高壟畦溝小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人設(shè)計與試驗

摘要 針對高壟畦溝小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人的設(shè)計內(nèi)容進行研究，首先闡述了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，其次闡述了關(guān)鍵部件設(shè)計，再次闡述了多體動力學(xué)性能分析，最后提出了行駛穩(wěn)定性試驗。在此期間設(shè)計了一種較小的輪式機器人。為了論證該機器人的可用性和實用性，使用RecurDyn仿真軟件對機器人可能應(yīng)用到的田壟結(jié)構(gòu)動力學(xué)和運動學(xué)進行仿真建模。仿真結(jié)果表明，此次設(shè)計的機器人模型可以達到轉(zhuǎn)向半徑超過0.8 m的實際需求，并按照田壟結(jié)構(gòu)來進行直線上的工作，在此期間移動平臺的側(cè)傾角不會超過3°，且該移動平臺所支持的作業(yè)速度上限為1.0 m/s。田間試驗結(jié)果表明，當(dāng)該移動植保機作業(yè)速度為1.0 m/s時，最大側(cè)傾角為14.00°。

關(guān)鍵詞 高壟畦溝；小型移動平臺；仿真試驗；設(shè)計

中圖分類號 S 22? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）23-0198-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.23.045

Design and Experiment of Small Agricultural Robot for High Ridge Furrow

CEN Hua

（Guangxi Modern Polytechnic College， Hechi， Guangxi? 547000）

Abstract In this paper， the design content of small agricultural robot for high ridge furrow was studied. Firstly， the overall structure design was described. Secondly， the design of key components was elaborated. Thirdly， the multi-body dynamic performance analysis was elaborated. Finally， the driving stability experiment was proposed. During this period， we designed a small-size wheeled robot. In order to demonstrate the usability and practicability of this robot， this paper mainly used RecurDyn simulation software to simulate the dynamics and kinematics of the field ridge structure that the robot might applied. Through the simulation results， it could be judged that the robot model in this design could reach the actual demand that the turning radius exceeded 0.8 m， and it could operate on the straight line according to the field ridge structure， and the roll angle of the mobile platform would not exceed than 3 ° during this period，? the upper limit of operation speed supported by the mobile platform was 1.0 m/s. The field test results showed that the maximum roll angle of the mobile plant protection machine was 14.00° when the working speed was 1.0 m/s.

Key words High ridge furrow;Small mobile platform;Simulation experiment;Design

基金項目 2021年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2021KY1420）；2022年廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目（2022KY1438）。

作者簡介 岑華（1977—），男，廣西河池人，教授，從事機械CAD/CAM技術(shù)、智能控制與機器人技術(shù)研究。

收稿日期 2022-12-07

隨著時代的發(fā)展與進步，壟作法也需要針對水土保持特性來進行適當(dāng)改變。鑒于高壟畦溝獨特的特點，需要針對田間管理機械進行適當(dāng)改良。某地是我國著名的農(nóng)業(yè)種植基地，所種植的農(nóng)產(chǎn)品種類較多?？紤]到農(nóng)業(yè)作業(yè)的困難性，我國學(xué)術(shù)界提出了小型農(nóng)業(yè)作業(yè)機器人的設(shè)計，以期能通過輪式機器人來改善農(nóng)作物的成活率，避免蟲害對農(nóng)田造成過多的破壞。成艷真［1］構(gòu)建了一種導(dǎo)苗管式機器人，試驗表明這種機器人操作較為便捷，它能提升農(nóng)作物的移栽工作效率。全武生等［2］設(shè)計了500 kV四分裂輸電線路防震錘檢修機器人，這種機器人具有較強的自動作業(yè)能力。于庚等［3］提出了深海作業(yè)型機器人總體設(shè)計，并進行了性能分析。鮑明松等［4］設(shè)計了一種復(fù)合式的農(nóng)業(yè)耕耘培土機，但是針對田間管理方面的設(shè)計成果仍然存在部分缺陷。

在植保工作中使用的移動平臺是目前我國學(xué)術(shù)界和研究專家急于突破的領(lǐng)域方向，傳統(tǒng)的植保設(shè)備包含無人機植保和高地植保設(shè)備［5］，因為農(nóng)作物種植通常是以山丘丘陵為主的田壟，因此高地植保設(shè)備難以投入到田間作業(yè)中，難以滿足農(nóng)產(chǎn)品后期的植保工作需求。目前，我國在農(nóng)業(yè)作業(yè)期間仍然采用以人工式打藥機為主的植保工作體系，但是因為農(nóng)作物的種類多樣且數(shù)量較大，因此需要投入較多的勞動力，并且在人力工作期間也容易對部分農(nóng)作物造成損傷。

