王大龍 ，孫世文 ，王騰宇

（山東青年政治學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103）

0 引言

智能化果蔬采摘機(jī)器人是現(xiàn)代溫室中的重要裝備，研究其關(guān)鍵技術(shù)具有重要的意義。草莓被譽(yù)為“水果皇后”，富含多種維生素，目前日光溫室中壟作栽培的草莓采摘多依靠人工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，由于草莓生長于壟上且壟溝狹窄，所以采摘機(jī)械體必須小巧靈活，而現(xiàn)有的平鋪于地壟表面的草莓采摘機(jī)械裝置往往不能用于日光溫室壟作草莓果實(shí)的采摘[1-3]。

合理的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于草莓采摘機(jī)器人實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)移動(dòng)和跨壟作業(yè)意義重大，是提高采摘作業(yè)自動(dòng)化程度、機(jī)械化水平和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。即使現(xiàn)有履帶式、輪式行走機(jī)構(gòu)的采摘裝置可沿壟溝方向移動(dòng)作業(yè)，往往也不能跨壟移動(dòng)，特別是在壟溝距離較長的采摘現(xiàn)場(chǎng)[4-7]。本文基于壟作草莓采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)與研究，提出一種能夠跨壟移動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)，可自動(dòng)跨至下一壟溝進(jìn)行采摘，從而實(shí)現(xiàn)壟作草莓的自動(dòng)化連續(xù)采摘。

1 總體設(shè)計(jì)

本文主要針對(duì)我國大多數(shù)地壟式草莓種植模式下的自動(dòng)化采摘裝置進(jìn)行研究，分析設(shè)計(jì)出可跨壟移動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)，采摘機(jī)械手可設(shè)置于行走機(jī)構(gòu)上，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手沿壟溝和跨壟溝的移動(dòng)作業(yè)。

通常情況下，種植草莓苗的壟和溝的總寬度為80 cm～85 cm，草莓苗壟的上部寬度為25 cm～30 cm，草莓苗壟的下部寬度為60 cm。行走機(jī)構(gòu)主要由支撐裝置和移動(dòng)裝置組成，如圖1所示。支撐裝置通過可根據(jù)地形狀況調(diào)節(jié)有效長度的支撐腿跨至下一壟溝，移動(dòng)裝置利用兩組車輪交替作用在移動(dòng)平臺(tái)上向前運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)行走機(jī)構(gòu)的跨壟移動(dòng)。

圖1 行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 支撐裝置設(shè)計(jì)

支撐裝置包括水平鏡像向內(nèi)設(shè)置的兩個(gè)L型支撐底座I和與支撐底座I翻轉(zhuǎn)設(shè)置的兩個(gè)L型支撐底座Ⅱ，兩個(gè)支撐底座I與對(duì)應(yīng)的支撐底座Ⅱ構(gòu)成兩組支撐平臺(tái)。支撐底座I和支撐底座Ⅱ分別設(shè)置有相互垂直的豎向立板和橫向底板，底板為移動(dòng)裝置前后運(yùn)動(dòng)提供支撐平臺(tái)。支撐底座I和支撐底座Ⅱ的底板相對(duì)設(shè)置，且通過翻轉(zhuǎn)可使支撐底座I與支撐底座Ⅱ的底板至同一水平位置，從而使支撐底座I和支撐底座Ⅱ的底板交替作用于移動(dòng)裝置的前車輪I和后車輪I、前車輪Ⅱ和后車輪Ⅱ，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)裝置的跨壟運(yùn)動(dòng)。立板內(nèi)側(cè)水平設(shè)置有滑軌I，可與移動(dòng)裝置的旋轉(zhuǎn)接頭滑動(dòng)連接；立板外側(cè)前后兩端、底板外側(cè)中部分別旋轉(zhuǎn)連接有支撐腿，用于裝置的支撐。支撐腿包括大腿和與大腿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)連接的小腿，通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)可使小腿根據(jù)地形狀況調(diào)節(jié)與大腿的夾角，從而調(diào)節(jié)支撐腿的有效長度以保持支撐裝置的水平平穩(wěn)。小腿底部設(shè)置有滾輪，可實(shí)現(xiàn)支撐裝置沿壟溝方向移動(dòng)。支撐裝置整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 支撐裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 移動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

