移動并聯(lián)多功能農(nóng)業(yè)機器人機構(gòu)設(shè)計與仿真*

王志遠 ， 康 杰 ， 顧 懿 ， 胡楊樹

（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210012）

0 引言

我國農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著非常重要的地位[1]。在植保噴藥領(lǐng)域，傳統(tǒng)的人工噴灑農(nóng)藥模式費時費力，且受天氣和地形等因素的影響較大。在噴灑農(nóng)藥時，作業(yè)人員存在著農(nóng)藥中毒的風險[2]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快[3-5]，國內(nèi)外很多地方逐漸使用植保無人機噴灑農(nóng)藥，此模式雖能解決人力作業(yè)存在的安全性不足和勞動力短缺等問題，卻又帶來了農(nóng)藥浪費、影響健康等新問題。

目前國內(nèi)對具有精準噴灑功能的農(nóng)業(yè)機器人的研究還很欠缺，但對并聯(lián)機構(gòu)和噴霧裝置的研究卻不少。樊正強等[6]論述了農(nóng)業(yè)機器人常見的行進方式，并對各種行進方式的優(yōu)缺點和控制方法的穩(wěn)定性進行了分析。馬智斌[7]提出了一種并聯(lián)式自動采茶機，基于Delta機器人，利用機器視覺技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)茶葉采摘。張強[8]研究的多功能農(nóng)業(yè)機器人具有可互換的各功能模塊結(jié)構(gòu)，能夠完成旋耕、播種作業(yè)和除草作業(yè)?；炻?lián)機器人在此領(lǐng)域中更是鳳毛麟角。農(nóng)作物幼苗較脆弱，且易受到外加的壓力影響而產(chǎn)生變形或者斷裂，因而需要農(nóng)業(yè)機器人本身具備很高的靈活性和智能化水平[9]。本文提出并設(shè)計了一種移動并聯(lián)農(nóng)業(yè)機器人，其并聯(lián)機構(gòu)和移動平臺的結(jié)合恰恰滿足要求。二者實現(xiàn)了功能互補：并聯(lián)機構(gòu)具有剛度大、承載能力強、精度高、末端件慣性小等一系列優(yōu)點，而移動平臺具有全方位移動的特點，恰好可以彌補并聯(lián)機構(gòu)不能移動這一缺點，二者結(jié)合為農(nóng)作物精準作業(yè)研究、節(jié)省能源提供了一種新的思路。

1 總體設(shè)計方案

總體設(shè)計方案流程如圖1所示。第一步通過農(nóng)作物幼苗及雜草的高度確定底盤的高度；第二步根據(jù)需要的工作空間的范圍并結(jié)合并聯(lián)機構(gòu)的靜力學分析，來確定并聯(lián)機構(gòu)主動桿和從動桿的長度尺寸及材料；第三步通過SolidWorks對整體結(jié)構(gòu)進行建模，繪制出具體的三維模型；第四步對主要部件進行有限元仿真分析，以確定其強度能夠支持機器人平穩(wěn)運行；第五步根據(jù)設(shè)計要求進行農(nóng)業(yè)機器人整體的實物制作與實驗。

圖1 總體設(shè)計方案流程圖

2 運動學分析

考慮到本設(shè)計主要是在目標物上方，利用水平工作空間進行定位噴灌，對垂直空間的要求并不是很高，所以在滿足所需空間時，以包絡(luò)一個最大圓柱體（h×D）為目標來設(shè)計各桿件的尺寸[10]。該圓柱體空間即為單個并聯(lián)機構(gòu)的任務工作空間。在接下來的分析中，先進行單個并聯(lián)機構(gòu)的工作空間分析。為更好地得到任務工作空間的表達式，采用解析法，將三維圖簡化成二維圖，進行工作空間分析，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)機器人二維工作空間簡圖

首先可以給定一個h作為任務工作空間的高，給定一個H作為任務工作空間距離靜平臺的距離，給定一個D作為圓柱形任務工作空間的直徑?？梢缘玫侥┒藞?zhí)行器的可達任務工作空間上界限和下界限的數(shù)學方程，如式（1）和式（2）所示。

