植物工廠物流搬運(yùn)裝備關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

眭 旸,毛罕平,徐海波,邢高勇

(江蘇大學(xué) 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

0 引言

植物工廠是一種通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)施內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度及營(yíng)養(yǎng)液等環(huán)境因素進(jìn)行高精度自動(dòng)控制,從而創(chuàng)造適宜作物生長(zhǎng)發(fā)育的外界環(huán)境,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)作物周年高效可持續(xù)生長(zhǎng)且生產(chǎn)過(guò)程為自動(dòng)化作業(yè)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng);也是一種不受或很少受外界自然條件制約的技術(shù)高度密集型、資源高效利用型生產(chǎn)方式[1]。但是,植物工廠也存在著勞動(dòng)生產(chǎn)力增大的問(wèn)題,因此加快植物工廠生產(chǎn)的自動(dòng)化進(jìn)程以降低成本是發(fā)展植物工廠的必經(jīng)之路[2-3]。

國(guó)內(nèi)外的設(shè)施農(nóng)業(yè)物流裝備普遍應(yīng)用于解決溫室內(nèi)大面積苗床或種植槽的物流搬運(yùn)問(wèn)題,而有關(guān)植物工廠自動(dòng)化生產(chǎn)的裝備研究尚少。日本神內(nèi)植物工廠的移栽收獲機(jī)器人可在栽培車間上方軌道上行走和定位,通過(guò)光電傳感器進(jìn)行精確定位,定位精度較高,但靈活性較差[4]。江蘇大學(xué)周亞波等開(kāi)發(fā)了一套植物工廠栽培板搬運(yùn)系統(tǒng),由動(dòng)軌、靜軌、電動(dòng)小車和機(jī)械手組成。與神內(nèi)植物工廠的機(jī)器人相比,該系統(tǒng)的定位靈活性更好,但由于剪叉式升降機(jī)構(gòu)的約束不足導(dǎo)致機(jī)械手定位誤差較大[5]。

針對(duì)以上問(wèn)題,以江蘇大學(xué)植物工廠為背景,對(duì)其物流系統(tǒng)的AGV移動(dòng)底盤(pán)和機(jī)械臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和試驗(yàn)研究,以提高物流搬運(yùn)裝備的柔性、靈活性和定位精度等性能。

1 AGV移動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 驅(qū)動(dòng)單元

為了盡量減小整個(gè)底盤(pán)的定位誤差,提高位姿糾偏能力,基于狹長(zhǎng)型底盤(pán)的外形限制,設(shè)計(jì)的底盤(pán)機(jī)構(gòu)如圖1所示。

1.萬(wàn)向輪 2.驅(qū)動(dòng)輪 3.霍爾傳感器 4.頂升機(jī)構(gòu) 5.懸掛系統(tǒng) 6.無(wú)刷直流電機(jī)圖1 底盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Chassis structure diagram

底盤(pán)上的前后兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元分別負(fù)責(zé)前后部分的移動(dòng)和糾偏。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元包括2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪、2個(gè)無(wú)刷直流電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)、4個(gè)萬(wàn)向輪、1套懸架系統(tǒng)和1個(gè)霍爾傳感器。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元之間的鋼材殼體負(fù)責(zé)承載系統(tǒng)的電源和底盤(pán)控制組件的安裝。

驅(qū)動(dòng)輪的直徑為120mm,材質(zhì)為聚氨酯。該材料有利于增加輪子與地面之間的摩擦力,兩輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng),安裝于同一個(gè)懸掛系統(tǒng)上,懸掛系統(tǒng)通過(guò)減震機(jī)構(gòu)與車架相連[6]。驅(qū)動(dòng)單元的4個(gè)角安裝有4個(gè)高強(qiáng)度尼龍材質(zhì)的萬(wàn)向從動(dòng)輪,可實(shí)現(xiàn)底盤(pán)的無(wú)障礙轉(zhuǎn)向,單輪可載重300kg。前后驅(qū)動(dòng)單元靠外的位置分別裝有一個(gè)霍爾傳感器,負(fù)責(zé)底盤(pán)導(dǎo)航路徑的跟蹤。

1.2 減震機(jī)構(gòu)

為了小車底盤(pán)在路面不平整的情況下保持車身穩(wěn)定,即實(shí)現(xiàn)4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪和8個(gè)萬(wàn)向輪所組成的12輪AGV與地面形成有效接觸,需利用驅(qū)動(dòng)輪的減震特性。基于以上考慮,設(shè)計(jì)了如圖2所示的減震機(jī)構(gòu)。

