紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)與分析

路昊 郭輝 高國(guó)民 董芙楠 武天倫

摘要：針對(duì)紅花采摘移動(dòng)平臺(tái)自走能力差，在不平整田間地面工作時(shí)位姿發(fā)生傾斜等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種紅花采摘移動(dòng)平臺(tái)，并對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的整體性能進(jìn)行理論分析，確定移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。通過(guò)ANSYS靜力學(xué)分析模擬移動(dòng)平臺(tái)在彎曲、扭轉(zhuǎn)工況下的位移量和等效應(yīng)力，得到移動(dòng)平臺(tái)最大變形量為2.95 mm，發(fā)生在移動(dòng)平臺(tái)的右后輪位置；最大應(yīng)力為235.8 MPa，發(fā)生在后輪車(chē)架連接位置；整體位移量和應(yīng)變較小，移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)滿足要求。對(duì)設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行越障與爬坡性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：移動(dòng)平臺(tái)可以順利啟動(dòng)并保持一定速度勻速行走，動(dòng)力性能良好，極限越障高度為61.2 mm，縱向極限傾翻角等于19.7°，橫向極限傾翻角為18.3°。設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)具有較好的結(jié)構(gòu)和性能，可為紅花采摘作業(yè)機(jī)械提供綜合應(yīng)用平臺(tái)并可為后續(xù)的實(shí)地田間試驗(yàn)提供支撐。

關(guān)鍵詞：紅花；采摘移動(dòng)平臺(tái)；性能分析；靜力學(xué)分析；越障試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0242-08

收稿日期：2022年1月13日

修回日期：2023年 3月 28日

*基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金（2022D01A177）

第一作者：路昊，女，1997年生，山東濱州人，碩士研究生； 研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)裝備。E-mail：372379224@qq.com

通訊作者：郭輝，男，1979年生，烏魯木齊人，副教授；研究方向?yàn)樘厣魑锊墒贞P(guān)鍵技術(shù)與裝備。E-mail：gh97026@126.com

Design and analysis of mobile platform for safflower picking robot

Lu Hao， Guo Hui， Gao Guomin， Dong Funan， Wu Tianlun

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Xinjiang Agricultural University， Urumqi， 830052， China）

Abstract： In view of the poor self-propelled ability of the safflower picking mobile platform and the tilting of the position when working on uneven field ground， a safflower picking mobile platform was designed， and the overall performance of the mobile platform was analyzed theoretically to determine the rationality of the structural design of the mobile platform. The displacement and equivalent force of the mobile platform under bending and torsion conditions were simulated by ANSYS static analysis， the maximum deformation of the mobile platform was 2.95mm， which occured at the right rear wheel position of the mobile platform， the maximum stress was 235.8 MPa， which occurred at the rear wheel frame connection position， the overall displacement and strain was small， and the mobile platform structure met the requirements. The obstacle crossing and climbing performance test of the designed mobile platform was carried out， and the test results showed that the designed mobile platform could start smoothly and keep a certain speed to walk at a constant speed with good power performance， the ultimate overrun height was 61.2mm， the longitudinal ultimate tipping angle was equal to 19.7°， and the transverse ultimate tipping angle was 18.3°. The designed mobile platform has a good structure and performance， which can provide a comprehensive application platform for safflower picking machinery and can provide support for subsequent field trials.

Keywords： safflower; picking mobile platform; performance analysis; static analysis; obstacle crossing test

0 引言

紅花又稱為草紅花，廣泛地被用于與活血止痛有關(guān)的病癥上，而且紅花成熟后結(jié)成的紅花籽，是世界三大保健品之一紅花油的主要原材料。在數(shù)十個(gè)世紀(jì)前，我國(guó)新疆地區(qū)就開(kāi)始了紅花的種植，遍及較多的地區(qū)，就目前來(lái)看，新疆的紅花產(chǎn)量已經(jīng)位列全國(guó)之首。由于紅花采摘費(fèi)事費(fèi)力，而且成本較高，因此紅花產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到限制^[1]，而且紅花開(kāi)花時(shí)間比較集中，花期短，如果采摘不及時(shí)會(huì)造成紅花的損失率增大。隨著信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)的結(jié)合，使用移動(dòng)平臺(tái)作為載體進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)時(shí)對(duì)復(fù)雜地形具有較大的工作靈活性^[2]，可以將人解放出來(lái)，并且可以提高作業(yè)效率。因此針對(duì)紅花采摘設(shè)計(jì)研制一種移動(dòng)平臺(tái)是解決在節(jié)省勞力，提高效率和質(zhì)量等方面具有比較大的意義。

