張 聞，陳凱文，張宇麟，王化瑋，張碧波

（河南科技大學機電工程學院，河南 洛陽 471003）

荒漠化已成為當今全球最為嚴重的生態(tài)環(huán)境問題之一。根據聯合國環(huán)境署推斷，目前世界約1/4 的陸地、2/3 的國家和地區(qū)受到了荒漠化的威脅。中國是全球荒漠化面積大、分布廣、危害嚴重的國家之一，荒漠化的面積約為國土總面積的16%，而且發(fā)展迅猛，其中西北地區(qū)則是中國風沙危害和荒漠化問題最為突出的地區(qū)，黃沙的肆虐讓很多地方變成了無人區(qū)，造成了大片的土地浪費。

荒漠化防治是人類功在當代、利在千秋的偉大事業(yè)，在被譽為“世界首例治沙工程”的沙坡頭的治沙探索中，人們發(fā)現草方格固沙最為有效，并總結出了1 m×1 m 的方形草方格最為合理[1]。最初的草方格鋪設工作全部由人工來完成，隨著鋪設工作量的增加及沙漠惡劣環(huán)境等問題的突出，引入科學合理的機械化裝置來代替人工作業(yè)也迫在眉睫，草方格鋪設機器人的研究也隨之發(fā)展起來。

1 主要要求與實現機構

1.1 傳動要求及行走機構

為了保證草方格尺寸的正確性和均勻性，需要傳動裝置的傳動比精確、傳動可靠性高。齒輪傳動是現代機械傳動中最為重要的傳動之一，其功率和適用速度的范圍大、傳動比精確、傳動平穩(wěn)可靠、傳動效率高、承載能力強，其優(yōu)良的性能可以滿足傳動要求。電機的旋轉運動通過齒輪機構傳遞給軸，再通過聯軸器傳遞給車輪，從而帶動小車運動，通過設計齒輪機構的傳動比，可以很精確地控制車速和行走距離。前后軸之間用鏈和鏈輪連接，以同步轉速，使小車的運動更平穩(wěn)。通過齒輪、軸和鏈組成的行走機構，可以很好地完成小車的運動要求。

1.2 草料要求及送草機構

機械化治沙用的草料一般有散草和草簾2 種[2]，本文研究選用的是草簾。草簾存放在小車上方的圓桶中[3]，兩側的草簾可以通過2 個有很小距離的平行板運輸。在開始工作之前，需要手動將草簾拉到指定位置，在第一次插草之后，已經插好的草會拉著后面的草簾，隨著小車向前運動而將下一次插草所需要的草簾拉到指定位置。由于兩側的草是連續(xù)的，而橫向的草是間斷的，所以前側的草簾無法通過此方式運輸，需要另外設計一個運輸裝置，且還需要一個輔助剪切機構，在每一次插草之前將它剪斷，防止干擾后續(xù)的橫向插草。

1.3 動作要求及插草機構

待小車停止后，插刀豎直向下運動，將草簾插入沙地后復位[3]。插草機構應能夠保證插刀做直線運動，不在其他方向發(fā)生偏移，且插刀應該同時動作。實現這部分驅動插刀的機構要求很簡單，只需要將2 個對稱的平面機構分布在插刀兩側，當這2 個平面機構同步運動時運動即可實現。插草機構運動一次，鋪設草方格的3 個面，需要對插刀進行布局。插刀將草簾插下去之后，需要復位，若采用簡單的平面機構驅動插刀，則需要對插草機構的動力裝置進行設計。