1.頂升蓋 2.安裝板 3.彈簧套筒 4.直線軸承 5.彈簧 6.懸架 7.驅(qū)動(dòng)輪圖2 減震機(jī)構(gòu)Fig.2 Damping mechanism

在底盤(pán)裝配時(shí),將驅(qū)動(dòng)輪的安裝高度稍低于周圍的萬(wàn)向輪的安裝高度,使在12個(gè)輪子共同著地的情況下減震彈簧處于被壓縮狀態(tài),為驅(qū)動(dòng)輪提供足夠的摩擦力。在一個(gè)驅(qū)動(dòng)單元中,兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪安裝在同一個(gè)懸架上,共用一個(gè)減震彈簧,彈簧上方是頂升蓋,頂升蓋與懸架之間裝有導(dǎo)向桿保持機(jī)構(gòu)垂直運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪被抬高時(shí),另一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪仍可在彈簧的壓力下與地面保持接觸;當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪同時(shí)被抬高時(shí),整個(gè)減震機(jī)構(gòu)可以同步升起。所以,減震機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)既可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪獨(dú)立減震,也可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)整體減震[7]。

2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 升降裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

升降裝置包括三級(jí)升降機(jī)構(gòu)和滾珠絲桿升降機(jī)構(gòu),如圖3所示。

1.電動(dòng)推桿 2.絲桿電機(jī) 3.第一級(jí)升降機(jī)構(gòu) 4.第二級(jí)升降機(jī)構(gòu) 5.第三級(jí)升降機(jī)構(gòu) 6.滾珠絲桿升降機(jī)構(gòu) 7.同步帶圖3 升降裝置Fig.3 Lifting device

第一級(jí)升降機(jī)構(gòu)固定在底盤(pán)上,第二級(jí)升降機(jī)構(gòu)在電動(dòng)推桿的推動(dòng)下,從第一級(jí)升降機(jī)構(gòu)框體內(nèi)部升起至作業(yè)行程,此時(shí)電動(dòng)推桿停止運(yùn)動(dòng)。在第二級(jí)升降機(jī)構(gòu)上升的同時(shí),帶動(dòng)同步帶運(yùn)動(dòng),同步帶拉動(dòng)第三級(jí)升降機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)同時(shí)啟動(dòng)、同步上升、同時(shí)停止;停止后,滾珠絲桿升降機(jī)構(gòu)底部電機(jī)開(kāi)始運(yùn)行,絲桿轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)絲桿螺母向上運(yùn)動(dòng),螺母上的安裝板連同左右兩側(cè)的滑塊隨之向上運(yùn)動(dòng),固定在機(jī)械臂末端的拉繩位移傳感器將位移變化轉(zhuǎn)換成電壓量輸入控制器,控制器經(jīng)過(guò)比較后輸出脈沖控制絲桿電機(jī)調(diào)整升降位移以實(shí)現(xiàn)升降機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)定位。

機(jī)械臂平移裝置裝載工作結(jié)束后,升降裝置需完成下降動(dòng)作。首先,滾珠絲桿升降機(jī)構(gòu)上的電機(jī)反轉(zhuǎn),絲桿反轉(zhuǎn),帶動(dòng)絲桿螺母向下運(yùn)動(dòng),螺母上的安裝板連同左右兩側(cè)的滑塊隨之向下運(yùn)動(dòng)直到零位時(shí)停止;隨后,電動(dòng)推桿開(kāi)始回位,帶動(dòng)第二級(jí)升降機(jī)構(gòu)完成回位,同步帶拉動(dòng)第三級(jí)同時(shí)完成回位。

2.2 平移裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

平移裝置共分為三級(jí)平移機(jī)構(gòu)和翻叉機(jī)構(gòu),如圖4所示。

1.升降裝置 2.第一級(jí)平移機(jī)構(gòu) 3.1號(hào)滑軌 4.齒條 5.1號(hào)電機(jī) 6.雙面齒同步帶 7.單面齒同步帶 8.2號(hào)滑軌 9.翻轉(zhuǎn)電機(jī)殼 10.第二級(jí)平移機(jī)構(gòu) 11.第三級(jí)平移機(jī)構(gòu) 12.2號(hào)電機(jī) 13.翻叉機(jī)構(gòu)圖4 平移裝置Fig.4 Translation device

