王龍寧 林豐山

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100 )

0 引言

目前，國內(nèi)的農(nóng)作物產(chǎn)業(yè)中果實(shí)的噴藥一般采用人工方式，同時(shí)，為了保證果實(shí)的質(zhì)量，必須做到及時(shí)噴藥。這就要求在相應(yīng)的時(shí)間及時(shí)噴灑農(nóng)藥，必須投入大量的人力、物力、財(cái)力，使得噴藥成為整個(gè)農(nóng)作物果實(shí)生產(chǎn)鏈中較為耗時(shí)耗力的環(huán)節(jié)，而且由于農(nóng)藥對人體的不利影響，此種方法較不可取。因此，對于噴藥機(jī)器人的需求以及設(shè)計(jì)制造應(yīng)運(yùn)而生，通過運(yùn)用噴藥機(jī)器人來降低生產(chǎn)成本。

基于麥克納姆輪的噴藥機(jī)器人底盤，整體采用車式底盤，車體采用麥弗遜式獨(dú)立懸架，由于每個(gè)車輪上單獨(dú)有電機(jī)控制，可適應(yīng)不同的地形進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。針對平坦地形噴藥機(jī)器人具有2種典型的行進(jìn)方式，前進(jìn)和橫移。本文則著重研究這橫移行進(jìn)方式的運(yùn)行機(jī)理，指出橫移行進(jìn)方式相比于一般底盤的優(yōu)點(diǎn)，為基于麥克納姆輪底盤的噴藥機(jī)器人的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

1 噴藥機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1為一種基于麥克納姆輪底盤的噴藥機(jī)器人底盤。該機(jī)器人底盤由麥克納姆輪、麥弗遜獨(dú)立懸架和電機(jī)、支撐車架四種裝置組成。

圖1 基于底盤的噴藥機(jī)器人

2 噴藥機(jī)器人的橫移行進(jìn)方式研究

1.小輥?zhàn)樱?.聯(lián)軸器；3.輪子輪廓圖2 麥克納姆輪實(shí)物圖

麥克納姆輪的突出應(yīng)用是通過使用該輪讓機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)變成全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、零半徑旋轉(zhuǎn)3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)[1]，本文麥克納姆輪噴藥車底盤的驅(qū)動(dòng)方式是四輪單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)麥克納姆輪都配備一個(gè)直流電機(jī)來進(jìn)行控制。底盤在運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過對不同的麥克納姆輪所受軸向力的合成，就能判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向，麥克納姆輪上分布許多各自獨(dú)立的小輥?zhàn)樱≥佔(zhàn)硬粌H可以繞車輪軸線進(jìn)行公轉(zhuǎn)和繞輥?zhàn)拥妮S線進(jìn)行自轉(zhuǎn)，還能繞輥?zhàn)优c運(yùn)動(dòng)地面的接觸點(diǎn)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這使麥克納姆輪具有3個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。車輪的布置對全向車輛的性能有一定的影響[2]，不同的車輪布可實(shí)現(xiàn)不同效果，本文底盤設(shè)計(jì)中使用了4個(gè)麥克納姆輪，車輪俯視X型安裝，如果要實(shí)現(xiàn)某一方向上的運(yùn)動(dòng)，如橫移運(yùn)動(dòng)，可通過軸向摩擦力的合成，小車所受的縱向分力被相互抵消，只保留了橫移方向的分力，從而讓移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生橫移的運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，麥克納姆輪底盤進(jìn)行橫移運(yùn)動(dòng)時(shí)，四個(gè)輪子的角速度相同，每個(gè)輪子的小輥?zhàn)虞S線方向都有獨(dú)立的軸向摩擦力，通過軸向摩擦力的合成，小車所受的縱向分力被相互抵消，只保留了橫移方向的分力，從而讓移動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生橫移的運(yùn)動(dòng)。相比于一般底盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，橫移運(yùn)動(dòng)節(jié)省了大量時(shí)間，同時(shí)保證了車體的穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)平順性。

圖3 橫向運(yùn)動(dòng)

以車體為中心做笛卡爾坐標(biāo)系，假設(shè)各輪角速度分別為ωA、ωB、ωC、ωD，各輪小輥?zhàn)拥乃俣确謩e為vg1、vg2、vg3和vg4，小車的橫向速度、縱向速度和自轉(zhuǎn)角速度分別是Vx、Vy和ω，對車體進(jìn)行速度分析。

以輪A為例，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)中心OA在全局坐標(biāo)系XOY中的移動(dòng)速度為：

OA在局部坐標(biāo)系X1OAY1的移動(dòng)速度為：

由公式(1)和(2)可得：

求得:

其余各輪受力及速度分析同A輪，經(jīng)驗(yàn)證得，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具備良好的全向移動(dòng)的能力。實(shí)驗(yàn)證明，在合理地控制4個(gè)麥克納姆輪的角速度的條件下，就能實(shí)現(xiàn)基于麥克納姆輪的噴藥機(jī)器人底盤的各種運(yùn)動(dòng)形式，。

在復(fù)雜地形運(yùn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)式麥弗遜式懸架作為成熟車輛目前使用最先進(jìn)的懸架系統(tǒng)，能根據(jù)實(shí)時(shí)工況，主動(dòng)及時(shí)地調(diào)整和產(chǎn)生所需懸架控制力，使懸架處于最優(yōu)的減振狀態(tài)[3]。同時(shí)，每個(gè)車輪單獨(dú)電機(jī)控制，各路電機(jī)可根據(jù)微型主控板發(fā)出的PWM脈沖信號(hào)進(jìn)行不同的轉(zhuǎn)速配比，可以使每輪的速度不盡相同，從而達(dá)到精準(zhǔn)調(diào)速的功能，使機(jī)器人底盤擁有較好的驅(qū)動(dòng)力，保證在某一麥克納姆輪發(fā)生打滑等其他失效形式的情況下及時(shí)調(diào)整姿態(tài)，完成任務(wù)，以上兩點(diǎn)可保證基于麥克納姆輪的底盤可適應(yīng)不同的地形條件，對系統(tǒng)的自適應(yīng)程度做了有效提高。

3 結(jié)論

根據(jù)建立車體模型及受力實(shí)驗(yàn)可精準(zhǔn)確定基于麥克納姆輪的噴藥機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)軌跡，橫移運(yùn)動(dòng)方式使基于麥克納姆輪的噴藥機(jī)器人底盤可更高效地完成噴藥作業(yè)，主動(dòng)式麥弗遜式懸架保證了車體運(yùn)行的穩(wěn)定性，單獨(dú)電機(jī)控制保證了車體的容錯(cuò)性。隨著基于底盤的噴藥機(jī)器人不斷完善，實(shí)現(xiàn)崎嶇路面上的精準(zhǔn)前行，為人類提供更加高效精準(zhǔn)的果實(shí)噴藥工作將逐步成為可能。