园林割草机器人设计分析摘要：当前，在草坪上进行割草作业的机器人技术正朝着智能化、高效化的 方向发展因此，本文以园林机械割草机的产品设计与优化为切入点，根据园艺 机产品系列中的机械割草机的技术现状和发展趋势，结合企业的实际研究工作； 从整机设计、软硬件协同开发、测试认证等几个方面进行了阐述关键词：园林机具 割草机器人产品设计1园林割草机器人概述机器人割草机是一种具有机电一体化集成、定时启动、自动返回基站充电、 躲避障碍物、感知雨水等功能的智能化机器人［1］在技术方面，目前比较成熟的 有 Friendlymachine 公司的 Robomow、Zucchetti 型号产品，AL-KO 公司的 Robolinho产品，WORX公司的Landroid产品等从市场角度看，国外的园林企 业都已经看到了机器人割草机的发展，并进行了相应的布局苏州宝时得公司 WORX品牌的Landroid M/L系列是国内知名的园林工具制造商，凭借出色的产品 设计和良好的性价比，成为欧洲市场销量最高的产品南京苏美达公司的 Yardforce系列产品，凭借其卓越的价格优势，在欧洲市场的销量逐渐上升2园林割草机器人整机设计在园林割草机器人整机设计中，需要确定除草电机参数、前后车轮布局、传 感器选型布局、行走电机参数、除草刀布局等；通过对除草机行走路径、充电站 参数布置、人机交互界面参数布置等方面的研究，可以实现单片机的选择、割草 机器人硬件、软件的设计［2］。
当前市场上的园林割草机器人主要有两种形式图1中所示的是由Husgvarna的圆形刀盘驱动刀片图2是一种多齿的整体式刀片，它是Robomow 的代表本文倾向采用圆刀盘带动用刀片方案理由如下：（1）根据 EN 50636-2-107:2015第20102.的规定，使用多齿的整体刀片必需按照传统的割草机要求，护置必须低于刀片平面3 mm以上，该条款使得产品 结构设计有一定的局限性；（2）整体式刀片的安全性不高，在草坪上进行切割时，会对草坪造成很大 的划痕，同时也会造成割草机器人刃口的损伤图1圆刀盘带动甩刀片式刀片在使用抛刀方案时，必须对叶片的质量和速度进行控制，根据ANNEXAA的EN 50636-2-107:2015规定，叶片动能应小于2J[3园林割草机器人通常采用无刷电动机，这是由于割草机器人的工作周期比较 长，需要对电动机经常启动、停止，需要对转速、负荷等进行实时监控以180 毫米至220毫米的割草机为例，该割草机的额定功率约为50 W,其空载速度在3000~4000 r/min之间，更符合实际情况一般来说，这种园林割草机器人的整 体重量约为10公斤，设计的步行速度是2公里/小时，爬坡能力是20度，其额 定功率约为30 W,在减速后的空载速度为50-60 r/分钟。
也有公司在研究采用 外转子无刷电动机替代减速器的技术，具体技术可以参考CN204046343U CN 204994273 U等技术专利如果能够实施这项革新，可以减少生产成本，延长园 林割草机器人使用寿命，是非常有意义的园林割草机器人的轮子布置主要是三个轮子（一个万向轮，两个后轮），四 个轮子（两个万向轮，两个后轮）的形式三轮设计使割草机器人的行动更加的 灵活，四轮设计更有利于在行动时更加的稳定万向轮要做好防水、防尘的密封 工作后轮的轮皮花纹的设计，需要注意避免打滑的同时，还要避免车轮压伤草 皮倾斜传感器可以使用mpu6550等六轴陀螺，用于监测割草机器人的倾斜角度、 地磁角度和主机的温度大部分的机器人割草区域都是无规则的安装GPS模组的割草机器人可以将 作业区分为A区和B区，并按面积大小来划分作业时间BOSCH公司的INDEGO系列产品是一种技术发展的趋势，它采用了一条平行的 直线路线从现有的研究结果来看，平行直线行动路线技术难度大、成本高，在 多障碍、孤岛等作业区域中，其覆盖算法还不够完善因此，在今后的发展中， 自动割草机的自动行走路线仍然是市场的主要方向在园林割草机器人充电器的设计中，必须优先考虑专利的问题。
