棉花打頂機器人高地隙移動平臺機構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

劉正波，鮑義東，盧智琴

（貴州航天智慧農(nóng)業(yè)有限公司，貴州 貴陽 550000）

0 引言

我國是世界第一大產(chǎn)棉國，同時也是世界第一大棉花進口國，這也造就了中國成為世界紡織大國的地位。新疆省是我國重要的棉花產(chǎn)區(qū)，其得天獨厚的優(yōu)良環(huán)境和大面積的種植使棉花生產(chǎn)產(chǎn)量不僅在全國是第一，在世界上也是首屈一指的。在如此巨大的生產(chǎn)需求之下，如果僅僅只采用傳統(tǒng)的人工打頂方式，顯然需要投入大量的人力與成本。其中棉花打頂是棉花生產(chǎn)過程中必不可少的一項作業(yè)，可以促進旁枝的發(fā)育和生長，增加棉鈴的數(shù)量，從而達到提高棉花產(chǎn)量的目的。棉花打頂?shù)墓ぷ髦芷谳^短，勞動強度大，從而限制的棉花的種植規(guī)模和產(chǎn)量。因此國內(nèi)外都在研發(fā)可以用于棉花打頂?shù)臋C械設(shè)備，通過有效的打頂來促進棉株早結(jié)鈴、多結(jié)鈴、減少脫落，以達到顯著的增產(chǎn)增收效果。

美國學(xué)者Alex Marquis 和Willie Sprott[1]早在1917年就制作了世界上第一臺棉花打頂機，可利用畜力水平牽引，打頂方式借鑒剃頭刀原理，通過人力使齒形刀具做水平間歇運動從而對棉株進行打頂。1954年美國學(xué)者Howell Judson Prcie[2]首次將可調(diào)節(jié)控制的打頂高度的概念引入棉花打頂機。它先通過垂直標尺去測量棉株頂端高度，再利用刻度盤來調(diào)整并完成對打頂高度的調(diào)控，調(diào)控的高度依據(jù)是所測量好的棉株高度值。國內(nèi)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，二十一世紀以來，我國多家科研機構(gòu)也陸續(xù)在棉花打頂機設(shè)備上投入科學(xué)研究。2003年至2008年，石河子大學(xué)學(xué)者胡斌等[3-6]研制出了數(shù)代懸掛式的棉花打頂機，初步實現(xiàn)了扶禾、打頂、放開這一套連續(xù)作業(yè)和主側(cè)枝同步打頂?shù)幕灸康摹?010年，周海燕等[7]科研人員研制了3WDZ-6型自走式棉花打頂機，該打頂機第一次實現(xiàn)了打頂作業(yè)后的藥控工作，達到了一機多用的目的。但現(xiàn)存的打頂機還存在以下一些問題：高度仿形效果差，沒有辦法及時地調(diào)控車身的高度來適應(yīng)前方棉株的長勢情況；寬度仿形效果差，不能針對不同的棉株種植行距來進行適當?shù)卣{(diào)整。

針對上述問題，設(shè)計了一種移動平臺來實現(xiàn)棉花打頂機器人作業(yè)空間優(yōu)化，利用運動學(xué)仿真進行了穩(wěn)定性分析，并對平臺主要受力的支座進行有限元分析。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

棉花打頂是指在棉花生長過程中為抑制棉花頂端優(yōu)勢和促進旁枝生長以及提高產(chǎn)量而去除棉苗頂尖，是種植棉花過程中必不可少的作業(yè)。由于棉花具有高矮不一和行距密度不同的特點，所以設(shè)計一種運載底盤能夠調(diào)控離地間隙和兩側(cè)輪胎間距以實現(xiàn)棉花打頂機器人作業(yè)空間優(yōu)化。

底盤包括地隙調(diào)節(jié)裝置與輪距調(diào)節(jié)裝置等部件，其整體結(jié)構(gòu)軸測圖如圖1所示。

圖1 底盤結(jié)構(gòu)圖

1.1 地隙調(diào)節(jié)機構(gòu)

地隙調(diào)節(jié)機構(gòu)的驅(qū)動裝置為電動推桿，行程均選取150 mm，推力為2000 N/mm。四個豎直布置的地隙電動推桿分別安裝在固定支座和移動支座上，地隙的調(diào)節(jié)通過同時控制各個電動推桿推動相同距離實現(xiàn)。

棉株的高度各不相同，頂端高度分布范圍在490-910 mm，因此底盤需要有足夠的最大無障礙高度以保證在棉田中順利行進與作業(yè)。設(shè)計的移動平臺當?shù)叵墩{(diào)節(jié)推桿全收縮和全拉伸時（0-150 mm），車身總高度為1022-1172 mm，而無障礙高度為822-972 mm。無障礙高度是棉花作物能夠沒有障礙地通過底盤下方的高度，是一項重要的設(shè)計參數(shù)。

圖2 底盤地隙調(diào)節(jié)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

1.2 輪距調(diào)節(jié)機構(gòu)

輪距調(diào)節(jié)機構(gòu)的輪距調(diào)節(jié)推桿安裝在底盤外框架下方，該推桿一端于固接底盤外框架固接，另一端與移動支座固接。移動支座上的地隙調(diào)節(jié)推桿與滑塊固接，而與滑塊相配合的導(dǎo)軌安裝在底盤外框架下方。在移動支座下方還安裝有支撐電動推桿，后者還安裝有導(dǎo)向輪。

