陳佳坪 ，王妍瑋，，譚慶吉，鄧佳玉

（1.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué) 黑龍江，大慶 163316；2.哈爾濱石油學(xué)院 黑龍江，哈爾濱 150027；3.黑龍江農(nóng)墾科技職業(yè)學(xué)院 黑龍江，哈爾濱 150431）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，如今機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步迅速，類別也逐漸增加，越來越多的農(nóng)業(yè)巡檢機(jī)器人應(yīng)用于無人值守的農(nóng)場(chǎng)中。設(shè)計(jì)一款種植園巡檢機(jī)器人，主要其機(jī)器結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)方式及3D建模。

1 結(jié)構(gòu)方案選擇

為在惡劣環(huán)境作業(yè)、夜間巡查、人到達(dá)不了的特殊地形進(jìn)行代替人進(jìn)行巡檢，偵察等工作，由于工作時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)際地形復(fù)雜考慮到機(jī)器人的續(xù)航功能，決定采用球形結(jié)構(gòu)進(jìn)行巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)，提出雙輪球形結(jié)構(gòu)的農(nóng)業(yè)巡檢機(jī)器人，適應(yīng)農(nóng)場(chǎng)作業(yè)尋走軌跡的多樣化。

圖1 雙輪球形結(jié)構(gòu)

它是將一個(gè)兩輪驅(qū)動(dòng)小車置于球體的內(nèi)部，每個(gè)車輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)小車在球體內(nèi)可以完成前進(jìn)和轉(zhuǎn)向兩種運(yùn)動(dòng)。在設(shè)計(jì)上驅(qū)動(dòng)小車的質(zhì)量相對(duì)于球殼的質(zhì)量越大越好，這樣能減小驅(qū)動(dòng)小車車輪與內(nèi)球殼面間的相對(duì)滑動(dòng)，且會(huì)使得驅(qū)動(dòng)小車速度精良接近球心平移的速度。它的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。雙輪球形結(jié)構(gòu)通過驅(qū)動(dòng)板控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器分別獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)車輪，車輪滾動(dòng)與球體內(nèi)側(cè)發(fā)生摩擦，從而產(chǎn)生摩擦力，令球體內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)裝置重心發(fā)生偏移，令球體進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。直流減速電機(jī)安裝在底盤，底盤正下方有配重塊，正上方安裝有支撐軸，支撐軸與球體之間有一個(gè)球體機(jī)構(gòu)，支撐軸安裝有彈簧，以保證支撐軸上的球體機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)具有合適的接觸力。這種結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)效率高，制作方便等，且具有十分強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)能力。球殼內(nèi)的驅(qū)動(dòng)小車，質(zhì)量只要相較于殼體較大可以很好地保證驅(qū)動(dòng)小車輪子邊緣與球殼接觸，使得電機(jī)所產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩能很好地轉(zhuǎn)換成與球體間的摩擦力，使得球殼轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)小車質(zhì)量較大時(shí)，還可產(chǎn)生類似不倒翁般的效果，使得驅(qū)動(dòng)小車在球殼的下部。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選材

2.1 球體部分

設(shè)計(jì)的巡檢機(jī)器人采用球體結(jié)構(gòu)主要考慮以下兩個(gè)因素：

①球體硬度，因?yàn)榍蝮w是本巡檢機(jī)器人與外部接觸的介質(zhì)，為了不影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，球體材料的強(qiáng)度及硬度必須滿足其滾動(dòng)時(shí)需要的要求。在滿足以上需要的前提下，球體的材料需要在運(yùn)動(dòng)時(shí)便于觀察球內(nèi)驅(qū)動(dòng)裝置狀態(tài)。所以材料必須是透明的。

②材料加工的難易程度，這款巡檢機(jī)器人是球形機(jī)器人的一種，所需材料要有合適的塑性。

經(jīng)過挑選，有鋼化玻璃及亞克力兩類材料可提供選擇。亞克力材料，成本高，耐磨，不易碎具有較高的表面硬度。在經(jīng)濟(jì)允許情況下，選擇亞克力作為球體制造材料。

對(duì)于球體直徑尺寸，通過研究，有三種：200mm，300mm和400mm，直徑200mm的亞克力球，將導(dǎo)致內(nèi)部驅(qū)動(dòng)裝置體積受限，內(nèi)部電機(jī)提供不了充足的動(dòng)力、400mm的亞克力球，由于3D 打印制作的零件所限制，會(huì)出現(xiàn)剩余空間較大，零件尺寸又較小的情況。因此選擇直徑300毫米的亞克力球作為外殼，這樣就能能保證其內(nèi)部空間適當(dāng)并且能夠安裝型號(hào)較大的電機(jī)，從而使得巡檢機(jī)器人得到充足的動(dòng)力。還可以在3D制作零件時(shí)，可以制作出設(shè)計(jì)尺寸合適的零件。