平移裝置未開(kāi)始作業(yè)時(shí),三級(jí)平移機(jī)構(gòu)堆疊組合,均處于初始工位。升降裝置上升至任務(wù)高度后,平移裝置需要進(jìn)行伸出動(dòng)作完成取件作業(yè)。首先,1號(hào)步進(jìn)電機(jī)工作,帶動(dòng)雙面齒同步帶在第一級(jí)平移機(jī)構(gòu)的齒條上平移,第二級(jí)平移機(jī)構(gòu)隨之向右移動(dòng),滿足行程要求后停止運(yùn)動(dòng);然后,2號(hào)步進(jìn)電機(jī)工作,帶動(dòng)單面同步帶圍繞第二級(jí)平移機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng),固定在同步帶上的翻轉(zhuǎn)電機(jī)殼隨之在1號(hào)滑軌上向右平行移動(dòng),直到拉繩傳感器檢測(cè)到位移已達(dá)到參考值時(shí),停止運(yùn)動(dòng),此時(shí)兩只翻叉伸入栽培板上安裝的鋁環(huán)中;最后,絲桿電機(jī)工作帶動(dòng)整個(gè)平移裝置向上移動(dòng),翻叉將栽培板抬起脫離栽培槽。栽培板取件過(guò)程如圖5所示。

圖5 栽培板取件示意圖Fig.5 Schematic diagram of picking up cultivation board

裝載栽培板結(jié)束后,需要完成回位動(dòng)作。首先,2號(hào)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn), 帶動(dòng)單面同步帶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng), 使得翻轉(zhuǎn)電機(jī)殼在2號(hào)滑軌上向左移動(dòng)至初始位置;隨后,1號(hào)步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn),帶動(dòng)雙面齒同步帶順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)第二級(jí)平移機(jī)構(gòu)在第一級(jí)平移機(jī)構(gòu)表面的齒條上向左移動(dòng)回初始位置。

2.3 機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

前文已經(jīng)介紹過(guò)通過(guò)SolidWorks建立的物流機(jī)械臂的三維模型,為避免增加工作量造成冗余約束,需對(duì)該模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,把沒(méi)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系的零部件刪除,將沒(méi)有運(yùn)動(dòng)關(guān)系且材質(zhì)相同的部件進(jìn)行合并處理。將模型導(dǎo)入ADAMS中,添加約束、驅(qū)動(dòng)函數(shù)和力,得到負(fù)載狀態(tài)下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。通過(guò)仿真得到了機(jī)械臂作業(yè)過(guò)程中各機(jī)構(gòu)的位移、速度和加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

通過(guò)AMDAS的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真,得到了末端執(zhí)行器(翻叉機(jī)構(gòu))的位移與速度變化曲線,如圖6和圖7所示。

圖6 翻叉機(jī)構(gòu)位移變化曲線Fig.6 Reversible fork mechanism displacement curve

圖7 翻叉機(jī)構(gòu)速度變化曲線Fig.7 Reversible fork mechanism speed curve

由圖6、圖7可知：A-B表示第二級(jí)、第三級(jí)升降機(jī)構(gòu)同時(shí)上升;B-C表示絲桿升降機(jī)構(gòu)上升;C-D對(duì)應(yīng)的I-J表示第二級(jí)、第三級(jí)平移機(jī)構(gòu)依次右移使翻叉伸入栽培板鋁環(huán);D-E表示絲桿升降機(jī)構(gòu)抬起栽培板;E-F對(duì)應(yīng)的K-L表示第三級(jí)、第二級(jí)平移機(jī)構(gòu)依次左移回位;F-G表示絲桿升降機(jī)構(gòu)下降回位;G-H表示第三級(jí)、第二級(jí)升降機(jī)構(gòu)同時(shí)下降回位。

由以上分析可知：翻叉機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中z方向的位移在0～2650mm之間變化,初始位置和位移范圍均符合第二章的設(shè)計(jì)要求。機(jī)械臂速度在-60～+60mm/s之間變化,整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中沒(méi)有加速度突變,波動(dòng)穩(wěn)定,符合運(yùn)動(dòng)規(guī)律,有利于翻叉機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定裝載,驗(yàn)證了機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)方案的可行性。

3 機(jī)械臂定位試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了評(píng)價(jià)機(jī)械臂設(shè)計(jì)方案的可行性和工況下的定位精度,通過(guò)測(cè)量搬運(yùn)機(jī)械臂在作業(yè)時(shí)的運(yùn)動(dòng)誤差,分析其運(yùn)動(dòng)特性。實(shí)際搬運(yùn)作業(yè)中,物流系統(tǒng)的搬運(yùn)機(jī)械臂是沿著栽培架上的不同高度的栽培槽進(jìn)行定位,所以試驗(yàn)?zāi)M了系統(tǒng)在不同目標(biāo)高度下的機(jī)械臂定位精度測(cè)試。試驗(yàn)步驟如下：

