安燕霞 ，張國東 ，張志紅 ，李 建

（晉中信息學(xué)院，山西 晉中 030801）

0 引言

傳統(tǒng)的高大果樹采摘環(huán)境復(fù)雜、效率低、成本高，果農(nóng)安全無法得到保障，采用振動、敲打等形式采摘又容易損傷果實、果樹。利用攀爬機器人來完成樹木剪枝、果實采摘、花粉傳遞等工作，可以短時間、高效率、高準(zhǔn)確性地完成任務(wù)，滿足智能農(nóng)業(yè)建設(shè)的需求，其應(yīng)用前景受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

尺蠖蠕動式的爬行方式在工作環(huán)境、穩(wěn)定性、適應(yīng)性等方面更適合果樹攀爬，且以齒輪驅(qū)動可以實現(xiàn)高效率、高精度、高穩(wěn)定性的效果。目前國內(nèi)外學(xué)者在果樹攀爬方面進(jìn)行了很多研究。王振秋等利用UG對齒輪機器人進(jìn)行虛擬樣機建模[1]，陳月強借助CATIA構(gòu)建了齒輪機器人的物理模型[2]，楊書建等借助UG和CATIA[3]構(gòu)建了齒輪機器人的物理模型。

在國外，對機器人的研究主要集中在大型機器人的設(shè)計和控制方面，如研發(fā)的齒輪機器人通常由一個可旋轉(zhuǎn)的柔性關(guān)節(jié)、兩個平行四邊形關(guān)節(jié)和兩個連桿組成。柔性關(guān)節(jié)和連桿是通過柔性鉸鏈來實現(xiàn)連接的。通過控制旋轉(zhuǎn)運動來改變?nèi)嵝躁P(guān)節(jié)的位置，并對齒輪機器人的運動軌跡進(jìn)行規(guī)劃，使得機器人能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的軌跡運動[4]。對于齒輪機器人的運動控制，采用矢量控制方法實現(xiàn)，首先確定電機運動規(guī)律，然后運用矢量控制方法進(jìn)行傳動系統(tǒng)的設(shè)計和參數(shù)優(yōu)化[5]。通過對齒輪機器人的研究和分析，能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪機器人在復(fù)雜工作環(huán)境下的快速響應(yīng)，從而使齒輪機器人更好地適應(yīng)復(fù)雜工作環(huán)境。

1 仿尺蠖機器人結(jié)構(gòu)

尺蠖式機器人包括彈簧單向鎖緊機構(gòu)、曲柄滑塊機構(gòu)、齒輪減速裝置三部分。為了模擬尺蠖蠕動運動狀態(tài)，曲柄滑塊機構(gòu)與彈簧單向鎖緊機構(gòu)配合往復(fù)運動，曲柄滑塊機構(gòu)改變上下整體尺寸，彈簧單向鎖緊機構(gòu)實時變位，模擬生物爬升狀態(tài)進(jìn)行爬升。曲柄模塊與上方的活動模塊用桿連接形成曲柄滑塊機構(gòu)，整體通過曲柄滑塊的滑塊往復(fù)運動，通過上下的位置變動進(jìn)行爬升，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)機器人在30 mm～35 mm變化直徑的實體直桿上進(jìn)行爬行；齒輪減速裝置減速后連接到凸輪和曲柄，三部分機構(gòu)互相配合進(jìn)行機器人爬升。

1）彈簧單向鎖緊機構(gòu)是具有彈性緩沖功能的搭扣鎖，結(jié)構(gòu)中的彈簧起到緩沖的作用。即使在振動嚴(yán)重的情況下，也可以很好地保持扣緊作用，不會因振動產(chǎn)生的共振作用而松脫[6-7]。

2）曲柄滑塊機構(gòu)，通過該機構(gòu)的相對伸展收縮進(jìn)行運動，上方鎖緊時曲柄轉(zhuǎn)動，下方部件被拖動上升，相對于凸輪中點，上移兩個搖桿長度，下方鎖緊時曲柄轉(zhuǎn)動，上方夾持件上移兩個搖桿長度[8]。以重心計算，在一圈進(jìn)程內(nèi)，機器人總體上移兩個搖桿長度。