為了有效解決此類問題，筆者提出了一種以三輪結(jié)構(gòu)為主體架構(gòu)的移動平臺。該平臺具有較強的田頭轉(zhuǎn)向功能，因其自身具備穩(wěn)定的臨界條件，這些條件能夠幫助移動平臺計算并分析側(cè)傾角的上限，若車速發(fā)生變化則移動平臺也會隨之開展動力分析和運動分析，確保移動平臺能夠在田壟作業(yè)期間正常進行工作。為了確保該平臺的實用性和穩(wěn)定性，筆者通過相關(guān)的試驗方案來論證該平臺設(shè)計成果是否可靠。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)

此次設(shè)計中機器人移動平臺的關(guān)鍵性參數(shù)如下：型號輪式，質(zhì)量60 kg，長×寬×高1.0 m×0.4 m×0.9 m，平均作業(yè)速度0.3 m/s，軸距0.6 m，后輪間距0.2 m，質(zhì)心高度0.21 m。

移動平臺包含傳動系統(tǒng)、噴藥系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和車身構(gòu)成，具體如圖1所示。其中，傳統(tǒng)系統(tǒng)由驅(qū)動減速器和驅(qū)動電機構(gòu)成，車身包含龍門架和車架等，而轉(zhuǎn)向系統(tǒng)包含轉(zhuǎn)向減速器、前輪轉(zhuǎn)角傳感器等［6］。

1.2 工作原理

在實際工作期間，工作人員會利用網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)對輪式機器人進行有效控制，而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的核心在于SBUS接收器。這種接收器能夠通過串口傳輸與微控制器之間形成有效互動，而其中的遙控器和工作人員則構(gòu)成了人機交互，這樣才能夠支持工作人員隨時針對田間情況進行操作，通過2.4 GHz頻道和串口傳輸來完成對整個噴霧系統(tǒng)和動力系統(tǒng)的控制，具體工作原理如圖2所示。其中，動力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在實際工作期間主要通過直流電流和驅(qū)動器來進行工作，最終通過遙控系統(tǒng)與噴藥系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的連接來完成對輪式機器人的控制。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

2.1 傳動系統(tǒng)設(shè)計

從圖3可以看出，在設(shè)計期間需要針對移動平臺的傳送系統(tǒng)進行適當(dāng)改動?？紤]到各種因素，該試驗使用后輪驅(qū)動的方式來進行傳動系統(tǒng)的構(gòu)建，其設(shè)計原理是利用控制器來完成對驅(qū)動電機的操控，以此提供相關(guān)的動力。在設(shè)計期間需要將電機驅(qū)動器和STM32單片機來構(gòu)成相關(guān)的控制器，通過對單片機所傳輸?shù)腜WM信號進行接收并調(diào)控，以此來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向電機的工作速度和工作性能。

考慮到設(shè)計的合理性，在設(shè)計期間需要針對移動平臺在水平面工作期間所遭受的阻力進行計算，所遇到的阻力來源于滾動阻力Ff和空氣阻力Fw，除了這2種阻力外還包括平臺本身所具備的重力阻力Fi，同時包含加速期間所形成的加速阻力Fj，因此輪式機器人移動平臺在行使期間所需要遭受的阻力如下：

F=Ff+Fw+Fi+Fj（1）

輪式機器人在日常工作期間所產(chǎn)生的速度普遍較低［7］，因此需要將初始速度設(shè)為固定值，這樣才能避免加速阻力對整體輪式機器人平臺造成過大的影響，其中重力阻力和滾動阻力與車身自身的重力成正比。

Fw=Ff+Fi=G（f+i）（2）

i=tana（3）

式中：Fw為空氣阻力，單位N；

G為車身自身的重力，單位N；

f為滾動摩擦因數(shù)，取0.1；

i為道路坡度；

a為道路坡道角。

通常情況下田壟的通道結(jié)構(gòu)均為T型，在輪式移動平臺轉(zhuǎn)彎期間車輪會更加靠近田壟的一面［8］，因此需要將壟坡底部的坡腳設(shè)置為30°。通過式（1）和式（3）可以計算出，在此期間移動平臺所遇到的行駛阻力為408 N。

