李贇釗，袁銳波，徐成現(xiàn)

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)）

0 引言

草莓具有鮮美的味道與豐富的營養(yǎng)價值，很受消費者喜愛，該果實含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，如礦物質(zhì)、氨基酸、多種維生素等等，素有“水果皇后”的美稱。草莓采摘是草莓生產(chǎn)過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)，在草莓的生產(chǎn)中采摘時間約占1/4，并且草莓成熟后應(yīng)該盡快采摘，否則很快就會變質(zhì)腐爛，而且每個草莓成熟的具體時間不同，所以，在草莓果實成熟期的特定時間段，草莓的采摘工作量還是很大的，況且在我國大都是個人種植草莓，采摘勞動力不足，采摘效率較低[1]，將機械自動化技術(shù)引入草莓采摘行業(yè)很有必要。

草莓采摘機器人能夠很大程度上節(jié)約勞動力，減少成本和提高經(jīng)濟效益，合理的行走機構(gòu)對于草莓采摘機器人的高效而平穩(wěn)的行走以及有效跨越障礙物十分重要。本文基于草莓采摘技術(shù)下的行走機構(gòu)的設(shè)計與研究，以研究出高效率、低成本、運動平穩(wěn)的行走機構(gòu)。

1 草莓采摘機器人行走機構(gòu)總體設(shè)計

1.1 行走機構(gòu)車體設(shè)計

本設(shè)計主要針對我國大多數(shù)的地壟式草莓種植模式進行分析和研究，從而分析設(shè)計行走機構(gòu)，可將機械手裝配在行走機構(gòu)上方在壟間進行行走，方便機械手的圖像識別。工作示意簡圖如圖1 所示。

圖1 行走機構(gòu)與地壟位置關(guān)系示意圖Fig.1 Schematic diagram of position relationship between travelling mechanism and ridge

根據(jù)草莓特定的地壟式種植而設(shè)計出此跨壟式行走機構(gòu)。經(jīng)實地測量，可得出地壟的大致參數(shù)如下：地壟呈等腰梯形，地壟的上面寬約400 mm，地壟的下面寬約600 mm，行走機構(gòu)行走的通道的寬度（即壟與壟之間的橫向距離）約為300 mm，地壟的高度大約是260 mm。根據(jù)地壟的形狀尺寸，可以確定行走機構(gòu)的車體結(jié)構(gòu)形狀和具體的尺寸。

根據(jù)工作環(huán)境和功能要求，行走機構(gòu)上面應(yīng)該設(shè)有采摘機械手的安裝凸臺和安裝底座。當(dāng)機械手將草莓采摘下來之后，要將草莓放置于盛裝草莓的箱子里，所以行走機構(gòu)上應(yīng)設(shè)計有用于存放草莓的草莓盤，該盤子不用太厚，防止因太厚而壓傷下面的草莓。由于機構(gòu)為跨壟式行走，行走機構(gòu)的驅(qū)動電機應(yīng)該放置于機構(gòu)的上面，所以行走機構(gòu)上面設(shè)有載物臺用于安裝電動機。傳動過程中涉及傳動軸，故應(yīng)設(shè)有帶有安裝軸承的支撐，以便將動力持續(xù)順利而高效地傳遞下去。具體結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 行走機構(gòu)搭載圖Fig.2 Loading diagram of travelling mechanism

1.2 行走機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

由于該行走機構(gòu)進行動力傳遞的2 個傳動軸中心距較大，還要考慮到行走機構(gòu)的行走速度、行走機構(gòu)的質(zhì)量和行走時的穩(wěn)定性以及工作效率等，并且是在豎直方向進行動力傳遞，所以，可以選用帶傳動或鏈傳動。行走機構(gòu)在草莓種植田間行走時，由于土壤比較松軟，需要提供較大的傳遞動力，帶傳動過載就會過載打滑，而且不能有效保證傳動比；而鏈傳動可以傳遞較大的動力，沒有打滑現(xiàn)象還可以保證精確的傳動比，非常適合該行走機構(gòu)的設(shè)計要求，所以，行走機構(gòu)豎直方向的傳動可以選擇傳力較大的鏈傳動。

