獼猴桃采摘機(jī)械移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

葉振環(huán) 李永強(qiáng) 朱正龍 汪玉蘭 付娟

摘? 要：鑒于獼猴桃集中采摘季節(jié)需要投入大量的人力物力，對(duì)高效率的獼猴桃采摘機(jī)器人的研究有著重要的意義。針對(duì)獼猴桃的種植方式及環(huán)境因素，文章采用四輪獨(dú)立控制進(jìn)行轉(zhuǎn)向，液壓缸直接控制升降對(duì)獼猴桃采摘機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)設(shè)計(jì)完成的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，結(jié)果表明設(shè)計(jì)完成的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)無(wú)論在空載還是滿載情況下均能夠滿足平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)下的可靠性和平穩(wěn)性要求。

關(guān)鍵詞：獼猴桃采摘;移動(dòng)平臺(tái);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

中圖分類號(hào)：TH133.33? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2020）33-0006-05

Abstract： In view of the large amount of manpower and material resources required for the kiwifruit picking season， it is of great significance to study the efficient kiwifruit picking robot. According to the planting method and environmental factors of kiwifruit， this paper adopts four-wheel independent control for steering， and the hydraulic cylinder directly controls the lifting to design the mobile platform of kiwifruit picking robot. The ADAMS software was used to simulate the kinematics of the designed mobile platform. The results show that the designed mobile platform structure can meet the reliability and stability requirements of the translation and rotation working conditions no matter it is loaded or not.

Keywords： kiwifruit picking; mobile platform; structural design; kinematics simulation

目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)采摘類的智能機(jī)械與工業(yè)類、制造業(yè)等其它類型的智能機(jī)械的移動(dòng)平臺(tái)有很大區(qū)別，農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的工作環(huán)境有很多不確定因素，是復(fù)雜多變的地皮表面，分布著很多雜草和沙石，這使農(nóng)業(yè)機(jī)器人在控制和設(shè)計(jì)方面的難度更大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在此領(lǐng)域做出了很多研究，也取得了較為豐富的成果[1-5]。

1 移動(dòng)平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

用于農(nóng)業(yè)的機(jī)器人在農(nóng)田、山地等這類較為復(fù)雜的環(huán)境中工作時(shí)須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：在工作過程中行駛動(dòng)力足夠大能在一定的坡度地面工作;機(jī)器人的結(jié)構(gòu)要緊湊，這樣才能在復(fù)雜的地面上完成精確的采摘工作;轉(zhuǎn)彎要靈活，方便調(diào)整機(jī)器位置;工作穩(wěn)定性要好，這樣才能達(dá)到更好的采摘效果。

獼猴桃果樹是藤蔓型的，果樹不能直立生長(zhǎng)，因此獼猴桃果樹是依靠纏繞在周邊的其它植被和通過人工搭建的棚架上生長(zhǎng)的。人工搭建的棚架相鄰兩個(gè)鋼制支撐桿之間的間隔約為6m左右，順著種植的行列每隔50-60mm左右設(shè)有一條鋼絲，棚架在豎直方向上架桿之間的距離在3m左右，棚架之間的間距在4m左右，棚架高度大概為1.8m，果實(shí)分布在棚架上的平均分布高度在1.5-1.7m左右[6]。

結(jié)合獼猴桃種植的基本參數(shù)，設(shè)計(jì)移動(dòng)平臺(tái)左右輪距為1200mm，前后兩軸距為2000mm。每個(gè)車輪都應(yīng)用輪轂電機(jī)來為平臺(tái)提供動(dòng)力，每一個(gè)輪轂電機(jī)都能夠獨(dú)立的進(jìn)行控制，并由四個(gè)獨(dú)立控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)通過轉(zhuǎn)向電機(jī)提供動(dòng)力來改變車輪方向，再通過控制輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速大小來控制移動(dòng)平臺(tái)在小面積內(nèi)的轉(zhuǎn)彎和原地旋轉(zhuǎn)。為了使移動(dòng)平臺(tái)能在復(fù)雜多變的地面上正常的進(jìn)行工作，該移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)用四個(gè)液壓缸來直接對(duì)平臺(tái)的水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而能實(shí)現(xiàn)在一定坡度范圍內(nèi)對(duì)獼猴桃進(jìn)行采摘，并且直接運(yùn)用液壓調(diào)節(jié)平衡，可在原始移動(dòng)平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步減小平臺(tái)尺寸并增大平臺(tái)利用率。設(shè)計(jì)完成的三維模型如圖1所示。

2 移動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

為了驗(yàn)證移動(dòng)平臺(tái)在實(shí)際工作環(huán)境下滿載時(shí)和空載時(shí)的運(yùn)動(dòng)性能，采用ADAMS虛擬樣機(jī)軟件對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。為便于仿真計(jì)算，將操控臺(tái)、蓄電瓶以及一些標(biāo)準(zhǔn)件轉(zhuǎn)換成載荷施加給移動(dòng)平臺(tái)。首先，將solidworks建模完成的三維模型以X-T的格式保存后導(dǎo)入ADAMS中;其次，將移動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)化后的三維模型與 ADAMS中的地面模塊進(jìn)行連接，把地面模塊當(dāng)做移動(dòng)平臺(tái)的工作平面;然后，將模型的單位與ADAMS統(tǒng)一，并在零部件相應(yīng)的位置上添加運(yùn)動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副以及添加平臺(tái)需要承受的載荷;最后，將其他沒有約束的零部件進(jìn)行固定，使添加了固定副的零部件與平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)整體。各種約束的設(shè)置如表1所示。載荷設(shè)置主要針對(duì)空載和滿載兩種情況，其中空載時(shí)只有移動(dòng)平臺(tái)自重674.5kg，滿載時(shí)還需在平臺(tái)上加載125.5kg。

