農(nóng)用運輸機器人動力設(shè)計及穩(wěn)定性研究與試驗

藥林桃，羅 翔，曹曉林，吳羅發(fā)*，賴宏斐，陳 盾，高文強

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，330200，南昌；2.江西省智能農(nóng)機裝備技術(shù)中心，330200，南昌；3.江西開放大學(xué)，330200，南昌；4.江西新余國科科技股份有限公司，338018，江西，新余)

0 引言

農(nóng)用智能運輸平臺是在工業(yè)AGV的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的[1]，裝備有自動導(dǎo)航裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)自主規(guī)劃路徑行駛，可在無人干預(yù)的情況下，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)外的智能運輸，還可搭載相關(guān)工作部件同步完成實時監(jiān)測、自動化種植采摘、精準(zhǔn)噴藥施肥等作業(yè)[2-4]，具有行動快捷、工作效率高、可控性強、安全性好等優(yōu)勢[5-7]，能有效提高農(nóng)業(yè)機械化、智能化和自動化水平。目前農(nóng)業(yè)智能運輸平臺主要以背負(fù)式承載為主，承擔(dān)運輸功能的同時，還可以搭載相關(guān)部件，開展智能種植、采摘、噴霧、施肥、環(huán)境監(jiān)控等作業(yè)。牽引式承載雖然運輸量大，可以有效提高作業(yè)效率，但由于智能運輸平臺自身和運輸物料的重力與慣性力，在作業(yè)時整機重心會發(fā)生偏移，影響定位精度，甚至?xí)绊懫浜诵墓δ堋窂揭?guī)劃和導(dǎo)航的實現(xiàn)[5-7]，導(dǎo)致機具發(fā)生側(cè)翻等極端狀況，因此牽引式承載對運輸平臺的運動穩(wěn)定性要求比較高。

本文通過對農(nóng)用智能運輸平臺的驅(qū)動單元進行運動穩(wěn)定性分析，設(shè)計了一款適宜農(nóng)用智能運輸機器人，可以背負(fù)式承載物料進行搬運，也可以在尾部牽引拖車，運輸大件物料，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)外狹窄空間的智能運輸作業(yè)。

1 機器人主要結(jié)構(gòu)

農(nóng)用運輸機器人采用輪式行走方式，磁條導(dǎo)航，不受室內(nèi)外光線影響，可以背負(fù)托盤、料架、料箱等進行運輸，也可以在尾部牽引拖車進行物料運輸，還可以方便快捷地與多種傳感器或末端執(zhí)行器連接配合，實現(xiàn)在農(nóng)業(yè)設(shè)施內(nèi)外狹窄空間的智能移動，一機多用，承擔(dān)多環(huán)節(jié)智能化、機械化作業(yè)。農(nóng)用運輸機器人主要包括在線監(jiān)控中心、移動機器人、自動充電裝置、封閉式導(dǎo)航磁條等，整機參數(shù)見圖1、表1。

表1 農(nóng)用智能運輸機器人參數(shù)

1.智能充電樁；2.監(jiān)控中心；3.移動機器人；4.封閉式導(dǎo)航磁條；5.防撞條；6.牽引栓；7.緊急開關(guān)；8.載物平臺；9.指示燈帶；10.萬向輪；11.驅(qū)動輪；12.自動充電刷板

2 機器人驅(qū)動單元

溫室運輸機器人要同時可以承擔(dān)背負(fù)式和牽引式運輸功能，屬于中等載荷，要求運動穩(wěn)定，通過性好，這就要求驅(qū)動單元要大于等于4個車輪，且對稱布局[10-12]。農(nóng)用機器人工作空間小，因此選用四輪驅(qū)動，全輪轉(zhuǎn)向式，由2組驅(qū)動舵輪組成，每組驅(qū)動舵輪是由2個無刷電機和2個電機驅(qū)動器構(gòu)成，如圖2所示，可實現(xiàn)沿縱向、橫向、斜向和回轉(zhuǎn)方向任意路線行走。驅(qū)動電機的性能直接決定機器人的動力性，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速由驅(qū)動電機決定，運動方向與機器人運動方向一致，通過差速方式改變機器人的運行方向。2組驅(qū)動舵輪采用交錯布局鏈傳動，可以減小布局空間，實現(xiàn)空間利用率最大化。機器人四周還設(shè)計有4個萬向輪，萬向輪本身不具有動力，主要用于承載重量。

