基于仿生学的草坪落叶清理装置的设计与试制

发布时间：2021-04-27

　　摘要:为解决人工清理草坪繁琐以及现有清理机械对草坪破坏大、不灵活的问题，使草坪落叶垃圾清理更加高效。基于仿生学原理，设计了一种仿生六足草坪落叶清理装置，以Arduino单片机为控制核心，可完成对草坪落叶垃圾进行高效清理。应用ADAMS软件对该装置的连杆机构进行运动学仿真，并制作了物理样机进行试验。结果表明，基于仿生学的草坪落叶垃圾清理装置设计合理，可较好地完成草坪落叶垃圾清理工作，并且移动灵活，工作时对草坪破坏小，具有很强的实用价值。

　　关键词:仿生学;草坪落叶清理装置;Arduino;ADAMS;运动仿真

　　随着我国经济的快速发展和社会进步，人们对生活环境质量要求逐步提高，城市绿化工程与人们的生活联系紧密，城市机械化清扫作业势在必行。草坪在城市绿化中起到了重要的作用[1]，其绿化面积日益增大，随之而来的草坪落叶垃圾成为了影响草坪美观和环境的重要问题。现有的清扫车大都适用于道路清扫[2，3]，但体积大、笨重，对草坪有一定损害，不适用于草坪落叶垃圾清理。目前的清理方式主要有两种:一种是人工清理，通过草坪耙等工具把落叶垃圾耙集后用手装进垃圾袋，劳动强度和工作量较大，且工作繁琐;另一种是借助清理机械，市场上的清理设备有燃油手推吸树叶机，采用的动力源为汽油发动机，有噪音影响，移动不灵活，车轮的碾压会对草坪上的植被造成破坏。

　　1仿生学原理

　　仿生学是复制自然和从自然获得想法，具有相似性、多样性、创新性等特征[4]。仿生学的研究内容主要有形态仿生、结构仿生、功能仿生及材料仿生[5]。仿生六足因其步态丰富和结构冗余在多领域具有良好的应用前景[6-7]。

　　考虑到清理草坪时应尽量减小对草坪的破坏，装置的行走方式尤为重要。自然界中的生物在长期进化下对自然环境已经有了高度的适应性，是仿生设计的源泉。多足昆虫的躯体结构能很好地在各种复杂地形上行走，仿多足昆虫的腿部结构设计装置的行走机构既能减小对草坪的破坏又能灵活敏捷地移动。基于运动机理仿生，分析多足昆虫的腿部结构与功能，设计仿生六足行走机构。仿生六足的腿部机构采用闭链的连杆机构，用两副连杆机构连接中间足，两副连杆机构连接前足与后足，一侧的行走结构如图1所示。根据多足昆虫腿的位置，行走部分构型采用正向对称分布，六足对称均匀分布机体两侧，如图2所示。

　　工作时把六条足分为两组，以一侧的前足与后足和另一侧的中足为一组，组成一个三角形支撑体，是典型的三角步态[8]，稳定性较强，六足直行步态如图3所示。起初如图3(a)所示，六足处于支撑状态，图3(b)中，2，4，6足摆动向前跨步，1，3，5足呈支撑态，此时装置向前移动一个半步长，图3(c)中1，3，5足摆动向前跨步，2，4，6足复位，再移动一个半步长，图3(d)中六足复位。

　　2装置总体设计

　　2.1结构设计

　　草坪落叶垃圾清理装置的结构设计如图4所示，主要包括六足行走部分、传动部分和收集部分。六足行走部分一侧是由四个曲柄摇杆机构利用其端点运行轨迹连接三足，曲柄通过轴与链轮相连，采用链传动方式驱动，两侧各有一电机通过联轴器与链轮连接。收集部分包括风机和收集箱，采用气吸式收集落叶垃圾，通过风机的运转使装置内外形成负压，落叶垃圾通过收集口进入收集箱。两侧电机同步转动，带动仿生六足行走机构平稳向前移动，完成草坪落叶垃圾的清理工作。

　　2.2控制系统设计

　　草坪落叶清理装置的控制系统选用ArduinoUNO单片机为核心，L298N作为两电机的驱动模块，通过控制电机实现仿生六足机构的前进、后退与转弯，通过控制风机使装置箱体内外形成压差完成草坪落叶垃圾的清理。

　　ArduinoUNO是一款基于ATmega328芯片的开源控制板，有14个数字I/O引脚(其中6个可作为PWM输出)及6个模拟输入引脚，控制程序可以通过ArduinoIDE进行烧录，能完装置的控制要求。L298N是一种双H桥电机驱动芯片，抗干扰能力强，具有PWM调速，可用来控制装置的两个电机。图5为装置的控制系统硬件图。

　　在进行清理工作时，Arduino单片机控制风机一直工作，通过控制引脚的高低电平实现电机的正反转，从而使草坪落叶清理装置前进与后退，完成清理作业。通过可调PWM波的引脚来控制两电机的转速，利用两电机的差速实现装置的转弯。电机的部分控制程序如下:

　　3曲柄摇杆机构的设计与仿真分析

　　3.1曲柄摇杆机构的设计计算

　　草坪落叶垃圾清理装置是采用仿生六足行走机构，其关键的组成部分是其连杆曲线具有一段近似对称直线的曲柄摇杆机构[9-10]，它的设计计算如下:

　　4样机试验研究

　　在完成装置的结构设计与分析后，进行模型物理样机的试制。选用2mm的亚克力板制作整个装置的外箱体及其行走机构。相关参数见表1，模型样机实物如图11所示。

　　用碎纸屑模拟落叶垃圾进行试验，经过试验测试该装置可以很好的完成清理工作，在清理过程中对草坪的破坏较小，工作高效，满足性能要求，实现了预期目标，具有很强的实用价值。

　　5结论

　　创新设计了一种草坪落叶清理装置，外形轻巧，移动灵活，在清理时不会对草坪造成破坏，实现了草坪清理的机械化作业，提高了清理效率。——论文作者：祝志芳1，2，郭小龙3，熊高翔1，曾宇露1，王欢1

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