完成所有設(shè)置后的移動(dòng)平臺(tái)仿真模型如圖2所示，通過對(duì)輪轂電機(jī)加載不同的驅(qū)動(dòng)值即可進(jìn)行仿真分析。

2.1 沿X、Y方向平動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

通過調(diào)整轉(zhuǎn)向電機(jī)，可使輪子沿X或Y方向運(yùn)動(dòng)，故二者的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是一致的，僅需分析其中一種情況即可。以沿X向平動(dòng)為代表，當(dāng)？棕1=？棕3=？棕2=？棕4時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)在Y軸方向上是處于靜止的，移動(dòng)平臺(tái)沿X軸方向橫向移動(dòng)。當(dāng)角速度大小為？棕1=？棕3=？棕2=？棕4=？仔/3rad/s時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)向X軸的正方向移動(dòng);當(dāng)角速度大小為？棕1=？棕3=？棕2=？棕4=-？仔/3rad/s時(shí)，向X軸的負(fù)方向移動(dòng)，由此得到X方向直行的理論速度VX約為150mm/s，經(jīng)過10s后理論位移約為1500mm。

圖3中所示為仿真計(jì)算得到的移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)平臺(tái)中心在X方向的位移曲線，從圖中可以看出移動(dòng)平臺(tái)的位移情況呈線性，且在經(jīng)過10s后的運(yùn)行位移均約為1500mm。因此可知移動(dòng)平臺(tái)空載和滿載對(duì)橫移時(shí)的位移無(wú)影響。

圖4為移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)平臺(tái)中心在X方向上的速度曲線，從圖中可看出移動(dòng)平臺(tái)的速度穩(wěn)定在155mm/s左右波動(dòng)，但在滿載情況下移動(dòng)平臺(tái)的瞬時(shí)啟動(dòng)速度大于空載，這是因?yàn)橐苿?dòng)平臺(tái)承受載荷變大，移動(dòng)平臺(tái)與地面之間的最大靜摩擦力也隨之變大，在啟動(dòng)過程中需要的牽引力就會(huì)變大。

圖5為移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)移動(dòng)平臺(tái)中點(diǎn)在豎直方向的振動(dòng)情況，從圖中可看出移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下振動(dòng)幅值基本一致，但是在滿載條件下的振動(dòng)中心相對(duì)較低，其原因是由于平臺(tái)載重的增加。

2.2 沿Z軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)仿真

要使移動(dòng)平臺(tái)沿Z軸方向在原地自旋，調(diào)整轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)方向，使1、3輪相對(duì)，2、4輪相對(duì)，令？棕1=？棕2=-？棕3=-？棕4=？仔/3rad/s，圖6為移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)平臺(tái)原地旋轉(zhuǎn)一周時(shí)平臺(tái)質(zhì)心的軌跡曲線圖。從圖中可以看出，移動(dòng)平臺(tái)無(wú)論是在空載條件下還是滿載條件下原地旋轉(zhuǎn)一周，質(zhì)心在X軸和Y軸方向上的位移曲線都沒有明顯的差別，且在X向和Y向上的最大幅值均分別為3.87mm和4.33mm，說明平臺(tái)承載對(duì)于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的位移沒有影響，且該移動(dòng)平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)在小面積內(nèi)原地旋轉(zhuǎn)的工作方式。

圖7為移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)平臺(tái)順時(shí)針自旋角速度曲線圖，從圖中可以看出移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下運(yùn)行時(shí)自旋角速度的大小均在10.5°/s左右波動(dòng)，說明平臺(tái)是否載重對(duì)平臺(tái)的自旋角速度無(wú)明顯影響。

圖8為移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下工作時(shí)，移動(dòng)平臺(tái)在豎直方向上的振動(dòng)情況，從圖中可以看出移動(dòng)平臺(tái)無(wú)論是否載重其振動(dòng)幅值均在0.4mm左右波動(dòng)，從圖中可看出移動(dòng)平臺(tái)在空載和滿載條件下自旋產(chǎn)生的振動(dòng)幅值一致，且幅值中值均維持在0.4mm的低值，說明該平臺(tái)在自旋過程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的振動(dòng)。

3 結(jié)論

本文針對(duì)獼猴桃的果樹生長(zhǎng)特點(diǎn)、種植方式和環(huán)境因素等多種條件，對(duì)應(yīng)用于獼猴桃采摘機(jī)器人的移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并應(yīng)用ADAMS軟件對(duì)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。分析結(jié)果表明設(shè)計(jì)完成的移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)無(wú)論在空載還是滿載情況下均能夠滿足平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)工作狀態(tài)下的可靠性和平穩(wěn)性要求。

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