如圖3 所示為行走機構(gòu)驅(qū)動時的動力系統(tǒng)。直流電源將電能轉(zhuǎn)換成電動機的機械能，通過齒輪傳動、傳動軸和鏈傳動將動力傳遞給輪軸，進而使輪子旋轉(zhuǎn)、機構(gòu)行走。

圖3 行走機構(gòu)驅(qū)動系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of driving system of travelling mechanism

1.3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計

該行走機構(gòu)為跨壟式行走，屬于高地隙環(huán)境行走，所以其底盤離地面較高，通過性較好。為了使行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時車輪做純滾動而不發(fā)生滑動[2]，行走機構(gòu)的前輪轉(zhuǎn)角要滿足阿克曼轉(zhuǎn)向定理[3]，就是行走機構(gòu)在轉(zhuǎn)彎時各個車輪必須圍繞著一個中心點O 轉(zhuǎn)動，即轉(zhuǎn)彎時所有車輪的軸線應(yīng)交于一點O，并且把O 點稱為轉(zhuǎn)彎中心。轉(zhuǎn)彎示意圖如圖4 所示。

圖4 行走機構(gòu)轉(zhuǎn)彎示意圖Fig.4 Turning diagram of traveling mechanism

轉(zhuǎn)彎時內(nèi)轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)過的角度應(yīng)大于外轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)過的角度，并且左右轉(zhuǎn)向輪所轉(zhuǎn)過的角度應(yīng)滿足如下關(guān)系[4]：

根據(jù)以上的假設(shè)情況，可將轉(zhuǎn)向機構(gòu)設(shè)計為整體式梯形轉(zhuǎn)向機構(gòu)，該平面整體式轉(zhuǎn)向機構(gòu)是由轉(zhuǎn)向搖臂、轉(zhuǎn)向橫拉桿和梯形臂組成[5]。轉(zhuǎn)向機構(gòu)三維圖見圖5。行走機構(gòu)的轉(zhuǎn)向通常采用液壓作為轉(zhuǎn)向的動力源，轉(zhuǎn)向機構(gòu)又可分為2 部分：機械傳動和液壓傳動。液壓系統(tǒng)由液壓缸、液壓泵、轉(zhuǎn)向器、管路接頭組成，此處暫時不做詳細研究。

圖5 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of steering system

整個行走機構(gòu)的裝配三維圖如圖6 所示。

圖6 行走機構(gòu)整體裝配圖Fig.6 Overall assembly drawing of traveling mechanism

2 行走機構(gòu)的運動仿真

ADAMS 軟件是現(xiàn)今使用非常廣泛的一種機械動力學(xué)仿真軟件，是目前世界上使用范圍最廣、可靠性最高的機械運動仿真分析軟件[6]。ADAMS軟件仿真結(jié)果具有判斷機械系統(tǒng)的運動性能和范圍以及碰撞檢測等功能。該軟件使用零件庫和力庫，約束庫，交互式的圖形[7]來創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論的拉格朗日方程法[8]，可以建立動力學(xué)方程，可對模擬的樣機進行動力學(xué)、靜力學(xué)和運動學(xué)分析，進而可以輸出速度、加速度和位移等的運動曲線[9]。ADAMS 軟件在工程機械、汽車工程、工業(yè)機械等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[10]。

行走機構(gòu)的實際模型是較復(fù)雜的機械系統(tǒng)，包括了很多的連接標準件、安裝造型和零部件的工藝結(jié)構(gòu)，因此在進行仿真時，可以進行適當(dāng)?shù)哪Ｐ秃喕统橄蟆榱说玫捷^為準確的仿真結(jié)果，使仿真結(jié)論和實際的運行情況基本吻合，需要對各個部件間的運動方式、約束關(guān)系和裝配方式進行深度分析。