國(guó)內(nèi)外諸多的研究工作者對(duì)各種各樣的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了研究，做了眾多創(chuàng)新與改良。伍錫如等^[3]設(shè)計(jì)了一種針對(duì)蘋(píng)果采摘的移動(dòng)平臺(tái)，該移動(dòng)平臺(tái)由四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，同時(shí)配有激光測(cè)距儀，可檢測(cè)距離50 cm外的障礙物，該移動(dòng)平臺(tái)適應(yīng)性強(qiáng)，具有良好的避障能力。Bao等^[4]設(shè)計(jì)了一種專門(mén)在山地果園環(huán)境中工作的通用移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)，采用履帶式結(jié)構(gòu)，通過(guò)電力驅(qū)動(dòng)。Zhang等^[5]設(shè)計(jì)了一種可以全向運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)采用麥克納姆輪，可以實(shí)現(xiàn)橫向、縱向等復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，每個(gè)車(chē)輪與車(chē)身通過(guò)彈簧懸架連接，可以減輕車(chē)身的晃動(dòng)，保證移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的平穩(wěn)性。Fan等^[6]設(shè)計(jì)了一種由六個(gè)輪腿單元組成的移動(dòng)平臺(tái)，采用曲柄電機(jī)和俯仰連桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)越障功能，具有高機(jī)動(dòng)性。以上所述移動(dòng)平臺(tái)只能適用于田間地形良好的情況，當(dāng)田間地形不平整時(shí)，無(wú)法保證采摘平臺(tái)的水平。針對(duì)田間紅花采收的機(jī)械有梁丹丹等^[7]設(shè)計(jì)了一種可移動(dòng)式的紅花采摘行走裝置，該裝置主要由機(jī)架和地輪組成，依靠人力推動(dòng)在田間行走進(jìn)行紅花的采摘工作，該裝置是針對(duì)氣吸式的采摘機(jī)構(gòu)而設(shè)計(jì)的，還未完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化在田間的行走。目前針對(duì)紅花采收的機(jī)械大多以人工背負(fù)式或手持式為主，還未完全擺脫人工的參與，自動(dòng)化水平低，采收效率低。

因此本研究結(jié)合紅花種植規(guī)模和種植地形等要求，為實(shí)現(xiàn)紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的自主化行走和位姿調(diào)整，設(shè)計(jì)一種紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)。該移動(dòng)平臺(tái)采用兩個(gè)萬(wàn)向輪通過(guò)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)方式采用鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪在田間行走，針對(duì)田間地勢(shì)不平而影響采摘機(jī)械臂采摘精度問(wèn)題，該平臺(tái)安裝有4個(gè)電動(dòng)推桿，在不平整的田間可通過(guò)調(diào)整電動(dòng)推桿伸縮量使采摘平臺(tái)保持水平，保證采摘精度。

1 移動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

1.1 工作環(huán)境與總體結(jié)構(gòu)

農(nóng)田間作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)高性能的采摘機(jī)械，有一定的越障性能和支撐強(qiáng)度，從而避免在工作過(guò)程中損傷作物，因此為紅花采摘工作設(shè)計(jì)一種適應(yīng)性移動(dòng)平臺(tái)。設(shè)計(jì)的紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)適用于田間規(guī)范化種植的紅花采摘，即紅花生長(zhǎng)高度一般在450～750mm之間，行間距為200～450mm，田間紅花種植存在地面不平整情況。移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，因此移動(dòng)平臺(tái)各個(gè)部分選擇方案如下：（1）電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性低，具有高的可靠性，適合高精度的場(chǎng)合，因此移動(dòng)平臺(tái)采用電力驅(qū)動(dòng)方式。（2）輪式行走的方式容易控制而且轉(zhuǎn)向靈活，易于控制，因此設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)采用輪式行走方式。（3）四輪行走方式具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好的優(yōu)勢(shì)，因此移動(dòng)平臺(tái)選擇四輪行走方式。移動(dòng)平臺(tái)采用間歇式行進(jìn)的方式，通過(guò)萬(wàn)向輪進(jìn)行轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向控制通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差速實(shí)現(xiàn)，由于前輪驅(qū)動(dòng)性能好，傳動(dòng)效率高^[8]，因此采用前輪驅(qū)動(dòng)后輪轉(zhuǎn)向的形式。（4）移動(dòng)平臺(tái)箱體要放置采摘臂及各種元器件，因此要預(yù)留出相應(yīng)的空間，使各個(gè)部分不受干擾。（5）由于地面高低不平的情況，移動(dòng)平臺(tái)在采摘過(guò)程中會(huì)由于地面不平整的情況而出現(xiàn)采摘平臺(tái)傾斜的狀況，由于移動(dòng)平臺(tái)是機(jī)械臂的搭載載體，因此當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)傾斜時(shí)，相機(jī)所識(shí)別的紅花采摘區(qū)域的紅花三維坐標(biāo)會(huì)發(fā)生改變，影響機(jī)械臂的采摘精度，因此要保持移動(dòng)平臺(tái)的水平，因此平臺(tái)要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的移動(dòng)平臺(tái)高度。移動(dòng)平臺(tái)采用4個(gè)電動(dòng)推桿作為調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，根據(jù)平臺(tái)傾斜情況可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)高度來(lái)保證采摘平臺(tái)的平衡與穩(wěn)定性。移動(dòng)平臺(tái)作為機(jī)械臂的搭載平臺(tái)，其在田間行走的工作流程為：移動(dòng)平臺(tái)行進(jìn)到需要機(jī)械臂采摘的紅花位置，制動(dòng)停車(chē)，電動(dòng)推桿根據(jù)采摘平臺(tái)的傾斜情況進(jìn)行采摘平臺(tái)的調(diào)平，調(diào)平結(jié)束后，由機(jī)械臂采摘紅花，等待該區(qū)域紅花采摘完成之后前往下一個(gè)區(qū)域進(jìn)行工作。