移動(dòng)裝置包括可在支撐底座I底板上運(yùn)動(dòng)的前車輪I、后車輪I和可在支撐底座Ⅱ底板上運(yùn)動(dòng)的前車輪Ⅱ、后車輪Ⅱ，且前車輪I與前車輪Ⅱ同軸線連接，后車輪I與后車輪Ⅱ同軸線連接。工作時(shí)，車輪交替作用在支撐底座I和支撐底座Ⅱ構(gòu)成的兩組移動(dòng)平臺(tái)上。前車輪I與前車輪Ⅱ、后車輪I與后車輪Ⅱ中部分別水平向前和向后設(shè)置有前連桿、后連桿。前連桿端部垂直于立板設(shè)置有前伸縮桿，后連桿端部垂直于立板設(shè)置有后伸縮桿。前伸縮桿兩端通過電機(jī)設(shè)置有前旋轉(zhuǎn)接頭I和前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ，前旋轉(zhuǎn)接頭I和前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I滑動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)前旋轉(zhuǎn)接頭沿滑軌I滑動(dòng)，同時(shí)通過控制前伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)前旋轉(zhuǎn)接頭I和前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I的連接或脫離。后伸縮桿兩端通過電機(jī)設(shè)置有后旋轉(zhuǎn)接頭I和后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ，后旋轉(zhuǎn)接頭I和后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I滑動(dòng)連接，實(shí)現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭沿滑軌I滑動(dòng)，同時(shí)通過控制后伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭I和后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I的連接或脫離。前車輪I與前車輪Ⅱ、后車輪I與后車輪Ⅱ中部分別豎直向上設(shè)置有支撐桿，支撐桿頂端通過水平支架連接，支架上設(shè)置有可沿壟溝方向移動(dòng)作業(yè)的采摘裝置。移動(dòng)裝置整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 移動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖

2 工作原理

初始狀態(tài)時(shí)，前旋轉(zhuǎn)接頭I、前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ、后旋轉(zhuǎn)接頭I、后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ均與滑軌I連接，前車輪I與后車輪I作用在支撐底座I的底板上，機(jī)械手通過攝像頭識(shí)別采摘目標(biāo)，在采摘區(qū)域內(nèi)作業(yè)，通過小腿底部設(shè)置的滾輪可實(shí)現(xiàn)支撐裝置沿壟溝方向移動(dòng)。當(dāng)支撐裝置進(jìn)行跨壟運(yùn)動(dòng)時(shí)，控制后伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I脫離，通過電機(jī)控制前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)支撐底座Ⅱ的翻轉(zhuǎn)，直至支撐底座Ⅱ的底板翻轉(zhuǎn)至與支撐底座I的底板在同一水平位置；同時(shí)，支撐底座Ⅱ的支撐腿跨壟翻轉(zhuǎn)至下一壟溝內(nèi)。驅(qū)動(dòng)車輪使移動(dòng)裝置在支撐裝置的底板上向前運(yùn)動(dòng)，后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ隨著移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)至支撐底座Ⅱ上，通過控制后伸縮桿的伸縮繼續(xù)實(shí)現(xiàn)與滑軌I連接；運(yùn)動(dòng)過程中，移動(dòng)裝置由前車輪I與后車輪I作用在支撐底座I的底板上過渡到前車輪Ⅱ與后車輪Ⅱ作用在支撐底座Ⅱ的底板上。當(dāng)移動(dòng)裝置完全運(yùn)動(dòng)至支撐底座Ⅱ的底板上后，通過電機(jī)控制后旋轉(zhuǎn)接頭I轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)支撐底座I的翻轉(zhuǎn)，直至支撐底座I的底板翻轉(zhuǎn)至前車輪I與后車輪I的上方，此時(shí)可控制采摘裝置繼續(xù)在壟溝中作業(yè)。