1.磁帶感應(yīng)器；2.連接板；3.驅(qū)動電機；4.安裝板；5.輪軸；6.驅(qū)動輪；7.驅(qū)動鏈條

2.1 運行阻力的計算

農(nóng)用機器人需要有足夠的驅(qū)動力來克服起步和行駛中遇到的阻力，包括來自地面滾動摩擦力來自空氣的空氣阻力、加速阻力、坡度阻力、牽引拖車阻力等[13-14]。起步時車輪所處的滑動狀態(tài)對應(yīng)的摩擦力為滾動摩擦力用Ff表示；空氣阻力用Fw表示；在坡道上行駛時，還必須克服重力沿坡道的分力，稱為坡度阻力，以符號Fi表示；加速行駛需要克服的阻力稱為加速阻力，以符號Fj表示；牽引拖車阻力用Ft表示。因此機器人運行的總阻力為：

F=Ff+Fw+Fi+Fj+Ft

(1)

機器人質(zhì)量mj=200 kg，背負(fù)式運輸時：物料最大質(zhì)量mb=500 kg；背負(fù)牽引式運輸時：背負(fù)式運輸時物料最大質(zhì)量mb=400 kg，牽引拖車及運輸物料最大質(zhì)量mt=200 kg?？紤]機器人的實際工況，結(jié)合背負(fù)式運輸和牽引背負(fù)運輸?shù)炔煌闆r分析機器人的運行阻力。

1)機器人滾動阻力。

Ff=μ×M×g

(2)

M=mj+mb

(3)

式中：Ff為機器人滾動阻力(N)；μ為輪胎和地面間的滾動摩擦系數(shù)，不同路面類型μ取值不同，取最大值μ=0.03；M為機器人及背負(fù)物料質(zhì)量(kg)；g為重力加速度。

2)空氣阻力。

(4)

式中最大加速度Vmax=1 m/s，空氣阻力系數(shù)C=0.8，迎風(fēng)面積A=W×H=0.5×0.6=0.3 m2。計算得機器人工作時空氣阻力Fw=0.15 N。

3)機器人坡度阻力。

Fi= M×g×sinα

(5)

式中：Fi為機器人坡道阻力(kN)；最大坡度為3°，sinα=0.052。

4)加速阻力。

Fj=M×a

(6)

(7)

式中：Fj為加速阻力(kN)；Mz為機器人和運輸物料總質(zhì)量(kg)；v為從靜止經(jīng)過1 m距離達(dá)到速度(m/s)；s為從靜止經(jīng)過1 m距離需要的時間(s)；a為加速度(m/s2)，達(dá)到最大速度1 m/s，機器人行走5 m，加速度a=0.1 m/s2。

5)牽引拖車阻力

Ft=Ftf+Fti+Ftj

(8)

機器人在牽引狀態(tài)時，拖車阻力主要有拖車滾動摩擦力用Ftf表示，拖車坡道阻力用Fti表示，拖車加速阻力用Ftj表示。

綜合上述分析，背負(fù)式運輸時機器人運行阻力F背=632.65 N；背負(fù)牽引運輸時機器人運行阻力F牽=723.05 N。

2.2 電機計算

2.2.1 電機驅(qū)動力

1)在背負(fù)式運輸時，機器人每個電機克服1/4的阻力。

單個電機驅(qū)動力

(9)

式中：Fk為單個電機驅(qū)動力(N)；ka為電機安全系數(shù)，取1.25。

通過計算可知，F(xiàn)k=197.7 N。

2)背負(fù)牽引式運輸時，前后輪承受的阻力不同，前輪向后輪轉(zhuǎn)移重量用ΔG表示。

(10)