根據(jù)紅花種植模式與紅花的生長(zhǎng)高度要求，移動(dòng)平臺(tái)采用騎跨式采摘。設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺(tái)的各結(jié)構(gòu)參數(shù)為：移動(dòng)平臺(tái)整體最低高度為1100mm，最大高度為1300mm，設(shè)計(jì)前后軸距1300mm。由于不同區(qū)域田間種植的紅花種植行距存在差異，因此設(shè)置左右轉(zhuǎn)向輪和驅(qū)動(dòng)輪間距可調(diào)，可調(diào)范圍為900～1100mm，可跨二行或三行進(jìn)行采摘紅花。移動(dòng)平臺(tái)各支腿的支撐機(jī)構(gòu)采用直線滑桿和角鋼，安裝在移動(dòng)平臺(tái)的4個(gè)對(duì)角位置，滑桿由固定軸承座固定在角鋼上，增加移動(dòng)平臺(tái)的承載能力。移動(dòng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由紅花采摘要求，主要由采摘平臺(tái)、滑桿、電動(dòng)推桿、轉(zhuǎn)向輪、采摘臂、電機(jī)、減速機(jī)、鏈輪、驅(qū)動(dòng)輪組成。采摘平臺(tái)由40mm×20mm×2mm的方鋼焊接制成的長(zhǎng)寬均為1500mm的正方形結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。采摘平臺(tái)可放置采摘機(jī)器臂，電池，雙目相機(jī)，控制柜及其他電子裝置。移動(dòng)平臺(tái)各部分機(jī)構(gòu)之間通過(guò)螺栓連接，可方便拆卸和安裝?？紤]到紅花行間距為400mm，作業(yè)環(huán)境狹窄，因此對(duì)移動(dòng)平臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)在空間限制上要求嚴(yán)格，傳動(dòng)系統(tǒng)一般分為帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)，但其中帶傳動(dòng)有時(shí)會(huì)有明顯的打滑或者彈性滑動(dòng)產(chǎn)生，因此移動(dòng)平臺(tái)采用鏈傳動(dòng)方式對(duì)其傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)^[9]。采用鏈輪鏈條驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪在田間的行進(jìn)。減速器采用直角減速器，可以減小安裝空間。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要部件為電機(jī)，直角減速機(jī)，鏈條，主動(dòng)齒輪，從動(dòng)齒輪組成，電機(jī)與直角減速器連接，減速機(jī)通過(guò)特有的支架固定在驅(qū)動(dòng)輪支架上，與減速機(jī)軸相連的主動(dòng)齒輪帶動(dòng)與驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)軸相連的從動(dòng)齒輪完成動(dòng)力傳輸，進(jìn)而使輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

位姿調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由包括電動(dòng)推桿與三角支撐機(jī)構(gòu)，三角支撐包括滑桿、角鋼，安裝在移動(dòng)平臺(tái)的四個(gè)支腿位置電動(dòng)推桿與移動(dòng)平臺(tái)采用螺栓連接，三角支撐與移動(dòng)平臺(tái)上端采用螺栓連接，下端采用焊接，上端采用螺栓連接可根據(jù)紅花種植行距隨時(shí)調(diào)節(jié)移動(dòng)平臺(tái)的左右間距。移動(dòng)平臺(tái)通過(guò)電動(dòng)推桿的伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)滑桿的上下升降，以電力控制驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)在田間不平地面工作時(shí)的位姿調(diào)整，保證移動(dòng)平臺(tái)采摘平臺(tái)的水平。也可根據(jù)紅花的生長(zhǎng)的高度進(jìn)行整體移動(dòng)平臺(tái)的升降，從而保證紅花在移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械臂的采摘范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)采摘。四個(gè)獨(dú)立的行走支腿，采用電動(dòng)推桿與三角支撐共同作用的方式，不僅具有位姿調(diào)整的作用，還可以增大移動(dòng)平臺(tái)的整體承載能力，在移動(dòng)平臺(tái)越障爬坡過(guò)程中保持底盤(pán)的穩(wěn)定性。