1.4 草方格的要求及聯動機構

根據前人在治沙過程中總結出來的經驗，草方格鋪設機器人需要滿足能夠連續(xù)性地鋪設1 m×1 m 的方形草方格，其實現主要靠插刀的布局及行走機構與插刀的聯動。因此，有如下2 種設計方案：①靠不完全齒輪的嚙合實現主動輪連續(xù)運動、從動輪間歇性運動，從而在主動輪有齒部分和從動輪齒輪嚙合時，促使小車前進，控制好齒輪的傳動比，使它在小車前進1 m 的距離后主動輪的有齒部分與從動輪脫離嚙合，傳動終止，小車處于停止運動的狀態(tài)。在主動輪脫齒的這段行程中，通過控制電路使另一臺電機或者氣泵驅動插刀運動[3]，完成一次插草運動，插刀復位后，進入下一個循環(huán)，從而鋪設出連續(xù)的1 m×1 m 的草方格。②通過機構聯動，在行走機構進入無嚙合狀態(tài)時，插草機構開始運動，兩者通過聯動機構聯動，不需要另設控制電路，只需要一個動力裝置即可完成任務。對比這2 種設計方案，為了更加突出機械的結構，讓機械設計有創(chuàng)新點，減少對電路的依賴，使傳動更加可靠，所以最終選用第二種方案。

2 機構的運動設計

2.1 行走機構的設計

行走機構的核心是齒輪副，其運動簡圖如圖1所示。

圖1 行走機構運動簡圖

所有的齒輪都通過軸和軸承固定在機架上，它們的幾何軸線相對于機架的位置是固定不變的，且相互平行，為平面定軸輪系。齒輪1 和齒輪2 組成的齒輪副的作用是增大扭矩，電機的扭矩很小，要想驅動插草機構，必須要增大扭矩。齒輪2＇和齒輪3＇是不完全齒輪，可實現小車的間歇性運動。齒輪3＇有齒部分的行程很短，直接用它驅動小車，小車一次行走的距離達不到1 m，所以需要齒輪3 和齒輪4 對這部分行程放大，計算齒輪3 和齒輪4 的傳動比，可以使齒輪3 所連接的軸轉過齒輪3＇有齒部分對應的角度時，小車剛好前進1 m。

齒輪機構比較復雜，其仿真模型（軸承座隱藏）如圖2 所示。

圖2 齒輪機構

2.2 插草機構的設計

插刀的驅動機構由轉動副與移動副組合構成，其機構運動簡圖圖3 所示。

圖3 插草機構運動簡圖

自由度的分析：運動鏈中共有7 個活動構件（不含機架），在沒有用運動副進行連接時，共有3×7 個自由度；當移動副和轉動副連接后，共有3 個移動副，6 個轉動副，2 個低副，這些運動副引起了（3+6+3）×2 個約束，所以運動鏈的自由度為1。故當原動件的數目為1 的時候，機構的運動就確定了。

把導軌固定到機架上，滑塊在導軌上滑動，形成移動副，將插刀與滑塊剛性地固定在一起，從而使插刀只能做直線運動，只要保證安裝時導軌與小車底盤的垂直度和插刀兩邊導軌的平行度，再調整左右兩側插刀的距離為1 m，即可保證插刀的豎直運動和草方格的橫向尺寸。

插刀分布在兩側，則機構的原動件為中間那個滑塊，為了滿足插刀的動作要求，滑塊需要往復運動。圓柱凸輪可引導從動件按照預定的軌跡運動，當圓柱凸輪的展開輪廓曲線封閉時，凸輪轉動一周，從動件經歷一次循環(huán)，即實現往復一次的功能，根據需要確定曲線最上端和最下端的距離，即可完成插草動作。

行走機構和插草機構共用1 個動力裝置，但2 個機構的運動并不平行，需要1 個機構來傳遞2 個交錯軸之間的傳動，比較常見的有蝸輪蝸桿機構和錐齒輪機構。

蝸輪蝸桿傳動的傳動比較大，在幾十甚至上百，很難利用行走機構脫齒嚙合這部分極小的行程使圓柱凸輪的從動件完成一次循環(huán)；而錐齒輪傳動可以改變2個嚙合齒輪的齒數比（或傳動比），使主動輪轉動一個很小的角度時，從動輪就能以成倍的角度旋轉，控制好傳動比即可使滑塊在行走機構脫齒嚙合部分完成循環(huán)。

