壟作草莓采摘機器人行走機構設計與仿真

王大龍 ，孫世文 ，王騰宇

（山東青年政治學院，山東 濟南 250103）

0 引言

智能化果蔬采摘機器人是現(xiàn)代溫室中的重要裝備，研究其關鍵技術具有重要的意義。草莓被譽為“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，費時費力，由于草莓生長于壟上且壟溝狹窄，所以采摘機械體必須小巧靈活，而現(xiàn)有的平鋪于地壟表面的草莓采摘機械裝置往往不能用于日光溫室壟作草莓果實的采摘[1-3]。

合理的行走機構設計對于草莓采摘機器人實現(xiàn)平穩(wěn)移動和跨壟作業(yè)意義重大，是提高采摘作業(yè)自動化程度、機械化水平和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益的重要手段。即使現(xiàn)有履帶式、輪式行走機構的采摘裝置可沿壟溝方向移動作業(yè)，往往也不能跨壟移動，特別是在壟溝距離較長的采摘現(xiàn)場[4-7]。本文基于壟作草莓采摘機器人的設計與研究，提出一種能夠跨壟移動的行走機構，可自動跨至下一壟溝進行采摘，從而實現(xiàn)壟作草莓的自動化連續(xù)采摘。

1 總體設計

本文主要針對我國大多數(shù)地壟式草莓種植模式下的自動化采摘裝置進行研究，分析設計出可跨壟移動的行走機構，采摘機械手可設置于行走機構上，以實現(xiàn)機械手沿壟溝和跨壟溝的移動作業(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。行走機構主要由支撐裝置和移動裝置組成，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，移動裝置利用兩組車輪交替作用在移動平臺上向前運動，從而實現(xiàn)行走機構的跨壟移動。

圖1 行走機構的結構示意圖

1.1 支撐裝置設計

支撐裝置包括水平鏡像向內(nèi)設置的兩個L型支撐底座I和與支撐底座I翻轉(zhuǎn)設置的兩個L型支撐底座Ⅱ，兩個支撐底座I與對應的支撐底座Ⅱ構成兩組支撐平臺。支撐底座I和支撐底座Ⅱ分別設置有相互垂直的豎向立板和橫向底板，底板為移動裝置前后運動提供支撐平臺。支撐底座I和支撐底座Ⅱ的底板相對設置，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裝置的前車輪I和后車輪I、前車輪Ⅱ和后車輪Ⅱ，實現(xiàn)移動裝置的跨壟運動。立板內(nèi)側(cè)水平設置有滑軌I，可與移動裝置的旋轉(zhuǎn)接頭滑動連接；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)關節(jié)連接的小腿，通過旋轉(zhuǎn)關節(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)。小腿底部設置有滾輪，可實現(xiàn)支撐裝置沿壟溝方向移動。支撐裝置整體結構如圖2所示。

圖2 支撐裝置的結構示意圖

1.2 移動裝置設計

移動裝置包括可在支撐底座I底板上運動的前車輪I、后車輪I和可在支撐底座Ⅱ底板上運動的前車輪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，車輪交替作用在支撐底座I和支撐底座Ⅱ構成的兩組移動平臺上。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置有前連桿、后連桿。前連桿端部垂直于立板設置有前伸縮桿，后連桿端部垂直于立板設置有后伸縮桿。前伸縮桿兩端通過電機設置有前旋轉(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滑動連接，實現(xiàn)前旋轉(zhuǎn)接頭沿滑軌I滑動，同時通過控制前伸縮桿的伸縮實現(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設置有后旋轉(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滑動連接，實現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭沿滑軌I滑動，同時通過控制后伸縮桿的伸縮實現(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置有支撐桿，支撐桿頂端通過水平支架連接，支架上設置有可沿壟溝方向移動作業(yè)的采摘裝置。移動裝置整體結構如圖3所示。

圖3 移動裝置的結構示意圖

2 工作原理

初始狀態(tài)時，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，機械手通過攝像頭識別采摘目標，在采摘區(qū)域內(nèi)作業(yè)，通過小腿底部設置的滾輪可實現(xiàn)支撐裝置沿壟溝方向移動。當支撐裝置進行跨壟運動時，控制后伸縮桿的伸縮實現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ與滑軌I脫離，通過電機控制前旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ轉(zhuǎn)動，從而實現(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，支撐底座Ⅱ的支撐腿跨壟翻轉(zhuǎn)至下一壟溝內(nèi)。驅(qū)動車輪使移動裝置在支撐裝置的底板上向前運動，后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ隨著移動裝置運動至支撐底座Ⅱ上，通過控制后伸縮桿的伸縮繼續(xù)實現(xiàn)與滑軌I連接；運動過程中，移動裝置由前車輪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。當移動裝置完全運動至支撐底座Ⅱ的底板上后，通過電機控制后旋轉(zhuǎn)接頭I轉(zhuǎn)動，從而實現(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現(xiàn)后旋轉(zhuǎn)接頭I與滑軌I脫離，然后通過電機控制前旋轉(zhuǎn)接頭I轉(zhuǎn)動，從而實現(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，支撐底座I的支撐腿跨壟翻轉(zhuǎn)至下一壟溝內(nèi)。驅(qū)動車輪使移動裝置在支撐裝置的底板上向前運動，后旋轉(zhuǎn)接頭I隨著移動裝置運動至支撐底座I上，通過控制后伸縮桿的伸縮繼續(xù)實現(xiàn)與滑軌I連接；運動過程中，移動裝置由前車輪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。當移動裝置完全運動至支撐底座I的底板上后，通過電機控制后旋轉(zhuǎn)接頭Ⅱ轉(zhuǎn)動，從而實現(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 運動仿真

ADAMS軟件是一款適用于機器人、機械、汽車等仿真和運動學分析的強大工具，是目前世界上使用范圍最廣、可靠性最高的機械運動仿真分析軟件[8]，被廣泛應用于機械制造、汽車工程、航空航天、工程設備及重型機械等領域[9-11]。ADAMS軟件可以模擬復雜的三維機械系統(tǒng)，仿真結果具有預測機械設備的運行狀態(tài)、優(yōu)化產(chǎn)品設計和制造過程、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)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，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，并將導出的parasolid.x_t格式文件導入ADAMS中，設置工作環(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置旋轉(zhuǎn)副，創(chuàng)建旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，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，仿真結果如圖4所示。

圖4 支撐底座I和支撐底座Ⅱ的仿真結果

由曲線可知，支撐底座I和支撐底座Ⅱ在所設階躍函數(shù)的驅(qū)動下，曲線變化比較平穩(wěn)，表明支撐底座在給定的軌跡中運行穩(wěn)定，未發(fā)生突變，沒有明顯沖擊，可以滿足實際工作的任務要求。分析線加速度和角加速度曲線可得，支撐底座運行時受重力、負載等因素影響，加速度會產(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 結語

本文提出了一種可跨壟移動的行走機構，主要用于壟作草莓采摘機器人，可替代人工采摘，省時省力，該采摘裝置不僅可以沿壟溝方向移動，同時能夠跨壟作業(yè)，特別是在壟溝距離較長的采摘現(xiàn)場，可自動跨壟至下一壟溝進行采摘，以完成采摘裝置橫向和縱向的移動作業(yè)，從而實現(xiàn)壟作草莓的自動化連續(xù)采摘。利用ADAMS軟件對行走機構進行仿真實驗，結果表明：該機構運行平穩(wěn)，能夠完成跨壟連續(xù)作業(yè)，具有較大的實用意義，可以有效降低運行成本，提高采摘效率。