底盤調(diào)節(jié)輪距時，支撐電動推桿啟動，將底盤移動支座一側(cè)頂起，使萬向輪與輪轂電機脫離地面，而導(dǎo)向輪與地面接觸。在此之后輪距調(diào)節(jié)電動推桿啟動，推動移動支座移動，實現(xiàn)底盤的輪距調(diào)節(jié)。在底盤輪距調(diào)節(jié)完成后，支撐電動推桿縮回，底盤可以重新正常行進。

在移動支座下方設(shè)置支撐推桿與導(dǎo)向輪，是用作側(cè)面移動支座的移動導(dǎo)向，能避免輪胎的摩擦損壞或地面摩擦過大致使輪距調(diào)節(jié)失敗。

一般棉株種植行距為660 mm 左右，設(shè)計的移動平臺當輪距調(diào)節(jié)推桿全收縮和全拉伸時（0-150 mm），兩側(cè)支座的輪胎間距為580-730 mm，滿足棉株種植環(huán)境的行距要求。

2 運動學(xué)仿真

棉花打頂機運載底盤與地面間隙高達900 mm 左右，屬于高地隙作業(yè)車，在田間高低起伏的路面上行駛有發(fā)生傾覆的危險。因此對于棉花打頂機器人運載底盤而言穩(wěn)定性是重要的設(shè)計指標，利用SolidWorks Motion 進行對高地隙移動平臺運動學(xué)仿真獲取底盤的傾覆角參數(shù)。

2.1 仿真過程

構(gòu)建一個具有轉(zhuǎn)動自由度的試驗平臺如圖3所示，首先將移動平臺調(diào)整到最容易發(fā)生傾覆的狀態(tài)。地隙最高，輪距最窄的情況下進行分析，此時底盤的穩(wěn)定性最差[8]。

設(shè)定平板在驅(qū)動馬達作用下做勻角速度旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度為1 RPM。設(shè)置輪胎與試驗平臺為實體接觸配合。讓試驗平臺逆時針旋轉(zhuǎn)，檢測在該過程中平板的角位移情況和平面對將傾覆一側(cè)輪胎的反作用力情況。

圖3 仿真試驗平臺示意圖

2.2 仿真結(jié)果

通過檢測分析平臺對將傾覆一側(cè)輪胎的反作用力，即可確定底盤橫向行駛時的傾覆角。由圖4可知，時間在3.9 s 時平面對將傾覆一側(cè)輪胎的反作用力變?yōu)榱悖吹妆P傾覆。兩表對照，從角位移圖像上可以看出此時平板角位移為24.5°，即移動平臺地隙最高輪距最小時的橫向側(cè)翻傾角為24.5°。

圖4 仿真試驗平臺反作用力變化曲線圖

圖5 仿真試驗平臺角位移變化曲線圖

3 有限元仿真

固定支座與移動支座是棉花打頂機器人移動平臺的主要承載部件，必須有足夠的強度才能在面對復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境時，不產(chǎn)生失效、變形甚至斷裂的情況。基于SolidWorks Simulation 對固定支座與移動支座進行了的靜力學(xué)分析，確保車體可以承受足夠大的載荷不發(fā)生失效。

由于支座采用橫截面復(fù)雜的鋁型材搭建而成，為降低仿真分析的計算難度，將鋁型材結(jié)構(gòu)簡化后進行仿真分析。同時，將各零部件的材料定義為型號6063-T5的鋁合金。

3.1 固定支座仿真分析

為完成靜應(yīng)力分析，首先需要對模型進行約束，固定約束兩地腳底面。底盤設(shè)計的最大載重量為130 kg，因此對固定支座中地隙調(diào)節(jié)推桿的上表面施加650 N 的外力，即一半的重力。而固定支座上的配重塊用相對應(yīng)的均布載荷替代。網(wǎng)格劃分的密度直接影響仿真分析的結(jié)果，采用默認的中等密度對固定支座進行網(wǎng)格劃分。

靜力學(xué)仿真分析得到位移云圖和應(yīng)力云圖如圖5、圖6所示，均以真實的變形比例。從分析結(jié)果可以得出其最大位移5.215×10-2mm，最大應(yīng)力為3.656×106Pa。支座材料屈服極限強度為145MPa，而固定支座各處應(yīng)力遠小于材料屈服強度，因此固定支座的設(shè)計滿足力學(xué)性能要求。

圖6 固定支座位移云圖

圖7 固定支座應(yīng)力云圖

3.2 移動支座仿真分析

移動支座以未被支撐電動推桿撐起時的狀態(tài)進行分析。仿真過程與固定支座的步驟類似，得到位移云圖和應(yīng)力云圖如圖7、圖8所示。從結(jié)果可以得出其最大位移3.348×10-2mm，最大應(yīng)力為2.344×106Pa，那么固定支座的設(shè)計滿足力學(xué)性能要求。

圖8 移動支座位移云圖

圖9 移動支座應(yīng)力云圖

4 結(jié)束語

以棉花打頂機器人的高地隙移動平臺優(yōu)化設(shè)計為主要研究方向。設(shè)計一種移動平臺能夠調(diào)控離地間隙和兩側(cè)輪胎間距以實現(xiàn)棉花打頂機器人作業(yè)空間優(yōu)化；利用SolidWorks Motion 進行運動學(xué)仿真確定了底盤的橫向傾覆角為24.5°；最后對固定支座與移動支座進行了基于SolidWorks Simulation 的靜力學(xué)分析，確保車體設(shè)計滿足力學(xué)性能要求。