3）齒輪減速裝置是指電動機輸入轉(zhuǎn)速給一級圓柱齒輪組進(jìn)行一級減速，再由第二根軸鍵連接運轉(zhuǎn)，用圓錐齒輪傳動進(jìn)行二級減速，再連接到曲柄傳動部分。

2 齒輪機器人臂部機構(gòu)傳動形式

齒輪機器人臂部機構(gòu)的傳動形式如圖2所示。齒輪機器人臂部機構(gòu)運動分為收緊、轉(zhuǎn)變、放開三個過程。齒輪機器人的爬行步態(tài)圖如圖3所示。該結(jié)構(gòu)設(shè)計可以實現(xiàn)機器人在30 mm～35 mm變化直徑的實體直桿上進(jìn)行爬行；齒輪減速裝置減速后連接到凸輪和曲柄，三部分機構(gòu)互相配合進(jìn)行機器人爬升。

圖2 齒輪機器人臂部機構(gòu)的傳動形式

圖3 齒輪機器人爬行步態(tài)圖

1）收緊過程。曲柄從“12”轉(zhuǎn)動，滑塊從最高點下移，夾持端處于三角滑塊上端，由于三角滑塊上端的橫向限位，上端收緊固定不動，凸輪轉(zhuǎn)動，直徑由小徑轉(zhuǎn)為大徑，下端打開，下方由搖桿帶動上移，曲柄運動到“3”。

2）轉(zhuǎn)變過程。曲柄從“3”轉(zhuǎn)動，下端繼續(xù)上移，凸輪直徑從大徑轉(zhuǎn)變?yōu)樾剑路綂A具由于彈簧收緊，逐漸實現(xiàn)下部分固定。

3）放開過程。曲柄從“6”轉(zhuǎn)動，搖桿上移，由于雙桿和夾持件中摩擦力和其他力的作用推開上端彈簧夾，上端夾具動力端擴張，上夾爪張開，凸輪半徑不變，下端爪穩(wěn)定保持閉合，搖桿推動滑塊上移，上方夾持器上移，上方夾持器到達(dá)準(zhǔn)備下一次收緊的位置，準(zhǔn)備下一次爬升工作，再次回到開始。

3 仿尺蠖機器人參數(shù)計算

3.1 傳動裝置動力參數(shù)

確定傳動方案為圓錐—圓柱齒輪二級減速傳動。動力由電機輸出，減速器由動力軸通過蝸輪蝸桿帶動中轉(zhuǎn)軸，中轉(zhuǎn)軸再通過蝸輪蝸桿帶動輸出軸轉(zhuǎn)動。

為保證機器人的移動速度為120 mm/s、減速終端轉(zhuǎn)速為60 r/min，電機選擇8級24VMY28GP-385電機，電機空載轉(zhuǎn)速為750 r/min，電機的額定轉(zhuǎn)速為735 r/min，額定功率為12 W。

總傳動比為12，兩部分傳動比i柱=3.824，i錐=3.158。

3.2 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計

電機帶動曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計中，一般取r+e＞0.75l，r+e＞l時，為搖桿滑塊機構(gòu)。所以設(shè)計要保證r小于l。這里，r為曲柄長度，l為連桿長度，e為偏心距。

預(yù)選r為60 mm、l為196 mm，加上滑塊的尺寸補償，經(jīng)計算，滿足各運轉(zhuǎn)周期尺寸和速度的要求。

假設(shè)曲柄的轉(zhuǎn)速為ω，則轉(zhuǎn)一圈的時間為當(dāng)曲柄運轉(zhuǎn)一周期，機器人上移2r即120 mm，機器人要求移速v=2ω=120 mm/s時，需保持至少100 mm/s的運行速度，因此曲柄轉(zhuǎn)速為60 r/min。電動機傳動到曲柄機構(gòu)時，其轉(zhuǎn)速達(dá)到60 r/min，轉(zhuǎn)動一圈消耗時間1 s，角速度為360 rad/s，線速度為360×60 mm/s。