2 性能分析

移動(dòng)平臺(tái)作業(yè)的田間地形復(fù)雜，在復(fù)雜環(huán)境下的適用性能有靜態(tài)穩(wěn)定性、通過(guò)性、牽引力和阻力性能^[10]。對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行性能分析，可以為后續(xù)的靜力學(xué)仿真提供依據(jù)。

2.1 移動(dòng)平臺(tái)支撐力性能分析

移動(dòng)平臺(tái)的整體重量是由4個(gè)支腿上的電動(dòng)推桿與角鋼承載的，對(duì)4個(gè)電動(dòng)推桿進(jìn)行力學(xué)研究，可以得到單個(gè)電動(dòng)推桿的受力情況，從而分析電動(dòng)推桿的支撐性能是否滿足要求。在對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行支撐性能分析時(shí)，假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)無(wú)論受力與否，都不會(huì)發(fā)生形變^[11]。由于電動(dòng)推桿是線性運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，所以4根電動(dòng)推桿只允許上下移動(dòng)，因此僅對(duì)豎直方向進(jìn)行受力分析。

移動(dòng)平臺(tái)水平時(shí)，4根電動(dòng)推桿受力相同，此時(shí)不會(huì)出現(xiàn)單個(gè)電動(dòng)推桿受力最大的情況，只有當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)傾斜時(shí)，整體重量會(huì)落到某一根電動(dòng)推桿上，分析此時(shí)電動(dòng)推桿的最大受力，只有當(dāng)電動(dòng)推桿的推力大于最大受力，電動(dòng)推桿才能將移動(dòng)平臺(tái)調(diào)平。

如圖2所示，對(duì)傾斜狀態(tài)時(shí)的移動(dòng)平臺(tái)建立靜力學(xué)模型分析各電動(dòng)推桿受力大小。O-XYZ為固定坐標(biāo)系，O-X₁Y₁Z₁為相對(duì)坐標(biāo)系。平臺(tái)重心P（P_X，P_Y，P_Z），移動(dòng)平臺(tái)X軸傾角α，Y軸傾角β。

移動(dòng)平臺(tái)在空間中繞XY軸旋轉(zhuǎn)后的旋轉(zhuǎn)矩陣為

R=R_XR_Y=cosα0sinβ

sinαsinβcosα－sinαcosβ

－cosαsinβsinβcosαcosβ（1）

O-XYZ坐標(biāo)系中電動(dòng)推桿P₁、P₂、P₃、P₄的坐標(biāo)為

P₁=－a2，－a2，0^T

P₂=－a2，a2，0^T

P₃=a2，a2，0^T

P₄=a2，－a2，0^T（2）

移動(dòng)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)矩陣R后，電動(dòng)推桿P₁、P₂、P₃、P₄坐標(biāo)為

P₁=－a2cosβ，－a2（sinαsinβ+cosα），a2（cosαcosβ－sinα）^T

P₂=－a2cosβ，－a2（cosα－sinαsinβ），a2（cosαcosβ+sinα）^T

P₃=a2cosβ，a2（sinαsinβ+cosα），a2（sinα－cosαsinβ）^T

P₄=a2cosβ，a2（sinαsinβ－cosα），a2（－cosαsinβ－sinα）^T（3）

根據(jù)平衡條件，移動(dòng)平臺(tái)傾斜后的平衡方程為

∑N_X=0 ∑N_Y=0 ∑N_Z=0（4）

式中：N_X——X方向力矩；

N_Y——Y方向力矩；

N_Z——Z方向受力。

移動(dòng)平臺(tái)初始位置平衡方程為

∑4i=1N_i－G=0

∑4i=1N_iP_Y－GP_Y=0

∑4i=1N_iP_X－GP_X=0（5）

假設(shè)四條電動(dòng)推桿全部受到了同等的力，則滿足形變平衡方程

N₁L₁+N₃L₃=N₂L₂+N₄L₄（6）

式中：N_i——各電動(dòng)推桿的內(nèi)力；

L_i——電動(dòng)推桿原長(zhǎng)。

移動(dòng)平臺(tái)到水平狀態(tài)時(shí)重心坐標(biāo)為P（0，0，0），將式（3）代入式（5）得

N₁+N₂+N₃+N₄=G

（N₃－N₁）a2（sinαsinβ+cosα）+

a2（sinαsinβ－cosα）（N₄－N₂）=0

－a2cosβ（N₁+N₂+N₄－N₃）=0（7）

由式（6）、式（7）可得出各電動(dòng)推桿與移動(dòng)平臺(tái)傾角的關(guān)系，在讀取傾角傳感器的傾角數(shù)據(jù)后，就可得出各電動(dòng)推桿受力狀況。由三角函數(shù)分析知α和β的最大傾斜角度均為11.54°，把最大傾斜角度代入公式后得到電動(dòng)推桿最大受力為800N，由于電動(dòng)推桿長(zhǎng)度限制，移動(dòng)平臺(tái)傾斜角度達(dá)不到11.54°，所以電動(dòng)推桿最大受力小于800N，選取的電動(dòng)推桿最大推力為1000N，因此移動(dòng)平臺(tái)的支撐符合要求。