式中：ΔG為前輪向后輪轉(zhuǎn)移重量(N)；h為牽引栓高度0.35 m；L為兩輪軸距0.32 m。

通過計算可知，ΔG=197.6 N。

機器人后面裝有牽引栓，單個后輪電機的驅(qū)動力用Fh表示，單個前輪電機驅(qū)動力用Fq表示。

(11)

(12)

通過計算可知，F(xiàn)h=287.3 N，F(xiàn)q=164.2 N。

綜上所述，機器人單輪驅(qū)動力F要大于287.3 N。

2.2.2 單個電機輸出扭矩

(13)

式中：r為驅(qū)動輪半徑50 mm；i為減速比12；η為驅(qū)動總效率0.85。

通過計算可知，單個電機輸出扭矩M要大于1.40 N·m。

2.2.3 單個電機功率

(14)

式中：vmax為機器人最大速度1 m/s；η為從電機輸出軸到驅(qū)動輪的總效率0.85；通過計算可知，電機功率P要大于338 W。

2.2.4 電機轉(zhuǎn)速

(15)

式中：i為轉(zhuǎn)速比12；Vmax為機器人最大速度60 m/min；D為驅(qū)動輪直徑100 mm。

通過計算可知，電機最高轉(zhuǎn)速n要大于2 293 r/min。

2.2.5 電機型號 綜上所述，選擇永磁無刷直流減速電機，具體參數(shù)見表2

表2 驅(qū)動電機參數(shù)

2.3 驅(qū)動輪安裝板有限元分析

驅(qū)動輪安裝板作為驅(qū)動單元中關(guān)鍵的部件，需對其單獨進行應(yīng)力應(yīng)變分析。單個驅(qū)動輪安裝板裝有2個驅(qū)動輪，載荷較大，容易產(chǎn)生較大的應(yīng)力和撓度，選擇材料為304鋼，彈性模量為1.9×1011Pa，泊松比為0.29，屈服強度為σs=206.8 MPa。機器人運行時，考慮安全系數(shù)，單個驅(qū)動輪驅(qū)動力為287.3 N，利用Solidworks自帶的FEA軟件Simulation對驅(qū)動輪安裝板有限元分析，將安裝板與電機相關(guān)的螺栓孔做定位處理，有限元分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 驅(qū)動輪安裝板應(yīng)力有限元分析

圖中顏色為暖色調(diào)部分應(yīng)力大，冷色調(diào)部分應(yīng)力相對較小，安裝板與輪軸連接處附近發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，最大應(yīng)力值為1.813 MPa?？紤]安全因數(shù)，安全系數(shù)取n=2.5，則許用應(yīng)力[σ]為：

(16)

帶入304鋼屈服極限及安全系數(shù)值后，許用應(yīng)力為：[σ]max=82.72 MPa，由此可得，最大驅(qū)動力作用下，驅(qū)動輪安裝板應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力。

2.4 機器人框架有限元分析

機器人主框架包括：本體，電箱固定板、驅(qū)動單元固定板、電池倉、萬向輪安裝板、前后焊接板等，以上這些部件采用的厚度為8 mm的304鋼板焊接固定到一起，整體焊接的結(jié)構(gòu)保證了機器人的結(jié)構(gòu)強度。

2.4.1 背負(fù)式運輸作業(yè)狀態(tài)下機器人底板有限元分析 背負(fù)式作業(yè)時，機器人底板承受的壓力最大，因此需要對底板進行強度校核。機器人運行時驅(qū)動輪與萬向輪均與地面接觸，因此將與萬向輪和驅(qū)動輪相關(guān)的螺栓孔做定位處理，此時這32個孔將固定不動。考慮安全系數(shù)，在小車底板上均勻添加700 kg外部載荷。機器人底板應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

圖4 機器人底板靜應(yīng)力分析結(jié)果

圖中顏色為暖色調(diào)部分應(yīng)力大，冷色調(diào)部分應(yīng)力相對較小，臺階板與底板的連接處附近以及底板上的螺栓孔附近亦發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，且在底板中部變形最大，最大應(yīng)力值為46.77 MPa?？紤]安全因數(shù)，對于塑性材料，安全系數(shù)取n=2.5，則許用應(yīng)力為[σ]max=82.72 MPa。由此可得，最大背負(fù)載荷狀態(tài)下，機器人底板應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力。