曲柄滑塊機構(gòu)尺寸模型圖如圖4所示。S表示滑塊的位移，由連桿帶動滑塊在水平面上做往復(fù)運動，曲柄繞固定點做往復(fù)直線運動。假設(shè)初始時刻，曲柄的端點位于水平面上，曲柄長為R，與水平面的夾角是α，連桿l與水平面的夾角是θ。

圖4 曲柄滑塊機構(gòu)尺寸模型圖

根據(jù)圖4可得：S=R+L-Rcosα-Lcosθ=R(1-cosα)+L(1-cosθ)。

三角函數(shù)轉(zhuǎn)換計算有下式關(guān)系：

進(jìn)而可以得到滑塊的加速度，代入數(shù)值得到時間關(guān)系式：

4 運動仿真

為驗證仿尺蠖機器人設(shè)計的可行性和運動的平穩(wěn)性，進(jìn)行ADAMS運動分析。在仿真分析前進(jìn)行如下處理：

1）對錐齒輪和圓柱齒輪機構(gòu)添加兩個旋轉(zhuǎn)副，再為兩個旋轉(zhuǎn)副添加齒輪副，為小齒輪添加電機轉(zhuǎn)速驅(qū)動，其中，由于圓柱齒輪傳動部分速度標(biāo)記點難以選中，故直接使用數(shù)據(jù)調(diào)用生成齒輪組[9]。

2）曲柄滑塊機構(gòu)，為大地和曲柄、曲柄和連桿、連桿和滑塊都添加合適的旋轉(zhuǎn)副，滑塊添加移動副。

3）凸輪推桿機構(gòu)，凸輪與大地添加旋轉(zhuǎn)副，凸輪和推桿間添加實體-實體接觸力來解決凸輪推桿配合問題，夾具與大地添加旋轉(zhuǎn)副，但夾具在運動過程中，其動力端中心在y軸存在移動，在SolidWorks中采用長圓柱孔實現(xiàn)，在ADAMS中旋轉(zhuǎn)副存在選點限制，采用點線接觸解決此問題。

4）三角限位接觸夾持機構(gòu)，采用接觸力配合三角和夾具動力端，額外添加動力端和三角滑塊配合移動副，夾具和大地配合旋轉(zhuǎn)副，為了使機構(gòu)完成配合，添加過渡塊，為過渡塊移動副添加摩擦力，代替爬桿所受摩擦力和夾具摩擦力的和，完成配合。

5）將四個機構(gòu)進(jìn)行實體連接，全部運動副均如表1所示。完成動力配合，導(dǎo)出仿真圖像和動畫，判斷機器人運行配合是否平穩(wěn)，配合動作是否完全銜接[10]。經(jīng)分析，曲柄和滑塊兩部分各個分方向和總方向的運動速度符合設(shè)計預(yù)期，機構(gòu)周期聯(lián)動運行可行，速度位移圖分別如圖5、圖6所示。

表1 ADAMS整體機構(gòu)配合詳表

圖5 曲柄速度位移圖

圖6 三角限位塊（滑塊）速度位移圖

5 結(jié)語

為了實現(xiàn)高大果樹采摘，模擬尺蠖運動形式設(shè)計了仿尺蠖機器人。該機器用曲柄連桿機構(gòu)使機器人軀干產(chǎn)生伸縮動作，實現(xiàn)機器人的爬行動作，結(jié)構(gòu)簡單、可靠，并采用ADAMS軟件進(jìn)行仿真分析，得到了仿尺蠖機器人的運動規(guī)律，驗證了機構(gòu)方案的可行性，能為復(fù)雜的果樹攀爬研究提供有益的借鑒。