HusqvarnaAB 于 2003 年申请 EP1512053B 发明专利（ELECTRONIC DEMARCATING SYSTEM），并取得许可目前，该项专利技术在德国、英国、法国、意大利、瑞 典等国家有效，但在其他欧洲国家的使用无效在大多数的机器人割草机都使用 了 EP1512053B 所提供的以时间为单位的脉冲信号发生器，因此引起了专利争端 应当指出，EP1512053B专利所保护的部分内容已在EP2330473B1 （iRobot）中 披露，该专利EP2330473B1 （iRobot）于2002年06月12 日提出因此， Husqvarna的一些权利主张遭到了挑战目前国内外有关企业都在积极地探索和 研究边缘线的技术，取得了一定的成绩最近几年，液晶屏幕被广泛应用于园林 割草机器人后，用户界面变得更加简洁、清晰3软硬件协调及测试认证由于芯片技术的发展，以及对割草机（例如，无线接入）等功能需求的提高，许多型号都采用了以ARMC0RTEX-M3为核心的STM32此芯片具有高速率（72兆 赫）、低功耗（36 mA）、大容量（512 K）,与51系列芯片相比，更适用于园 林割草机器人的操作、电机控制、人机界面、无线通信等功能要求。
图3是基于STM32F103的园林割草机器人工作原理框图本文介绍了基于软、硬件两种无刷电动机驱动方式该方法可以使园林割草机器人的软件及电动机驱 动电路得到简化，同时也节约了验证时间和成本（电动机是由软件来驱动，软件 需要分开评定）硬件驱动或电机在负荷改变时会产生较大的峰值辐射，从而影 响到其他元件，例如，边线传感器的工作稳定性因此，需要结构、电子硬件、 嵌人式软件工程师三方面的协同，优化电机磁路，增加轭磁圈，优化边线传感电 路，对软件中的峰值识别进行修正，是一种比较有效的方法LCD驱动有两种方法，一种是LCD电路板，另一种是MCU示例中所用的STM32F103内核，通过MCU来驱动，相对来说更加方便，可以简化整个系统LCD显示器在标准无线接入模组中可以忽略不计APP可以通过无线接 入，直接设定和完成园林割草机器人的操作LCDpijwiei!酬.Fe「■!理Obstruct ioa set mm-buucrbJiiT : j. ltiMCC (STM32F103ZET6)hatter^■:K2mLLlX Effl迫F ciin icTijcrLCDDrnVrnnrbr rln叶 \llip^ r 扰啊 Output! A m詩 :i・臥…y mr汁F…■Hlehs cjj i•皀肚丨Iilh. Lef: Ma-coc占 山和沁JK«tr 列费:jjc. dK- Ln. =icia3QU, 「rr“T『》r~uri「3C133kB.> . ■鼻 io gjlTZOf* Till k^»CE图3机器人割草机系统功能框图（28 V平台/STM32F103）E-■Svitc » h*pcnrei】更冒rpiip~1♦cvCtinsHDTOT一LV.-:-♦1tkivsau tux血Dt皿Idthvt nuier一usdiji现场试验是园林割草机器人研制的关键环节，可以帮助研究人员找出系统结 构、电路、软件等方面的问题，并做出相应的改进。
在设计过程中，有些被忽视 或不明确的逻辑，都能在实践中得到解答某些典型问题，如园林割草机器人在 返回基站时陷入死循环，或者由于传动轮打滑而陷入死循环，或由于边缘传感器 对边缘信号敏感而造成机器出界、三台电动机过电流保护数值设置等问题，这些 都要求软件和软件工程师共同努力，及时地在测试过程中得到解决在园林割草机器人的产品认证上，其结构和传统的手动割草机没有什么不同 可以根据 EN 50636-2-107相关条款一一进行而软件评价工作，由于其文档整 理工作量大，对软件语法、逻辑等都有相应的规定因此，主管部门对此提出了 “平行工程”的需求，即：在项目初期，由认证机构软件评审工程师参加，对软 件体系结构、语法、逻辑等进行规范，从而达到提高评审的效率，节约认证时间 的目的4结语园林割草机器人作为一种具有高度集成的机电一体化智能工具，无论是对传 统的园艺师还是对研究设计者来说，都是一个很大的挑战在国内，除了少数企 业成功地将园林割草机器人推向市场之外，更多的公司由于研发周期的延误、停 滞等原因半途而废因此，在研制园林割草机器人的过程中，必须正确地把握整 体设计方向，积极进行市场调研，以确定产品技术取向。
在研制过程中，要注意 结构和电子软件、硬件的协调发展，同时要重视检测、认证和材料的选择参考文献[1]陈镜宇,郭志军,尹亚昆.基于混合算法的智能割草机全遍历路径规划及其系统设计[J].计算机科学,2021,48(Sl):633-637.[2] 吕峰.基于深度学习的嵌入式割草机器人草坪环境目标检测研究[D].江 苏科技大学,2021.[3] 李积武,张辉,吴磊,黄迪.以割草刀片负载转矩控制割草机器人移动速度的方法[J].嘉兴学院学报,2020,32(06):96-99.。