设计手段等等。
另一种意见则认为,在确定所有的设计指标和研发内容的解决方案的过程中,不能只依赖一个抽象的功能模型,单一的技术路线、脱离实际使用情境等等都有可能造成最终设计方案的实施成本过高,稳定性、可靠性差。
后者的观点理由似乎更为充分,观点非常新颖。
1.传感器信号干扰电路
地形复杂,边界不规则,——解决方案:
电子篱笆技术(专利技术),采用霍尼韦尔的接收芯片,信号接收不灵敏,成本高(20元/个),之后改用中波段天线作为接收器,灵敏度特别高,但是受到电机的炭刷和转子产生的电火花的电磁干扰,为了解决这个问题,开始时,我们电子篱笆的载波是1.3k后来调至7.8k,而电机的干扰频率,可以从500hz,通过二次谐波到达5k。
在电路上,我们在中波天线的后级电路上做了两级滤波,保证了电子篱笆的信号频率通过。
信噪比达到了系统所需的指标。
2.行走电机驱动:
ST公司的298n驱动集成电路,该芯片的负载电流较低,峰值电流为2安培左右,因为前期试验没有组装,整机重量小,草地带给车身驱动电机的摩擦力的影响没有体现出来。
最终在草地试验中,电机的启动电流相当大,达到3安培左右,这个驱动芯片的温升过高,在这种情况下,散热片也起不到很好的作用。
硬件上,采用两片298n,各自配置在一个行走电机上,同时在电路上加入了限流电路。
在软件处理上,进行了电机软启动的设置。
3.割草电机方案设定
割草电机的数量选择上,经过几次反复,在没有考虑调整割草高度的情况下,我们选择了三个割草电机的形式,也参与了广交会的展示,作为样机,得到了欧洲商人的认可。
实际的产业化过程中,三个电机在调整刀片的割草高度的会给用户带来很大的麻烦。
之后推出单个大功率电机(约150W),
在试验中,刀片高度的调节方式得到了简化,但随之而来的问题是两个:
第一,大电机在草稠密的地方峰值电流能达到30安培,直接结果是导致电池的损坏或使用寿命的缩短,解决方案可以是增加更大电流量(安/时)的电池,但是这样的电池市场上很少见,制作成本很高。
第二,因为大电机的功率大,电流大,电磁波辐射远,而这个干扰频率随着草地的疏密发生变化,频段相当宽。
又产生了1中所描述的信号干扰问题。
因此,单电机的设计方案调整为优化三个小电机的方案上来。
在功率选择上,我们选择了三个40瓦的电机作为割草电机动力,上述的大部分问题得以解决。
调整割草高度的问题将寻求结构设计的解决方法。
结构设计:
1.调整割草机刀片高度的方案探讨:
首先,通过刀片的设计来解决,如图,通过调节“几”字形的刀片的正反面的安装方向,来调节高度,优点是简单易行,成本低,不用增加任何配件,缺点是只有两级高度可以调节。
新的方案中,在底盘中,将刀盘作为单独的部件分离出来,与底盘形成一个上下滑动的关系,利用螺母固定。
优点是可以任意调节高度,但是三个电机产生的振动无法计算,没有办法修正模型,长时间工作后,底板和刀盘的接触面配合表现得很不好的,导致滑槽提升配合不畅,缝隙增大,水汽容易入侵内部机件。
最后,车轮直径的调节,采用一基准轮作为最低的割草平面,在基准轮上外罩大轮,解决修建高草坪的问题,这一方案的方便易行,成本低廉,易于批量生产,有效地解决了高度调节问题。
2.外形尺寸
通过全球的同类产品的考察与分析,目前,世界上的割草机器人,第一,瑞典的割草机外观尺寸大750mm,割草面积小220mm;第二,意大利的产品小体积550mm,割草面积大300mm。
第一台样机,最宽处500mm,割草面积220mm,第二台样机720mm,割草面积直径370mm,第三台样机500mm,割草面积300mm,第四台样机570mm,割草面积直径320mm。
我们在保证割草面积的情况下,尽量缩小自动割草机的车体体积,为了扩大该产品的适用人群。
但是我们在德国的GS认证时,遇到如下问题:
作为无人看管的机器设备,它必须在机器四周做脚模试验(注:
用一个脚型模型从机器任意一个方向放进15cm,检验模型是否受到损伤,未受到损伤为通过检测),于是我们推出了第二台样机的尺寸设计方案,发现体积过大,显得产品不够紧凑,缺乏品质感,产品成本的增加。
于是有了第三台的设计,有了护盘的结构设计。
第四台的尺寸考虑更为充分,也是成功的,同时也是适应了不同类型电池的选配,以适应不同层次的市场需求。
3.刀片设计
第一代采用三把水平一字形刀片,当时采用的驱动电机为40W,在实际试验中,我们发现刀片远离电机轴的线速度最大,割草的效果最佳,刀片其他部分产生了很大一部分的阻力,浪费功率,产生了不必要的温升。
之后的采用几字形刀片,割草的效果与理论吻合。
其他(部件采购):
安全:
因为该机器带有高速旋转的电动工具,同时又是一台全自动的无人值守的机械,因此我们在设计中始终以安全作为最重要的设计原则之一。
∙电子电路上,传感器的选择,我们基于常规经验,选用了人体热释红外传感器作为感测人体的主要设备,并在室内做了大量试验,该方案工作稳定。
比哦年共通过软件的软件,使机器在距离人体一米一处就关闭刀具电机。
之后在整机实地测试中,新的问题浮出水面,热释红外传感器受热空气流动的影响比较大,导致机器误动作频繁,电机1时断时续影响割草效果。
第一,作为安全,这里存在一个权重问题,对于销售商来说,通过软件修改让刀片停止而行进动作不停止,避免产生用户对于产品本身效能的怀疑;第二,该产品作为智能化机器人新产品,它的成熟需要一段过程,在保证用户良好的新产品体验和绝对安全的情况下,该产品的这部分设计是切实可行的。
实际效用是要进一步的市场反馈来反映。
基于系统的主要存在的上述缺陷,我们在电子电路上增加了多种安全手段。
a,光电倾斜传感器,用于机体水平面上倾斜一定角度时,该传感器信号将通过系统停止刀片电机的工作。
b,左右轮上装上微动开关,一旦任何一个车轮离开地面,微动开发将被触发,程序将停止工作。
∙防止儿童使用该产品和防止盗窃,我们在机器上采用射频系统开机,使得产品的具有唯一的使用权限。
∙对于机器自身保护的需要,设计上提供了一个雨水检测装置,当机器检测到雨水或空气湿度过大,机器就会沿着电子篱笆返回充电座。
充电座需要放置在能避雨处。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 割草 机器人 开发 实践