為了保證移動平臺能夠照常繼續(xù)行駛，需要確保車輪所提供的驅(qū)動力超出其所具備的行駛阻力，而在此期間安全系數(shù)應(yīng)設(shè)置為1.5，即

f>1.5Fw=612 N

電機驅(qū)動力的計算公式：

Ft=Ttq/r=9 550 p/（nr）（4）

式中：Ttq為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)矩，單位N·m；

r為驅(qū)動輪半徑，取150 mm；

p為電機額定功率，單位kW；

n為電機額定轉(zhuǎn)速，單位r/min。

驅(qū)動系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。針對該系統(tǒng)的驅(qū)動力和安全行駛阻力進行計算，選擇一個額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min和額定功率750 W的直流無刷電機，同時還應(yīng)當(dāng)增設(shè)一個具有良好工作性能的減速器，因此在設(shè)計期間該系統(tǒng)的驅(qū)動力為637 N，符合田間工作的性能標準。

2.2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計

此次設(shè)計期間選擇三輪模型來進行設(shè)計，這樣才能確保輪式機器人在田間工作轉(zhuǎn)向期間能夠降低轉(zhuǎn)向輪陷入田壟當(dāng)中的深度，提升轉(zhuǎn)向控制性能。此外，為了確保從根本上提升三輪車模型系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，選擇雙輪機構(gòu)來進行設(shè)計。這種雙輪機構(gòu)能夠極大程度上加大地面與系統(tǒng)的接觸面積，適當(dāng)減小移動平臺在轉(zhuǎn)向期間的前輪側(cè)偏角。轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

此次設(shè)計用步進電機來充當(dāng)轉(zhuǎn)向電機，這種電機只有單軸能夠進行電能輸出，其中的步距角參數(shù)為1.8°，而精度參數(shù)為5%。因此，在實際設(shè)計期間要將電機與轉(zhuǎn)向軸之間進行連接，該設(shè)計使用減速器來進行連接，以提升并優(yōu)化轉(zhuǎn)向驅(qū)動扭矩，防止步進電機在工作期間存在誤差，另外還要設(shè)置相關(guān)的編碼器，以此來構(gòu)建轉(zhuǎn)向的閉環(huán)回路，從根本上提升轉(zhuǎn)向期間的精準控制。

該輪式機器人移動平臺的轉(zhuǎn)彎半徑如圖6所示，其計算公式如下：

Ri=l/sinθ（5）

θ=ay/40（6）

式中，l為軸距長度，θ為前輪轉(zhuǎn)角，a為步距角，y為脈沖頻率。

按照輪式機器人移動平臺的結(jié)構(gòu)，內(nèi)側(cè)轉(zhuǎn)彎半徑R2與轉(zhuǎn)角的關(guān)系如下：

cosθ=R1+R2-M/（2R1R2）（7）

M=l2+（N/2）2（8）

式中，M為前輪與后內(nèi)側(cè)輪間距，N為后輪間距。

3 多體動力學(xué)性能分析

3.1 移動平臺車身建模和仿真分析

此次設(shè)計主要是使用了RecurDyn軟件來進行仿真設(shè)計，在此期間應(yīng)用相對坐標系和相對遞歸算法構(gòu)建出符合車身的多體動力學(xué)模型，設(shè)計的仿真模型如圖7所示。

從圖7可以看出，這種移動平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在仿真設(shè)計的建模階段需要針對平臺中的行駛系統(tǒng)展開深入分析，在分析期間因為設(shè)計內(nèi)容較為復(fù)雜，將其分解為以下設(shè)計步驟進行設(shè)計：

首先，需要針對工作部件中較為煩瑣和復(fù)雜的部分進行優(yōu)化，最終以缸體的形式展現(xiàn)出來，利用加載運動系統(tǒng)的方式來展開相關(guān)的仿真工作。

其次，適當(dāng)減少了不重要的非工作部件，其中包含大量的螺母和螺栓。

最后，利用三維測量和計算的方式來展開模型的參數(shù)計算。筆者認為參數(shù)是影響此次仿真設(shè)計的關(guān)鍵因素，因此要確保參數(shù)的正確性和精準性。通過計算得出該模型的缸體數(shù)目為5，自由度為6，而運動副數(shù)目為4。在仿真軟件中要先通過對前后輪展開相關(guān)的驅(qū)動副添加，這樣才能展開接下來的轉(zhuǎn)彎半徑測量仿真工作。