2.3 送草機構的設計

縱向送草機構結構簡單，上文已有介紹，這部分主要是橫向送草機構的設計。橫向送草機構沒有外力可以借助，需要一個裝置提供草簾向前傳送的動力，其結構如圖4 所示。

圖4 橫向送草機構

2.4 聯動機構的設計

聯動機構的設計借鑒了離合器的原理，當不完全齒進入有齒嚙合時，右側的凸輪也隨之轉動，將摩擦片斷開，這時扭矩就不能傳遞到右側的軸上，插草機構就無法動作，小車只向前運動；當不完全齒輪進入脫齒嚙合時，小車停止運動，摩擦片在彈簧的作用下復位，2 個摩擦片相互擠壓，扭矩通過摩擦副傳遞到右側的軸上，供插刀機構動作，其結構如圖5 所示。

圖5 聯動機構

3 前側輔助割斷機構

3.1 輔助割斷機構的結構

割斷機構的設計借鑒了普通剪刀的結構，其割斷部分由2 個刀片組成，2 個刀片通過齒輪的嚙合來完成剪切動作，具體結構如圖6 所示?？紤]到輔助割斷機構的結構簡單，不需要與其他機構進行復雜的聯動，所以輔助割斷機構用獨立的電機驅動。且電機只在草簾運送到位之后、插刀動作之前的這個時間段轉動，完成割斷任務，其余時間均處于靜止狀態(tài)，其運動也是間歇性的，所以采用控制板來控制電機的運動，通過程序實現電機的間歇性運動。

圖6 輔助割斷機構的結構圖

3.2 電機的控制電路

STM32 單片機主要是由意法半導體公司設計的微控制器，具有低功耗、低成本和高性能的特點，時鐘頻率可高達72 MHz，反應迅速，通過控制STM32 引腳的PWM 的輸出，可以控制電機的轉速。但是單片機的IO 口主要是用來控制的，其帶負載的能力很弱，而直流電機是大電流感性負載，無法用IO 口直接驅動電機，因此需要一個電機驅動模塊，通過控制電機驅動模塊進而控制電機。STM32 工作電壓與電機的工作電壓相隔也很大，若采用一個電源供電，則需要用不同的穩(wěn)壓電路，分別對控制板和電機供電。

采用市場上現有的電機驅動模塊和穩(wěn)壓模塊，各部分之間用線纜接起來，可以滿足要求，但所占體積大，而且線纜容易松動，在惡劣的環(huán)境工作時，容易出現連線或者斷路的情況，工作不可靠，還可能燒壞STM32 芯片。因此，將這2 個模塊集成到一個控制板上，不僅能減小體積，提高電路工作的可靠性，而且能降低制造成本，便于后續(xù)的優(yōu)化?？刂齐娐返脑韴D和3D 預覽如圖7 所示。

圖7 穩(wěn)壓電源電路

4 SolidWorks 建模

草方格鋪設機器人主要由行走機構、送草機構、插草機構和聯動機構組成，其相對位置與裝配關系如圖8 所示。

圖8 草方格鋪設機器人的相對位置與裝配關系

5 結束語

隨著機械化水平及自動化程度的不斷提高，智能機械的應用范圍將越來越廣。本文主要介紹了一種草方格鋪設機器人的新型機構的運動設計，對其結構進行一定的創(chuàng)新。為實現預期的機構動作，主要采用多種機構聯合作業(yè)，運用間歇性齒輪機構的傳動特點，利用STM32 單片機的良好性能控制電機轉速，完成前進、行走、送草、插草等動作，并利用三維軟件進行結構上的設計即建模，在仿真軟件中模擬其運動特性，結果表明此機構的運動符合預期成果。此機構在聯動多個機構運動的同時盡量減少動力來源，在荒漠中提高了鋪設效率，在并一定程度上降低了機構的復雜程度，并且，降低了同時控制縱向鋪設機構和橫向鋪設機構而產生的誤差，提高了草方格鋪設機器人的精度，可代替人工鋪設草方格。在此機構的基礎上，采用電控系統控制機構的運行，可實現自動化鋪設，將有效改善荒漠化的程度。