2.4.2 背負(fù)式運輸作業(yè)狀態(tài)下機器人底板有限元分析 機器人在牽引運輸作業(yè)時，不但承擔(dān)整機和牽引物料的質(zhì)量，還要承擔(dān)行駛過程中所產(chǎn)生的各種力和力矩，其可靠性不僅關(guān)系到機器人能否正常作業(yè)，還關(guān)系到其安全性。因此需要對機器人牽引裝置進行強度校核，保證在使用時牽引裝置及其周邊件不會產(chǎn)生破壞及影響下次使用的變形。機器人牽引滿載時，牽引重量為100 kg，牽引狀態(tài)下機器人側(cè)身框架應(yīng)力分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 機器人框架靜應(yīng)力分析結(jié)果

從圖5中可以看出在牽引掛鉤處發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。經(jīng)過Simulation有限元分析，最大牽引載荷狀態(tài)下，框架上產(chǎn)生的最大應(yīng)力值為4.75 MPa，應(yīng)力范圍小于許用應(yīng)力。

通過有限元分析可知，機器人整體框架材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

3 機器人運行試驗

開展機器人直道和彎道的運行試驗，測試機器人行駛和駐車性能。試驗地面為地漆地面，與橡膠輪的滾動摩擦因數(shù)為0.015～0.020之間，試驗地面平整，無坡度。所用磁帶型號為JH-MGNT-30，寬30 mm，厚1.2 mm，地表粘貼式，N極磁面朝上，S極粘貼面與地面相粘貼，直道鋪設(shè)長度12 m，彎道轉(zhuǎn)彎半徑1.8 m，直道設(shè)置2個駐車點，彎道設(shè)置一個駐車點。按機器人設(shè)計要求，設(shè)置機器人行駛速度為0.5 m/s，通過加載砝碼，開展機器人背負(fù)載荷和牽引載荷狀態(tài)下的速度實驗，分析其運行能力。

由表3、表4可知，機器人背負(fù)或牽引帶動不同負(fù)載砝碼，整體的運行速度差異變化不大，速度穩(wěn)定性較好。實際溫室中，每個工位點都是確定的，溫室路徑不隨意改變，因此要求機器人在每個工位的停止點其停止偏差小于10 mm。由表3、表4可知，每個定位點的停止線位置都能保持在10 mm之內(nèi)，滿足要求。同時，試驗過程中，機器人運行平穩(wěn)，未出現(xiàn)側(cè)翻，這說明機器人運動穩(wěn)定性合格，滿足設(shè)計要求。

表3 直道行駛試驗方案及結(jié)果

表4 彎道行駛試驗方案及結(jié)果

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一款農(nóng)用智能運輸機器人，采用輪式行走方式，磁條導(dǎo)航，可以背負(fù)式運輸，也可以在尾部牽引拖車進行大型物料運輸。運動穩(wěn)定性是機器人最基本的動態(tài)特性，本文從驅(qū)動電機選型，機器人驅(qū)動輪安裝板、底盤和框架的有限元分析，實驗對比等方面探究了驅(qū)動單元對機器人運動穩(wěn)定性能的影響，試驗結(jié)果表明，機器人運行平順，運動穩(wěn)定，為后續(xù)農(nóng)業(yè)智化作業(yè)平臺設(shè)計提供了一定的指導(dǎo)意義。

目前農(nóng)業(yè)智能運輸平臺主要應(yīng)用在溫室，本文農(nóng)業(yè)運輸機器人應(yīng)用磁條導(dǎo)航，可以安裝在室外，不受光線限制，實現(xiàn)溫室內(nèi)外一體化運輸。本文機器人主要還是以背負(fù)式承載為主，牽引式承載為輔，牽引式承載重量還只能達(dá)到100 kg，在后續(xù)研究中，將對機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行改進，提高牽引承載重量，實現(xiàn)機器人的多功能應(yīng)用。