2.2 穩(wěn)定性能分析

移動(dòng)平臺(tái)的橫向穩(wěn)定性能是指當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在田間工作時(shí)，當(dāng)遇到斜坡時(shí)不會(huì)產(chǎn)生傾翻和滑移的能力。由于移動(dòng)平臺(tái)的底盤(pán)較地面高度較高，因此移動(dòng)平臺(tái)的重心較高，而且移動(dòng)平臺(tái)的高度是可變的，所以重心高度隨平臺(tái)的高度的變化而變化，在斜坡上行走或工作時(shí)不易保持穩(wěn)定性，所以移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性能是確保移動(dòng)平臺(tái)在坡道行駛的一個(gè)重要指標(biāo)。移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性能有縱向和橫向極限翻傾角。

2.2.1 縱向極限翻傾性能分析

縱向極限翻傾角是指當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在坡道上靜止時(shí)，始終保持車(chē)體穩(wěn)定且不產(chǎn)生縱向翻傾的最大坡度角稱為縱向極限翻傾角。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在上坡時(shí)（圖3），由受力分析建立如式（8）所示。

F₁+F₂=Gsinα_lim

Z₁+Z₂=Gcosα_lim

Gsinα_limh+Z₂H-Gcosα_limH₂=0（8）

式中：F₁、F₂——前后輪制動(dòng)力，N；

Z₁、Z₂——土壤對(duì)車(chē)輪的支反力，N；

α_lim——上坡極限傾翻角，（°）；

H——軸距，H=1.3m；

h——重心到地面的距離，h=1.3 m；

H₂——后輪到重心的距離，H₂=0.65 m。

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)處于上坡的翻傾極限狀態(tài)時(shí)，Z₁=0，此時(shí)，α_lim=arctanH₂h=26.6°。

分析可知重心位置靠前，上坡性能越好，重心位置靠后，下坡性能越好，為了保證上坡和下坡具有相同良好的性能，將移動(dòng)平臺(tái)的重心位置設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)的中心，使重心位置到前輪和后輪距離相等，此時(shí)移動(dòng)平臺(tái)的上坡和下坡縱向極限傾翻角相同，都為26.6°。

2.2.2 橫向極限翻傾性能分析

Y₁+Y₂=Gsinβ_lim

Z₁+Z₂=Gcosβ_lim

Gsinβ_limh+Z₁b=Gcosβ_limb2（9）

式中：Y₁、Y₂——左右車(chē)輪制動(dòng)力，N；

Z₁、Z₂——土壤對(duì)兩輪產(chǎn)生的支反力，N；

β_lim——橫向極限傾翻角，（°）；

b——左右輪距，b=0.9 m。

當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)處于橫向翻傾極限狀態(tài)（圖4）時(shí)，Z₁=0，此時(shí)，β_lim=arctanb2h=19.1°。

2.3 前輪越障性能分析

移動(dòng)平臺(tái)在進(jìn)入田間工作時(shí)由于地形凹凸不平，因此要研究移動(dòng)平臺(tái)在田間地形工作時(shí)能否跨越障礙的能力，移動(dòng)平臺(tái)在工作時(shí)處于低速狀態(tài)，可轉(zhuǎn)化為靜力學(xué)問(wèn)題分析^[12]。在分析過(guò)程中忽略輪胎變形。

由圖5可知前輪碰到障礙時(shí)，受力如式（10）所示。

F_P1cosα₁+μF_P2-μF_P1sinα₁=0

F_P1sinα₁+μF_P1cosα₁-F_P2-G=0

F_P1Dμ2-F_P2Dμ2+GH₁-F_P2H=0（10）

式中：μ——土壤附著系數(shù)，μ=0.9；

F_P1——障礙對(duì)前輪的法向作用力，N；

F_P2——后軸載荷，N；

α₁——前行走輪法向作用力與水平面夾角；

D——車(chē)輪直徑，D=0.4 m；

H₁——行走輪前軸至重心距離， m；

h₁——前輪越障高度，mm。

由幾何關(guān)系可知，sinα=1-2h₁/D，代入式 （10）可得

h₁=D21-μD2H1－μD2Hδ²+1－μD2H²²+1－μDHδ²+1－μD2H²+

D2μD2H1－μD2Hδ²+1－μD2H²（11）

其中，δ=1μ－1+μ²μ·H₁H－D2H（12）

將D、H₁、H、μ代入式（11）得前輪越障高度為86.1 mm，且越障高度與D和H₁有關(guān)，當(dāng)D和H₁越大，越障性能越好。在越障性能分析中，以前輪越障能力作為整個(gè)移動(dòng)平臺(tái)越障性能的指標(biāo)，因此當(dāng)前輪越障能力達(dá)到要求時(shí)，后輪越障能力也可滿足要求。