從圖8可以看出，該移動平臺在設(shè)計期間最終呈現(xiàn)出來的前輪轉(zhuǎn)角參數(shù)為50°，而轉(zhuǎn)彎半徑的參數(shù)為0.8 m，與設(shè)計內(nèi)容相符。

3.2 ?機器人轉(zhuǎn)向半徑測試

如圖9所示，在輪式機器人移動平臺轉(zhuǎn)向試驗期間的最小轉(zhuǎn)彎半徑需要維持與平臺前輪轉(zhuǎn)角之間的同向性，在此情況下進行一圈低速自轉(zhuǎn)能夠獲得轉(zhuǎn)向內(nèi)側(cè)車輪與外側(cè)車輪之間所生成的內(nèi)外側(cè)軌跡，在這種情況下需要針對這種內(nèi)外側(cè)軌跡進行測量［9］，通過測量結(jié)果能夠得出移動平臺在維持前輪轉(zhuǎn)角為50°時內(nèi)輪轉(zhuǎn)彎半徑為0.78 m，這樣才能符合相關(guān)的轉(zhuǎn)向半徑標準。

3.3 移動穩(wěn)定性臨界條件分析

移動平臺側(cè)向傾斜角是評估移動平臺安全穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標，傾斜角的增加能夠提升移動平臺的側(cè)翻概率，車身自身出現(xiàn)側(cè)翻的臨界條件是要確保重心低于地輪，如圖10所示。

因為移動平臺需要采取相關(guān)的農(nóng)業(yè)作業(yè)，在作業(yè)工作階段平臺若出現(xiàn)抖動的情況會導(dǎo)致作業(yè)質(zhì)量嚴重下降或上升，因此在此次仿真分析期間需要針對輪式機器人在不同速度條件下所產(chǎn)生的側(cè)傾角方差來充當(dāng)相對標準的移動平臺指標。該指標能夠評估并代表該平臺所具備的平穩(wěn)性指標，需要針對平穩(wěn)性相對較高的移動速度范圍進行適當(dāng)定位。

3.4 壟間行走仿真分析

在進行田間工作期間輪式機器人的平穩(wěn)性與田間平穩(wěn)性和車輛行駛速度之間存在著必然的關(guān)聯(lián)性，因此需要針對不同速度條件下的行駛速度和穩(wěn)定性進行分別記錄［10］。此次仿真分析期間設(shè)置了0.8、1.0、1.3 m/s 3種速度（圖11），要確保輪式機器人在壟間行駛期間的側(cè)傾角上限為±2°左右，這樣才能確保車身所呈現(xiàn)的振動趨勢與起伏狀態(tài)相同，因為壟溝底部的平穩(wěn)性相對較高，因此在側(cè)傾角和振幅上限都會隨著車速波動而改變。此次仿真分析在采集期間需要用3種不同的田壟參數(shù)來進行仿真，對輪式機器人壟間行駛速度進行仿真分析，測試出其中的側(cè)傾角變化和移動穩(wěn)定性變化，如圖12所示。當(dāng)輪式機器人的速度較高時，側(cè)傾角和其方差也會顯著增加，而行駛的平穩(wěn)性則會隨之降低。

4 行駛穩(wěn)定性試驗

4.1 試驗方法 在試驗期間因為農(nóng)田作業(yè)后期在實驗基地展開，因此主要通過直線行駛和田間試驗（圖13）2種試驗方法來開展試驗。通過定速行駛試驗方法開展測試，利用電子陀螺儀對不同速度條件下車身側(cè)傾角的參數(shù)來進行測量，通過最終得出的測量數(shù)據(jù)來分辨并判斷出輪式機器人在壟間行駛速度上限，針對機器人在進行田間轉(zhuǎn)向期間所存在的缺陷測量車身側(cè)傾角上限并及時修正。

4.2 田間試驗

4.2.1 田間勻速行駛試驗。

輪式機器人在勻速行駛期間所展開的試驗方法是遙控式測試法，這種方法主要是通過電子陀螺儀針對輪式機器人在不同速度條件下行駛所呈現(xiàn)出的側(cè)傾角，具體如圖14所示。