主動桿L1向上運動，一直運動到極限角度θmin，此時從動桿處于豎直狀態(tài)，動平臺中心點P在可達任務工作空間的上界限。因此，主動桿L1與從動桿L2滿足以下等式：

空間直徑D為：

靜平臺與動平臺的半徑差d的約束條件為：

給定圓柱任務工作空間直徑D為400 mm，高h為100 mm。圓柱任務工作空間上邊界與定平臺距離H為400 mm。已知定平臺外接圓半徑R為183 mm，動平臺外接圓半徑r為34 mm，靜平臺與動平臺的半徑差d為149 mm。根據(jù)公式（3）（4）（5），可以計算出主動桿長度L1為142 mm，從動桿長度L2為499 mm。并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 并聯(lián)機構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)約束條件公式對并聯(lián)機構(gòu)主動桿和從動桿的長度計算分析，并結(jié)合實際噴灌作業(yè)的需求提出了理想的任務工作空間，同時進行逆向運動學分析。最后利用MATLAB軟件對并聯(lián)機構(gòu)的末端執(zhí)行器運動軌跡進行仿真驗證，經(jīng)過仿真驗證可知，單個并聯(lián)機構(gòu)末端執(zhí)行器的空間移動范圍大于所需的任務工作空間范圍。如圖3長方形框所示，可以更加明顯地看出單個并聯(lián)機構(gòu)的工作空間包含了圓柱形狀的任務工作空間。同理可知，當有兩個并聯(lián)機構(gòu)時，整個農(nóng)業(yè)機器人的工作空間為兩個互不干涉而且邊緣相互觸碰的圓柱體。

圖3 工作空間仿真與驗證

3 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

農(nóng)業(yè)機器人三維建模圖如圖4所示。該農(nóng)業(yè)機器人能夠在田間對目標農(nóng)作物進行精準灌溉。其具有能夠全方位移動的底盤，移動到作業(yè)地點后，并聯(lián)機構(gòu)的動平臺及末端執(zhí)行器能夠快速準確地定位到農(nóng)作物幼苗上方位置，通過安裝在末端的噴霧灌溉裝置對目標位置的農(nóng)作物進行噴灑灌溉，隨后末端執(zhí)行器再移動到下一個農(nóng)作物幼苗上方位置，以此循環(huán)作業(yè)。

圖4 移動并聯(lián)多功能農(nóng)業(yè)機器人三維建模圖

3.1 并聯(lián)機構(gòu)設(shè)計

并聯(lián)機構(gòu)模塊主要由動平臺、定平臺、主動桿、從動桿、球鉸、L型支架、磁編碼器固定件和電機構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)機構(gòu)模塊

3.2 外部框架設(shè)計

為了保證較強的通過性，框架采用四條腿的形式，即用四根鋁型材與輪系相連接。這種結(jié)構(gòu)在田間作業(yè)時有很強的通過性，直行或者側(cè)向行駛時都能極大程度地避免與農(nóng)作物的碰撞接觸。

3.3 移動底盤設(shè)計

農(nóng)業(yè)機器人的工作環(huán)境是凹凸不平的農(nóng)田，在田間作業(yè)時平穩(wěn)性較差，會產(chǎn)生大振幅振動。為保證農(nóng)業(yè)機器人平穩(wěn)行駛，減小對聯(lián)軸器的徑向彎曲應力，延長聯(lián)軸器的使用壽命，需要設(shè)置合適的避震裝置。相比其他移動機構(gòu)，該移動底盤結(jié)構(gòu)簡單，且對田間土地的破壞最小。

3.4 輪系及包覆機構(gòu)設(shè)計

為了將電機、避震器和框架合理連接，設(shè)計一種包覆機構(gòu)，如圖6所示。其主要由兩塊懸掛側(cè)板和三個墊塊組成，兩個懸掛軸承座墊座包覆住電機，兩塊側(cè)板上用一根螺栓固定住避震器。

圖6 電機包覆機構(gòu)三維建模圖

輪系爆炸圖如圖7所示，主要由螺栓、壓緊帽、麥克納姆輪、聯(lián)軸器、懸掛軸承座、擋邊軸承、懸掛側(cè)板、懸掛軸承座墊座、光軸座、鋁方管、避震器固定件、40轉(zhuǎn)30連接件、避震器、電機、懸掛墊塊等組成。