2.1 簡化模型

通過布爾操作將相互固定的2 個零件合并成1 個零件，主要是車架上的各個零件，從而達到簡化模型的目的，并將各個零件分配不同的顏色加以區(qū)分，如圖7 所示。

圖7 固定區(qū)分零件圖Fig.7 Fixed distinguishing parts

因為鏈傳動設(shè)置繁瑣，此處不考察鏈傳動的運動關(guān)系，因此將鏈條省略，后續(xù)以其他約束副代替。

2.2 建立驅(qū)動

根據(jù)采摘機器人在溫室的實際作業(yè)情況，仿真時可以設(shè)定行走機構(gòu)速度為400 mm/s；小輪半徑為50 mm；角速度為8 rad/s，轉(zhuǎn)換為角度制為458.37 °/s。因為各個齒輪傳動比皆為1:1，因此在電機驅(qū)動軸上添加joint motion，設(shè)置函數(shù)為：step(time,0,0,5,458.37 d)+step(time,51,0,56,-458.37 d)，表示驅(qū)動轉(zhuǎn)速在0～5 s 內(nèi)加速到458.37 d/s，5～51 s 內(nèi)轉(zhuǎn)速保持不變，51～56 s 內(nèi)減速到0，如圖8 所示。

圖8 設(shè)置函數(shù)圖Fig.8 Setting function diagram

2.3 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過一系列的準備和操作，可得出測量點的速度圖像如圖9 所示。由圖像可知，在0～5 s 時，行走機構(gòu)做加速行走，此后在勻速行駛時，速度基本保持勻速行駛，但在轉(zhuǎn)彎時速度發(fā)生了下降，主要是因為行走機構(gòu)的后面兩個輪子沒有轉(zhuǎn)向功能，在轉(zhuǎn)彎時行走機構(gòu)后面的輪子沒有做純滾動而是發(fā)生了滑動的現(xiàn)象。整個行駛過程機構(gòu)的速度都在不斷波動，但波動量較為微小，可忽略不計。發(fā)生速度波動的原因是行走機構(gòu)在行走時存在不可避免的機械振動，且在轉(zhuǎn)彎時的速度波動要比勻速行駛時的速度波動稍大一些，說明轉(zhuǎn)彎時的機械振動要比直線行走時的機械振動大些。轉(zhuǎn)彎結(jié)束后，行走機構(gòu)繼續(xù)勻速行走。最后行走機構(gòu)減速直至速度為零。

圖9 仿真速度圖像Fig.9 Simulation speed image

3 結(jié)語

本文針對地壟式草莓種植方式和所需采摘機器人行走機構(gòu)的功能特點，對行走機構(gòu)的關(guān)鍵部分進行研究和設(shè)計，具體包含以下幾方面:

（1）針對特定的地壟式草莓種植情況，設(shè)計了適合地壟式草莓采摘機器人行走機構(gòu)的車體部分，并確定了車體的主要尺寸和所使用材料；根據(jù)行走機構(gòu)的工作環(huán)境設(shè)計出了合理的驅(qū)動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)；確定了行走機構(gòu)的行走方式，分析了各機構(gòu)的工作原理，明確了行走機構(gòu)所應(yīng)具有的部分功能；使用SolidWorks2012 三維軟件繪制出了行走機構(gòu)的車體和主要的傳動系統(tǒng)圖。

（2）利用ADAMS 仿真軟件對行走機構(gòu)的運行進行了仿真實驗，仿真結(jié)果表明，該機構(gòu)能夠較為平穩(wěn)地進行運動、轉(zhuǎn)彎和采摘作業(yè)，有較大的實用意義和推廣意義；能夠有效提高草莓采摘的效率，大大節(jié)省勞動力成本。