由于重心位置在移動(dòng)平臺(tái)的中心，加之重心位置的改變對(duì)越障高度的影響不大，因此越障高度h₁只與車(chē)輪直徑D有關(guān)。提高移動(dòng)平臺(tái)的越障性能可選擇直徑較大的輪。

2.4 移動(dòng)平臺(tái)直線行走性能分析

2.4.1 阻力分析

移動(dòng)平臺(tái)在田間地面的行走要克服各種形式的阻力，主要有輪胎與地面接觸的滾動(dòng)阻力F_f，靜止啟動(dòng)阻力F_f1，移動(dòng)平臺(tái)行走所受的空氣阻力F_w，移動(dòng)平臺(tái)上坡行走時(shí)所受坡道的坡度阻力F_i，移動(dòng)平臺(tái)加速行走時(shí)受到的空氣加速度阻力F_j^[13]。因此移動(dòng)平臺(tái)受到的阻力之和為：

F₁′=F_f+F_w+F_i+F_j

F_w=12CBρv²

F_f=mgfcosβ₁

F_i=mgfsinβ₁

F_j=ma（13）

式中：F₁′——驅(qū)動(dòng)輪的阻力，N；

β₁——田間地形傾斜角度；

F_f——滾動(dòng)阻力，N；

F_w——空氣阻力，N；

F_i——爬坡阻力，N；

F_j——加速度阻力，N；

C——空氣阻力系數(shù)；

B——迎風(fēng)系數(shù)，m²；

ρ——空氣密度，kg/m³；

f——滾動(dòng)阻力系數(shù)；

m——移動(dòng)平臺(tái)自重，kg；

a——移動(dòng)平臺(tái)行走的加速度，m/s²；

v——移動(dòng)平臺(tái)行走速度，m/s。

由于移動(dòng)平臺(tái)工作時(shí)的速度較低，空氣阻力可忽略不計(jì)。田間地面滾動(dòng)阻力系數(shù)f=0.025～0.035，取中間值，f=0.030。對(duì)田間地形坡度進(jìn)行測(cè)量，移動(dòng)平臺(tái)行駛最大坡度小于15°，取β₁=15°，將各參數(shù)帶入計(jì)算可得移動(dòng)平臺(tái)行走時(shí)阻力為863N。

2.4.2 牽引力分析

移動(dòng)平臺(tái)的牽引力反映行走機(jī)構(gòu)的動(dòng)力性能^[14]，

驅(qū)動(dòng)輪的牽引力是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)經(jīng)減速器和齒輪后傳遞的，驅(qū)動(dòng)輪產(chǎn)生的牽引力為

F₂′=TiN₂rN₁（14）

式中：F₂′——驅(qū)動(dòng)輪的牽引力，N；

r——驅(qū)動(dòng)輪半徑，r=0.2 m；

T——驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，N·m；

i——減速機(jī)減速比，i=52；

N₂——從動(dòng)輪齒數(shù)，Z₂=30；

N₁——主動(dòng)輪齒數(shù)，Z₁=12。

由移動(dòng)平臺(tái)所受阻力大小選擇移動(dòng)平臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率

P=F₁′v1 000=1.04 kW

移動(dòng)平臺(tái)行走速度v=1.2m/s，由于移動(dòng)平臺(tái)采用的是兩輪驅(qū)動(dòng)行走方式，所以每個(gè)電機(jī)的功率為0.502kW，為了保證移動(dòng)平臺(tái)具有更好的牽引性能及市面上已有的電機(jī)性能參數(shù)，選擇功率為0.75kW的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩為2.4N·m，最大轉(zhuǎn)矩為7.2N·m，經(jīng)計(jì)算得出牽引力為1560N，最大牽引力為4680N。對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行牽引力和阻力計(jì)算得出，牽引力大于阻力，因此移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力性能良好。牽引力越大，則移動(dòng)平臺(tái)的直線行走性能越好，在爬坡和越障時(shí)有更好的通過(guò)性能和穩(wěn)定性能。

3 移動(dòng)平臺(tái)有限元分析

移動(dòng)平臺(tái)的剛度與強(qiáng)度直接影響著移動(dòng)平臺(tái)工作性能，因此對(duì)移動(dòng)平臺(tái)整體車(chē)架進(jìn)行有限元分析，并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)保證移動(dòng)平臺(tái)在田間工作時(shí)可以承受較大的載荷，使移動(dòng)平臺(tái)順利工作。進(jìn)行有限元分析前，確定移動(dòng)平臺(tái)整體所選用材料，移動(dòng)平臺(tái)整體框架選用45號(hào)型材方鋼材料，機(jī)械臂搭載平臺(tái)材料選用鋁板，材料參數(shù)如表1所示。