再通過控制前伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)前旋轉(zhuǎn)接頭I與滑軌I連接，控制后伸縮桿的伸縮實(shí)現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭I與滑軌I脫離，然后通過電機(jī)控制前旋轉(zhuǎn)接頭I轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)支撐底座I的翻轉(zhuǎn)，直至支撐底座I的底板翻轉(zhuǎn)至與支撐底座Ⅱ的底板在同一水平位置；同時(shí)，支撐底座I的支撐腿跨壟翻轉(zhuǎn)至下一壟溝內(nèi)。驅(qū)動(dòng)車輪使移動(dòng)裝置在支撐裝置的底板上向前運(yùn)動(dòng)，后旋轉(zhuǎn)接頭I隨著移動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)至支撐底座I上，通過控制后伸縮桿的伸縮繼續(xù)實(shí)現(xiàn)與滑軌I連接；運(yùn)動(dòng)過程中，移動(dòng)裝置由前車輪Ⅱ與后車輪Ⅱ作用在支撐底座Ⅱ的底板上過渡到前車輪I與后車輪I作用在支撐底座I的底板上。當(dāng)移動(dòng)裝置完全運(yùn)動(dòng)至支撐底座I的底板上后，通過電機(jī)控制后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)支撐底座Ⅱ的翻轉(zhuǎn)，直至支撐底座Ⅱ的底板翻轉(zhuǎn)至前車輪Ⅱ與后車輪Ⅱ的上方，此時(shí)可控制采摘裝置繼續(xù)在壟溝中作業(yè)。支撐底座、旋轉(zhuǎn)接頭的具體狀態(tài)如表1所示。

表1 支撐底座、旋轉(zhuǎn)接頭狀態(tài)表

3 運(yùn)動(dòng)仿真

ADAMS軟件是一款適用于機(jī)器人、機(jī)械、汽車等仿真和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的強(qiáng)大工具，是目前世界上使用范圍最廣、可靠性最高的機(jī)械運(yùn)動(dòng)仿真分析軟件[8]，被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、汽車工程、航空航天、工程設(shè)備及重型機(jī)械等領(lǐng)域[9-11]。ADAMS軟件可以模擬復(fù)雜的三維機(jī)械系統(tǒng)，仿真結(jié)果具有預(yù)測(cè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過程、降低生產(chǎn)成本等功能[12-14]。該軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力等曲線[15-16]。

3.1 建立模型

利用SolidWorks建立一組支撐裝置I、支撐裝置Ⅱ模型，并將導(dǎo)出的parasolid.x_t格式文件導(dǎo)入ADAMS中，設(shè)置工作環(huán)境。將支撐底座I、支撐底座Ⅱ與支撐腿之間、支撐腿的大腿和小腿之間分別設(shè)置旋轉(zhuǎn)副，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，通過step函數(shù)控制支撐底座Ⅱ和支撐底座I順序翻轉(zhuǎn)，利用postprocessor模塊生成所需曲線。

3.2 仿真結(jié)果分析

分別得到支撐底座I和支撐底座Ⅱ的位移曲線、線速度曲線、線加速度曲線、角速度曲線、角加速度曲線，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 支撐底座I和支撐底座Ⅱ的仿真結(jié)果

由曲線可知，支撐底座I和支撐底座Ⅱ在所設(shè)階躍函數(shù)的驅(qū)動(dòng)下，曲線變化比較平穩(wěn)，表明支撐底座在給定的軌跡中運(yùn)行穩(wěn)定，未發(fā)生突變，沒有明顯沖擊，可以滿足實(shí)際工作的任務(wù)要求。分析線加速度和角加速度曲線可得，支撐底座運(yùn)行時(shí)受重力、負(fù)載等因素影響，加速度會(huì)產(chǎn)生突變，但在中間過程階段受力穩(wěn)定后，加速度變化也趨于穩(wěn)定。

4 結(jié)語

本文提出了一種可跨壟移動(dòng)的行走機(jī)構(gòu)，主要用于壟作草莓采摘機(jī)器人，可替代人工采摘，省時(shí)省力，該采摘裝置不僅可以沿壟溝方向移動(dòng)，同時(shí)能夠跨壟作業(yè)，特別是在壟溝距離較長的采摘現(xiàn)場(chǎng)，可自動(dòng)跨壟至下一壟溝進(jìn)行采摘，以完成采摘裝置橫向和縱向的移動(dòng)作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)壟作草莓的自動(dòng)化連續(xù)采摘。利用ADAMS軟件對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，能夠完成跨壟連續(xù)作業(yè)，具有較大的實(shí)用意義，可以有效降低運(yùn)行成本，提高采摘效率。