一种自动采蛋机器人设计研究

王娜 高文英

摘要：为了满足农村蛋鸡舍产蛋数量大，空间合理利用问题，在预先设定好的小空间、饲养人员无法通过的采蛋路线上，设计出一台能够沿着预定路线运行，并完成自动避障及捡蛋智能小车，通过三维软件进行整体的结构设计，满足强度要求。并通过对行走装置、捡蛋装置、运转装置的设置，最终达到效率、空间、劳动成本等几个方面的最优设计目的。

关键词：捡蛋;机器人;结构设计;组装

0  引言

农业自动化是当今不可避免的一大趋势，智能机器人代替人类工作能够解决安全性、效率、可靠性等一系列问题，并能够在小空间内代替人类无法触及的领域去完成工作[1-2]。

1  本课题研究的内容

该机器人的主要任务是自动捡蛋机器人，主要应用在农场或养鸡场内。设计的自动捡蛋机器人大概工作流程如下：将机器人放在养鸡房门口，启动机器人开关。机器人进入养鸡房后，机器人先进行右转，直行到传感器检测到机器人行至房间角落，然后左转延边行进。再行至同一面墙的两个角落的时候，在进行左后转弯，通过程序数据调控达到一个车位距离。再直行至距墙一个车位距离，以方便执行右后转弯。然后以此重复，直至机器人行至最左侧靠入口墙角落，执行左转，行至入口。捡鸡蛋的工作流程用机械结构执行，在行进过程中通过机械结构的转动，将鸡蛋收到结构里。完成自动捡蛋的工作过程[3-5]。

2  总体设计方案

2.1 行走方案

机器人行走机构大致可分为三类：轮式、履带式、行走式。由于养鸡房一般都有草料铺在地面上，比较宽敞，且相对比较平整。并且行走式的控制和设计太过复杂，而履带式又因为地面上铺有草料可能会出现草料卡住履带的情况，因而选择轮式行走方式会比较合理。

2.2 捡蛋方式

本设计采用仿造收割机的方案，将鸡蛋通过挤压进入捡蛋机构，再存放到存放室中。

2.3 驱动和转向的方式

针对动力装置选择，可考虑采用步进电机进行驱动，24V小型功率驱动即可。机器人由前轮进行方向控制，驱动装置安装在后轮。并由万向轮进行导向，万向轮形式多样，可以直接采购，使用方便简洁。导向轮的支架保证能够整周旋转运动，起到导向和支撑的作用。

实现车辆转向的方式以差动居多，该机器人亦可以选取差动的方式进行转向，差动机构简单灵活。大多数机器人小车的车轮采用安装两个步进电机为基础进行差动控制，当电机转速发生变化时，由于车轮速度不同，导致车辆发生转向运动，即当左轮停止或者降低转速时，车辆向左转向;反之，右轮停止或降低转速时，车辆向右转动。

综上所述，整机的车轮的设计可以采用两个驱动轮和一个导向轮的方式进行控制，结构简单紧凑，易于控制和加工。

2.4 主体材料的选择

由于制作的自动捡球机器人体积中等，因为需要应对铺了草料的养鸡场，所以要求机器人重量较重。所以，主体的制造材料选为金属材料。这种材料的强度较大，而且来源广泛，通常选用碳钢和铝合金。选用这种材料会使机器人体重增加，但是会增大电机的负载。所以驱动电机的选用要用大功率的步进电机。用以提供更大的动力。

3  结构的设计

3.1 驱动机构

3.1.1 电源的选择

因为本机器人整体质量较大，选用电机扭矩较大，故采用12V锂电池作为电机驱动、另外因为机械臂连接各驱动板，所以采用7.4V锂电池来驱动机械臂以保证它动作稳定，为了更易于识别待检测物体需电压稳定，故采用7.4V电源单独给各传感器供电。

3.1.2 电机的选择

微型机器人使用的电机一般有步进电机、直流电机和直流伺服电机这三种类型。这三种电机的控制都相对简单，性能也比较出众，而且直流电源也比较容易获得。本设计可采用L298N电机专用驱动芯片带动两个5V的直流电动机进行驱动。

3.1.3 车轮的确定

本设计的采蛋机器人车轮分为驱动轮和导向轮两种，驱动轮可采用直接采购的方式进行，车轮表面选择大纹路表面，从而增大摩擦力。万向轮也采用直接购买的方式，使整机简便，易于更换。

3.2 捡蛋机构

本课题采用仿水稻收割机的方式，设计了一个滚筒式的收鸡蛋机构，采用螺旋的钢丝，螺旋线方向选择左螺旋，通过电机用传送带与滚筒连接来带动滚筒转动。因为是螺旋所以鸡蛋将在自身重力的作用下，沿着螺旋向左侧缓慢移动，当鸡蛋移动到最左侧时，鸡蛋通过左侧开的小口进入传送带内。

3.3 输送机构

本机器人采用特别设计的传送带来实现本机器人的多种用途。首先本机器人的传送带需要能够实现电机与收集鸡蛋滚筒的传动功能，其次该传送带还要实现能够将鸡蛋进行运输的运输功能。所以本课题设计了一款两侧具有与电机相连的带动元件相符合的突起，类似齿轮的连接，用以实现传送带的转动。传送带的中间部分因为要实现将鸡蛋输送到更高的位子的功能，而一般的鸡蛋大概长5厘米，宽3厘米。所以打算在传送带中间设计高1.5厘米，厚0.5厘米，长6厘米的突起，用以支撑鸡蛋在上升过程中的重力。电机的带动元件设计为两侧齿轮，中间凹下去的“工”字型构造。再将鸡蛋抬起到需要位子，设立一个斜挡板，让鸡蛋在挡板和传送带突起的挤压下从传送机构中出来进入缓冲通道。缓冲通道设计为一个“S”型的倾斜通道，让鸡蛋不至于因为由高位置进入低处的存鸡蛋箱产生的势能导致蛋壳破损。

4  机器人的感官

机器人的感官采用声波感应器，因为声波感应器能够更好的感应机器人距离养鸡房墙壁的距离，更容易让机器人确定自身位于养鸡房中的位置，使机器人能够更好地确定自己的下一步的路线。

5  结论

本文希望在最大限度保证收集到鸡蛋的完好无损下，通过机器人的帮助减少人工。通过上电机的差动用以提供机器人本身所需要的动力与转向要求。通过滚筒状螺旋收集機构实现鸡蛋的收集工作。再通过传送带和缓冲通道实现鸡蛋的从收集机构到储存机构的转移。在各种机器人不断出现和各个领域逐渐实现机械化的大背景下，希望本文能够给机器人的设计人员提供一个新的思路。

参考文献：

[1]杨大蓉.中国智慧农业产业发展策略[J].江苏农业科学，2014（4）：1-2.

[2]杨瑛，崔运鹏.我国智慧农业关键技术与未来发展[J].信息技术与标准化，2015（6）：34-37.

[3]赵匀.农业机器人的研究进展与存在问题[J].农业工程学报，2003，19（1）：1-4.

[4]方建军.移动式采摘机器人研究现状与进展[J].农业工程学报，2004，20（2）：273-275.

[5]田素博.国内外农业机器人的研究进展[J].农业机械与电气化，2007（2）：3-5.