3.1 網(wǎng)格劃分

對(duì)移動(dòng)平臺(tái)采用ANSYS Workbench 18.0進(jìn)行有限元模型的分析，忽略掉四個(gè)輪子和整個(gè)箱體框架及電動(dòng)推桿，僅保留移動(dòng)平臺(tái)整體框架。對(duì)靜力學(xué)分析的模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使得分析后的結(jié)果在準(zhǔn)確的同時(shí)符合實(shí)際情況^[15]，忽略孔和非承載件影響，同時(shí)將移動(dòng)平臺(tái)中的焊接認(rèn)為是理想焊接^[16]。按移動(dòng)平臺(tái)中各部分的實(shí)際裝配方式設(shè)置在ANSYS中的接觸類型：焊接的零件之間設(shè)置為bonded^[17]，螺栓連接的零件部分設(shè)置為NO Separation。

將SOLIDWORKS三維模型保存為X-T模式導(dǎo)入有限元分析軟件中，移動(dòng)平臺(tái)整體模型過(guò)大，對(duì)模型劃分大小合適的網(wǎng)格可以保證分析的速度與精度，使得有限元分析的效果最好^[18]。在ANSYS MESH中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的部分將網(wǎng)格尺寸大小設(shè)置為15mm，在采摘平臺(tái)與各支腿連接處將網(wǎng)格尺寸劃分到10mm，更改各個(gè)部分的材料屬性，模型網(wǎng)格劃分共得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為603041，單元數(shù)為219663。

3.2 施加載荷

為檢驗(yàn)移動(dòng)平臺(tái)在滿載時(shí)勻速行駛時(shí)車(chē)架整體性能情況，根據(jù)實(shí)際受力情況對(duì)移動(dòng)平臺(tái)施加對(duì)應(yīng)的載荷。移動(dòng)平臺(tái)所受載荷主要是控制柜，電池、機(jī)械臂和其余各種零器件產(chǎn)生的力和平臺(tái)行走時(shí)地面狀況施加的力。移動(dòng)平臺(tái)自重可在ANSYS軟件自動(dòng)計(jì)算后添加，根據(jù)各部件的實(shí)際安裝位置對(duì)移動(dòng)平臺(tái)施加相應(yīng)位置的力，以此模擬平臺(tái)在實(shí)際工作時(shí)所受力的情況。

有限元分析以靜力學(xué)為基礎(chǔ)，對(duì)車(chē)架整體性能進(jìn)行分析，以剛度和強(qiáng)度滿足要求為指標(biāo)，分析移動(dòng)平臺(tái)的位移和等效應(yīng)力，移動(dòng)平臺(tái)在所加載載荷一定的情況下，位移和等效應(yīng)力越小，則移動(dòng)平臺(tái)性能越好。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)在田間進(jìn)行作業(yè)時(shí)，由于環(huán)境比較復(fù)雜，因此車(chē)架所受載荷也比較復(fù)雜，根據(jù)移動(dòng)平臺(tái)不同的作業(yè)狀態(tài)，移動(dòng)平臺(tái)在彎曲、扭轉(zhuǎn)兩種工況下剛度和強(qiáng)度所受影響最大，因此模擬這兩種工況下的移動(dòng)平臺(tái)位移和等效應(yīng)力情況。

移動(dòng)平臺(tái)的彎曲工況是移動(dòng)平臺(tái)在滿載狀態(tài)下，移動(dòng)平臺(tái)在靜止或勻速行走時(shí)的位移和等效應(yīng)力分布情況，考慮作業(yè)速度和作業(yè)環(huán)境的影響^[19]，將動(dòng)載荷系數(shù)設(shè)定為2.5。圖6是移動(dòng)平臺(tái)彎曲工況位移分布云圖，最大變形量為0.425mm，發(fā)生在移動(dòng)平臺(tái)的中心位置，這是因?yàn)橐苿?dòng)平臺(tái)在此位置要受到機(jī)械臂和電池施加的載荷，因此變形量大于其余位置，同時(shí)可以看出移動(dòng)平臺(tái)的變形量大致相同，移動(dòng)平臺(tái)有較好的配重比。圖7為移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)力分布云圖，可以看出，所受應(yīng)力較小大多在11MPa范圍內(nèi)，最大應(yīng)力為99.02MPa，小于許用應(yīng)力142MPa，移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)符合要求。

移動(dòng)平臺(tái)的扭轉(zhuǎn)工況是移動(dòng)平臺(tái)在滿載狀態(tài)下，移動(dòng)平臺(tái)在田間工作時(shí)，由于路面狀況使得四條支腿不能同時(shí)著地時(shí)的位移和等效應(yīng)力分布情況，選取動(dòng)載荷系數(shù)為1.3。扭轉(zhuǎn)工況時(shí)，假設(shè)移動(dòng)平臺(tái)右后輪懸空。圖8是移動(dòng)平臺(tái)位移分布云圖，最大變形量為2.95mm，發(fā)生在移動(dòng)平臺(tái)的右后輪位置，圖9為移動(dòng)平臺(tái)的應(yīng)力分布云圖，可以看出，所受應(yīng)力較小大多在26.2MPa范圍內(nèi)，最大應(yīng)力為235.8MPa，發(fā)生在后輪車(chē)架連接位置，扭轉(zhuǎn)變形時(shí)此位置會(huì)阻礙發(fā)生變形導(dǎo)致應(yīng)力集中，但整體應(yīng)力小于許用應(yīng)力273MPa，移動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)符合要求。