所以，最后選擇的球體材料數(shù)據(jù)如下：材料為亞克力，直徑300mm，厚度5mm。

圖2 底盤二維結(jié)構(gòu)圖

2.2 驅(qū)動(dòng)小車部分

驅(qū)動(dòng)小車部分是由底盤、電機(jī)法蘭、牛眼輪法蘭組成，具體設(shè)計(jì)如下所述。

①底盤設(shè)計(jì)。底盤設(shè)計(jì)考慮的是底盤能否有足夠空間安裝電機(jī)、驅(qū)動(dòng)板和其他部件，以及它能否支承足夠的重量[6]。設(shè)計(jì)選擇了亞克力板作為底盤，因?yàn)閬喛肆Π遒|(zhì)量輕，韌性好，承重能力好，能承受足夠的作用力。因?yàn)榍蝮w的直徑為300mm，而底盤需要放置在球體中心以下的位置，以保證驅(qū)動(dòng)小車在球體內(nèi)時(shí)的重心在球體中心以下，而且因?yàn)轵?qū)動(dòng)小車需要配重，保證驅(qū)動(dòng)小車不會(huì)因?yàn)橹亓坎蛔惆l(fā)生翻車的現(xiàn)象。所以設(shè)計(jì)時(shí)底盤的直徑大小在250～270mm的范圍內(nèi)，厚度4mm，如圖2所示。

②電機(jī)法蘭設(shè)計(jì)。由于直流減速電機(jī)裝配在底盤的時(shí)候需要法蘭連接，令其鎖定在底盤的底部。通過法蘭連接不僅在固定電機(jī)有穩(wěn)定的作用，而且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的作用力能由法蘭承受，大大延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。電機(jī)法蘭的制作是采用3D打印的方法，3D打印的優(yōu)點(diǎn)是能隨意塑型，且在配件硬度上也有一定的保證。材料使用PLA，PLA 是一種具有良好的抗拉強(qiáng)度和延展度的材料，能滿足法蘭的硬度要求。在3D打印法蘭時(shí)材料成型密度調(diào)至50%。電機(jī)法蘭的二維結(jié)構(gòu)如圖3 所示。電機(jī)法蘭通過螺絲連接鎖定在底盤的底部上，直流減速電機(jī)通過螺絲連接鎖定在電機(jī)法蘭上。因?yàn)檠b配空間限制，所以不能選用太大的螺絲，而201 材質(zhì)的M3 螺絲在硬度不足以承受電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的作用力，316 材質(zhì)的M3 螺絲成本過高，最終選擇304材質(zhì)的M3螺絲連接使用。

圖3 配重板受力分析圖

圖3 電機(jī)法蘭二維結(jié)構(gòu)圖

③牛眼輪法蘭設(shè)計(jì)。牛眼輪通過法蘭連接固定后，因?yàn)榉ㄌm與底盤連接位置為凹槽，能通過調(diào)整法蘭的位置，達(dá)到車輪和牛眼輪與球體相切的要求。牛眼輪法蘭的制作是采用3D 打印，材料為PLA，材料成型密度調(diào)至50%。牛眼輪法蘭的二維結(jié)構(gòu)如圖4 所示。所用螺絲為不銹鋼304 材質(zhì)的M3 螺絲。在選擇牛眼輪時(shí)，有普通牛眼輪和圓柱直筒牛眼輪，因?yàn)榕Ｑ圯喫鸬淖饔檬桥c球體相切，普通牛眼輪與球體相切位置調(diào)整困難，而圓柱直筒牛眼輪是圓柱狀，調(diào)節(jié)與球體相切位置方便。所以最終選擇圓柱直筒牛眼輪作為部件。其尺寸參數(shù)為M8 螺桿，長(zhǎng)度35mm。

2.3 支撐軸設(shè)計(jì)部分

支撐軸是連接驅(qū)動(dòng)小車部分和上層托板的重要部件，在設(shè)計(jì)的時(shí)候，令其能夠調(diào)節(jié)長(zhǎng)度。所以，它能控制上層托板到頭部的距離，使得頭部的磁鐵和上層托板的磁鐵能互相吸附。