如圖14所示，在試驗期間側(cè)傾角所呈現(xiàn)出來的波動相對較小，當(dāng)速度參數(shù)為0.8 m/s時，側(cè)傾角上限為10.30°（圖14a）；當(dāng)速度參數(shù)為1.0 m/s時，側(cè)傾角上限為11.70°（圖14b）；當(dāng)速度參數(shù)為1.3 m/s，側(cè)傾角上限達到14.00°（圖14c）。在此期間要確保試驗結(jié)果與仿真結(jié)果存在同向性，因此在實際仿真期間輪式機器人的最佳作業(yè)速度為1.0 m/s左右。

4.2.2 最大側(cè)傾角試驗。

在進行側(cè)傾角上限試驗期間將移動作業(yè)速度上限設(shè)置為1.0 m/s，通過若干次試驗結(jié)果后將田間轉(zhuǎn)向側(cè)傾角上限測試數(shù)據(jù)如表1所示。

通過相關(guān)試驗測量出輪式機器人在進行田間轉(zhuǎn)向期間車身的側(cè)傾角上限為14.00°，并且在實際試驗期間車身并沒有發(fā)生側(cè)翻的現(xiàn)象。綜上可知，此次設(shè)計較為成功，能夠在田間工作期間完成常規(guī)的農(nóng)業(yè)作業(yè)，并且難以發(fā)生側(cè)翻的現(xiàn)象，能夠滿足大多數(shù)農(nóng)戶對輪式機器人的使用需求和移動平臺對輪式機器人的運動需求。通過測試能夠得出輪式機器人在水平面工作期間可以達到的最小轉(zhuǎn)彎半徑參數(shù)為0.8 m，當(dāng)車身速度參數(shù)為1.0 m/s、側(cè)傾角上限參數(shù)為14.00°時，輪式機器人在實際工作期間表現(xiàn)出較強的運動穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)彎性能。

5 結(jié)論

（1）考慮到農(nóng)業(yè)作業(yè)所處的工作環(huán)境需要針對傳動系統(tǒng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行新的仿真設(shè)計，要確保能夠符合預(yù)期的作業(yè)效果，確保能夠符合機器人田間直線行駛和田頭轉(zhuǎn)向等基本需求。

（2）主要使用RecurDyn仿真軟件來開展相關(guān)的仿真試驗，要確保前輪轉(zhuǎn)角參數(shù)與轉(zhuǎn)彎半徑符合預(yù)期的設(shè)計，要確保在壟間行走期間輪式機器人的穩(wěn)定性。

（3）利用不同的試驗手段針對輪式機器人的穩(wěn)定性來進行相關(guān)的測試，以確保輪式機器人在田間行駛期間的功能和性能符合相關(guān)標準，測試結(jié)果表明該機器人和其移動平臺可以在田壟間行駛并擁有較高的穩(wěn)定性和安全性，搖擺的幅度相對較小，并不會破壞農(nóng)作物。

參考文獻

［1］ 成艷真.基于VR場景設(shè)計的采摘機器人協(xié)同作業(yè)分析［J］.農(nóng)機化研究，2020，42（12）：194-199.

［2］? 全武生，江維，張安，等.500kV四分裂輸電線路防震錘檢修機器人機型設(shè)計與優(yōu)化［J］.電力科學(xué)與工程，2020，36（4）：70-78.

［3］? 于庚，凌宏杰，王志東，等.深海作業(yè)型機器人總體設(shè)計及性能分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（7）：90-95.

［4］? 鮑明松，孫洪陽，孫增良，等.無人機與消防機器人協(xié)同偵察滅火作業(yè)系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測試，2020（7）：130-132.

［5］? 苑葵，李素靜.基于PLC的采摘機器人作業(yè)路徑避障系統(tǒng)設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2020，42（10）：247-250.

［6］? 李贇釗，袁銳波，徐成現(xiàn).草莓采摘機器人行走機構(gòu)設(shè)計［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2021，59（8）：69-72.

［7］? 何東健，張庭鋒，李邦國，等.除草機器人機器視覺自動導(dǎo)航技術(shù)研究［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2020，48（18）：201-205.

［8］? 陳思羽，邱學(xué)華，陳晨.智能草莓田間管理機器人的設(shè)計［J］.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（10）：179-181.

［9］? 王先偉，吳明暉，周俊，等.采茶機器人導(dǎo)航避障及路徑規(guī)劃研究［J］.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（12）：121-124.

［10］? 林鵬.一種靈巧作業(yè)機器人的設(shè)計與標定方法［D］.大連：大連理工大學(xué)，2019.