3.3 樣機(jī)試制與測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)的作業(yè)性能和各項(xiàng)參數(shù)的合理性，結(jié)合理論分析與靜力學(xué)模擬分析制作紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)，并將移動(dòng)平臺(tái)的各部分按預(yù)定的位置進(jìn)行安裝，在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)選取合適的場(chǎng)地對(duì)所制作的紅花采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行性能試驗(yàn)。由于電動(dòng)推桿對(duì)整體移動(dòng)平臺(tái)的性能影響不大，因此在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)不安裝電動(dòng)推桿。

1） 越障試驗(yàn)。在越障試驗(yàn)中，移動(dòng)平臺(tái)滿載，行走速度調(diào)至最大從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)跨越障礙物，分別選取三處具有不同臺(tái)階高度的場(chǎng)地，來(lái)獲得移動(dòng)平臺(tái)不同的越障參數(shù)。對(duì)同一臺(tái)階高度進(jìn)行多次試驗(yàn)，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性， 并用卷尺（精度1mm）記錄越障數(shù)據(jù)。

2） 爬坡試驗(yàn)。在爬坡試驗(yàn)中，設(shè)計(jì)不同坡度的坡道，用水平儀測(cè)量坡道的坡度，坡道的長(zhǎng)度大于移動(dòng)平臺(tái)的整體長(zhǎng)度， 對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行極限傾角測(cè)試，移動(dòng)平臺(tái)以勻速行駛到斜坡上，記錄移動(dòng)平臺(tái)保持靜止?fàn)顟B(tài)的不同坡道的坡度數(shù)據(jù)。

移動(dòng)平臺(tái)性能測(cè)試結(jié)果如表2所示。

試驗(yàn)得到移動(dòng)平臺(tái)前輪越障高度為61.2 mm，上坡和下坡縱向極限翻傾角為19.7°，橫向極限翻傾角為18.3°，在實(shí)際試驗(yàn)過(guò)程中，由于移動(dòng)平臺(tái)本身制作誤差和進(jìn)行試驗(yàn)的道路環(huán)境存在差異，使得理論分析值與實(shí)際測(cè)試值有一定誤差，但設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)仍滿足工作要求。

4 結(jié)論

1） 針對(duì)紅花種植模式以及紅花采摘作業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)一種紅花采摘移動(dòng)平臺(tái)，闡述移動(dòng)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)和工作原理。移動(dòng)平臺(tái)整體離地間隙1100～1300mm，軸距1300mm，并設(shè)計(jì)左右輪距可調(diào)，可調(diào)范圍900～1100mm，高度可調(diào)、左右輪距可調(diào)以適應(yīng)紅花種植行距及生長(zhǎng)高度不一的問(wèn)題，滿足紅花采摘作業(yè)要求。

2） 對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到單個(gè)電動(dòng)推桿最大受力800N，小于選用電動(dòng)推桿的推力，移動(dòng)平臺(tái)的支撐性能良好。對(duì)車(chē)輪進(jìn)行穩(wěn)定和通過(guò)性能分析，得到前輪越障高度為86.1mm，上坡和下坡縱向極限翻傾角為26.6°，橫向極限翻傾角為19.1°，且越障性能與車(chē)輪直徑和重心位置有關(guān)，為了保證移動(dòng)平臺(tái)的穩(wěn)定性和越障性，將重心位置設(shè)置在移動(dòng)平臺(tái)中心，因此越障性能僅與車(chē)輪直徑有關(guān)，車(chē)輪直徑越大，越障性能越好。計(jì)算移動(dòng)平臺(tái)行駛中所受阻力的大小從而選擇合適的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力設(shè)計(jì)滿足要求。

3） 對(duì)移動(dòng)平臺(tái)框架進(jìn)行彎曲和扭轉(zhuǎn)工況的有限元靜力學(xué)分析，得到彎曲和扭轉(zhuǎn)工況下的位移分布云圖和等效應(yīng)力云圖，在滿載情況下，最大變形量2.95mm，移動(dòng)平臺(tái)的變形量較小，最大等效應(yīng)力為235.8 MPa，小于移動(dòng)平臺(tái)制作材料的屈服極限，設(shè)計(jì)的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)符合要求。

4） 對(duì)制作的移動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，移動(dòng)平臺(tái)動(dòng)力性能良好，極限越障高度為61.2mm，縱向極限傾翻角為19.7°，橫向極限傾翻角為18.3°，雖與理論分析（越障高度86.1°，縱向極限翻傾角26.6°，橫向極限翻傾角均為19.1°）存在一定誤差，但仍滿足工作要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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