2.4 配重部分

因?yàn)轵?qū)動(dòng)小車需要時(shí)刻在球體的底部，但驅(qū)動(dòng)小車的重量不足，容易浮空。所以設(shè)計(jì)一個(gè)配重的部分增加重量。配重部分的組成為配重放置板和配重物件。由于材料的限制，在選擇配重物件的時(shí)候，最終利用啞鈴1.5kg的增重板。而配重放置板的四角用M8 大小，長(zhǎng)80mm 的螺絲固定在底盤的正下方；板的中間為凸出的圓柱體，能在組裝的時(shí)候?qū)♀徳鲋匕骞潭ㄔ诎迳戏健?/p>

當(dāng)最大傾斜角度是30°，用規(guī)格為1.5kg的啞鈴增重板，受力分析如圖3所示。

巡檢機(jī)器人的總重量為3000g，當(dāng)靜止垂直的時(shí)候，G=29.4N。當(dāng)傾斜最大角度30°時(shí)，計(jì)算可得則此時(shí)的重力=25.4604N。

傾斜30°時(shí)，可能造成驅(qū)動(dòng)小車失去重心，導(dǎo)致浮空的部分是支撐軸以上的部分，這部分的重量為565g。假設(shè)這部分的重力全部是豎直向下，則重力=5.537N。比大，說明所配重的重量在模擬上是能滿足要求的。

在進(jìn)行實(shí)物受力分析后，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人在運(yùn)行過程中，驅(qū)動(dòng)小車沒有失去重心。說明配重成功。

2.5 受預(yù)緊力的緊螺栓連接計(jì)算

支撐軸上部和上層托板的連接是只承受預(yù)緊力的緊螺栓連接的一種。它不僅要承受因預(yù)緊力的拉伸而產(chǎn)生的拉伸應(yīng)力，還受螺紋摩擦扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力。因此，在計(jì)算僅受預(yù)緊力的緊螺栓強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)考慮拉伸應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。

圖4 牛眼輪法蘭的固定連接結(jié)構(gòu)圖

由螺栓預(yù)緊狀態(tài)下的最大應(yīng)力公式計(jì)算可以得到最大應(yīng)力為5.65N；支撐軸加上上層托板的重量為565g；d為3mm；最后可以得出=0.8Mpa，=0.4Mpa，=1.04Mp

查閱機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可以得知不銹鋼M3 螺栓的抗拉強(qiáng)度為1.8Mpa，小于最大抗拉強(qiáng)度，故滿足擰緊螺栓所需要求。

3 直流減速電機(jī)的選擇

巡檢機(jī)器人球體內(nèi)部空間有限，對(duì)速度又有一定的要求，所以，步進(jìn)電機(jī)由于體積較大，不能自如的控制速度。不能滿足要求。最終選擇直流減速電機(jī)作為巡檢機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)元件。

假設(shè)速度V為1m/s，驅(qū)動(dòng)裝置中驅(qū)動(dòng)小車輪子直徑D為65mm，由公式計(jì)算出直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)速N為：4.9r/s。

式中 N——電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/s)

V——機(jī)器人滾動(dòng)時(shí)速度(m/s)

d——車輪直徑(mm)

直流減速電機(jī)的電壓有6V、12V、24V 等，因?yàn)?V 直流減速電機(jī)不能升壓為12V，容易把電機(jī)驅(qū)動(dòng)板燒壞，所以不采用6V的直流減速電機(jī)。剩下12V和24V的直流減速電機(jī)，因?yàn)樯衔牡贸鲛D(zhuǎn)速N=4.9r/s，即轉(zhuǎn)速N=294r/min。

可以算出直流減速電機(jī)的扭矩。在總重量為兩個(gè)電機(jī)加上輪子聯(lián)軸器法蘭重量為460g，鋰電池重量為180g，，配重重量1500g，支撐軸和上層托板重量為565g。全部加起來小車的重量為2705g。小車輪胎與亞克力求的摩擦系數(shù)在留有余量的情況的取0.2。

5 結(jié)論

針對(duì)無人值守農(nóng)場(chǎng)，設(shè)計(jì)一款動(dòng)力驅(qū)動(dòng)小，巡航時(shí)間長(zhǎng)的農(nóng)業(yè)巡檢機(jī)器人，給出了雙輪球形機(jī)器人的機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可以增加其長(zhǎng)時(shí)間巡查作業(yè)，在機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)上加在視覺傳感器，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)的無人化監(jiān)測(cè)。