1)栽培架坐標(biāo)系(如圖8所示)。以第二列栽培架第一層栽培槽第二個(gè)栽培板為起始工位,通過(guò)手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的方式將機(jī)械臂的翻叉機(jī)構(gòu)對(duì)作業(yè)高度h分別為0.4、1.2、2.0、2.8m時(shí)的4個(gè)栽培板上的叉取鋁環(huán)中心實(shí)現(xiàn)對(duì)準(zhǔn)定位;分別將4個(gè)高度下手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)時(shí)拉繩位移傳感器在xyz3個(gè)方向上的位移記錄下來(lái), 并以此作為試驗(yàn)中校驗(yàn)測(cè)量誤差的參考位移值。

圖8 栽培架坐標(biāo)系Fig.8 Cultivation rack coordinate system

2)將機(jī)械臂回位。首先,令其自動(dòng)定位到作業(yè)高度h為0.4m的栽培板的鋁環(huán)中心,然后,記錄此時(shí)xyz3個(gè)方向上位移傳感器的實(shí)測(cè)位移值,令機(jī)械臂回位;隨后,令機(jī)械臂按順序分別定位到作業(yè)高度h為1.2、2.0、2.8m的栽培板的鋁環(huán)中心,記錄xyz3個(gè)方向上位移傳感器的實(shí)測(cè)位移值,每次測(cè)量之前都要使機(jī)械臂回位至初始位置再開(kāi)始。

3)將步驟2重復(fù)進(jìn)行20次,即對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行20次4個(gè)作業(yè)高度下的定位測(cè)量試驗(yàn)。試驗(yàn)如圖9所示。

1.AGV移動(dòng)底盤(pán) 2.升降裝置 3.平移裝置 4.生菜栽培板圖9 定位測(cè)量試驗(yàn)Fig.9 Cultivation rack coordinate system

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)手動(dòng)調(diào)整機(jī)械臂得到了4個(gè)作業(yè)高度下的3個(gè)方向的參考位移與采集到的20次實(shí)測(cè)位移,結(jié)果參數(shù)如表1所示。

表1 不同作業(yè)高度下的誤差均值和方差Table 1 Error means and variances at different working heights

由表1可知：當(dāng)作業(yè)高度h分別為0.4、1.2、2.0、2.8m時(shí),x方向的位移誤差平均值依次為0.5、-0.2、0.7、0.5mm,誤差較小的原因是機(jī)械臂在x方向上無(wú)運(yùn)動(dòng)且在結(jié)構(gòu)上有較多約束,存在的少量位移誤差是平移裝置的自重導(dǎo)致機(jī)構(gòu)在x方向上產(chǎn)生的微小傾斜而造成的。y方向的位移誤差平均值依次為1.9、3.7、5.1、5.7mm,誤差產(chǎn)生的原因一方面是由于在平移裝置伸出取件的過(guò)程中,平移裝置的自重和負(fù)載導(dǎo)致了機(jī)構(gòu)在z方向形成下彎傾斜,從而導(dǎo)致拉繩位移傳感器的實(shí)測(cè)位移大于手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)得到的參考位移。z方向的位移誤差平均值依次為4.0、5.9、7.1、8.2mm,誤差產(chǎn)生的原因一方面是由于平移裝置在z方向形成的下彎傾斜導(dǎo)致了升降裝置需增加位移以補(bǔ)償傾斜產(chǎn)生的誤差。

為了分析作業(yè)高度對(duì)3個(gè)方向上的位移誤差的影響,對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行方差分析,結(jié)果如表2所示。

表2 不同作業(yè)高度下的方差分析Table 2 Analysis of variance under different working heights

由表2可知：xyz上都存在著Pvalue<0.01,這意味著作業(yè)高度h對(duì)xyz3個(gè)方向上的試驗(yàn)誤差的影響都較為顯著;隨著作業(yè)高度的下降,誤差減小,即作業(yè)高度越低,定位精度越高。該結(jié)果產(chǎn)生的原因是由于隨著作業(yè)高度的上升,定位行程隨之增加,導(dǎo)致機(jī)械臂的慣性位移增加,使得定位誤差相應(yīng)增加。

4 結(jié)論

1)在不同作業(yè)高度下,機(jī)械臂在xyz3個(gè)方向上的定位誤差均滿足機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)誤差εr≤15mm的要求,符合機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的誤差控制準(zhǔn)則。

2)作業(yè)高度的變化對(duì)誤差的影響顯著,表現(xiàn)為作業(yè)高度越低,誤差越小,定位精度越高。