圖7 輪系爆炸圖

4 有限元分析

作為并聯(lián)機構(gòu)中的關(guān)鍵部件，主動桿起到連接電機和從動桿的作用，主要承受從動桿、動平臺以及末端執(zhí)行器的重量。為驗證主動桿強度是否可靠，需進行有限元分析。據(jù)靜力學分析可知，在從動桿垂直位置時，主動桿受力最大。由此可通過Ansys Workbench進行有限元分析。首先將建立的主動桿三維模型導入到Ansys Workbench中，對該模型進行材料設(shè)置，可知主動桿受到從動桿、動平臺和噴頭的重力，合計為10 N。其次設(shè)置主動桿末端的拉力為10 N，然后進行求解，結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 主動桿總形變

圖9 主動桿等效應力

圖10 主動桿等效彈性應變

可以看出，主動桿最大總形變?yōu)?.06 mm，主動桿最大等效應力發(fā)生在主動桿與電機軸連接一側(cè)的開槽處，為6.9 MPa，最大等效彈性應變也發(fā)生在主動桿與電機軸連接一側(cè)的開槽處，為0.000 1 m/m。形變均處于合理的范圍內(nèi)，因此主動桿設(shè)計合理，能承受住工作時的所承擔的力。

5 實物裝配與實驗

將各個部分依次實物化，并進行合理組裝。實驗部分主要進行移動平臺實驗和農(nóng)作物定位模擬實驗。

5.1 移動平臺實驗

為驗證農(nóng)業(yè)機器人的移動能力和速度，在地上貼了一條黃色測試標簽。農(nóng)業(yè)機器人從起點出發(fā)進行直線行駛，通過計算，行駛速度為0.5 m/s。同時，為驗證其側(cè)向移動的優(yōu)越性，對其轉(zhuǎn)彎能力進行測試，速度約為0.3 m/s，可以發(fā)現(xiàn)這樣的側(cè)向移動并不會像普通輪子轉(zhuǎn)彎那樣導致工作盲區(qū)。移動平臺實驗驗證了農(nóng)業(yè)機器人具備靈活的行走能力，不管是直線行駛還是側(cè)向行駛都具有很強的通過性，而且行駛的速度和穩(wěn)定性都符合預期。農(nóng)業(yè)機器人直線行駛和側(cè)向行駛測試現(xiàn)場實物圖如圖11至圖14所示。

圖11 直線行駛移動起始點

圖14 側(cè)向行駛移動終點

圖12 直線行駛移動終點

圖13 側(cè)向行駛移動起始點

5.2 農(nóng)作物定位模擬實驗

按照設(shè)定好的程序，對目標農(nóng)作物進行定位模擬實驗，機器人運動到農(nóng)作物正上方后，雙并聯(lián)機構(gòu)同時快速對目標農(nóng)作物進行標定，且準確無誤，實驗效果如圖15、圖16所示。農(nóng)作物定位實驗驗證了農(nóng)業(yè)機器人作業(yè)的特點，能夠精準快速地定位到農(nóng)作物上方。

圖15 雙并聯(lián)機構(gòu)同時標定實驗圖

圖16 雙并聯(lián)機構(gòu)同時標定實驗俯視圖

6 結(jié)束語

課題組研制的移動并聯(lián)農(nóng)業(yè)機器人機構(gòu)，結(jié)合移動平臺和并聯(lián)機構(gòu)各自的優(yōu)勢，應用于農(nóng)業(yè)灌溉作業(yè)。本機構(gòu)兼顧移動平臺出色的全方位移動能力，雙Delta并聯(lián)機構(gòu)能夠輪流或并行操作提高效率。結(jié)果表明，課題組研制的移動并聯(lián)農(nóng)業(yè)機器人可以有效實現(xiàn)穩(wěn)定行走和精準定位噴灑作業(yè)，與人工噴灑農(nóng)藥和植保機覆蓋式噴灑相比，本設(shè)計的優(yōu)勢尤其明顯，各項資源均被有效利用，有利于節(jié)能減排。