棉花打頂機(jī)器人高地隙移動平臺機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shí)也是世界第一大棉花進(jìn)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(dú)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(xiàng)作業(yè)，可以促進(jìn)旁枝的發(fā)育和生長，增加棉鈴的數(shù)量，從而達(dá)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(qiáng)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(jī)械設(shè)備，通過有效的打頂來促進(jìn)棉株早結(jié)鈴、多結(jié)鈴、減少脫落，以達(dá)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(jī)，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(yùn)動從而對棉株進(jìn)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(jī)。它先通過垂直標(biāo)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(jì)以來，我國多家科研機(jī)構(gòu)也陸續(xù)在棉花打頂機(jī)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(jī)，初步實(shí)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(jī)，該打頂機(jī)第一次實(shí)現(xiàn)了打頂作業(yè)后的藥控工作，達(dá)到了一機(jī)多用的目的。但現(xiàn)存的打頂機(jī)還存在以下一些問題：高度仿形效果差，沒有辦法及時(shí)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(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整。

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

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jìn)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(diǎn)，所以設(shè)計(jì)一種運(yùn)載底盤能夠調(diào)控離地間隙和兩側(cè)輪胎間距以實(shí)現(xiàn)棉花打頂機(jī)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(jī)構(gòu)

地隙調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)控制各個電動推桿推動相同距離實(shí)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(jìn)與作業(yè)。設(shè)計(jì)的移動平臺當(dāng)?shù)叵墩{(diào)節(jié)推桿全收縮和全拉伸時(shí)（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(xiàng)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。

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

1.2 輪距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

輪距調(diào)節(jié)機(jī)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(shí)，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(jī)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(shí)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(jìn)。

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(jì)的移動平臺當(dāng)輪距調(diào)節(jié)推桿全收縮和全拉伸時(shí)（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(yùn)動學(xué)仿真

棉花打頂機(jī)運(yùn)載底盤與地面間隙高達(dá)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(xiǎn)。因此對于棉花打頂機(jī)器人運(yùn)載底盤而言穩(wěn)定性是重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)，利用SolidWorks Motion 進(jìn)行對高地隙移動平臺運(yùn)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(yàn)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(jìn)行分析，此時(shí)底盤的穩(wěn)定性最差[8]。

設(shè)定平板在驅(qū)動馬達(dá)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(yàn)平臺為實(shí)體接觸配合。讓試驗(yàn)平臺逆時(shí)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(yàn)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(shí)的傾覆角。由圖4可知，時(shí)間在3.9 s 時(shí)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(shí)平板角位移為24.5°，即移動平臺地隙最高輪距最小時(shí)的橫向側(cè)翻傾角為24.5°。

圖4 仿真試驗(yàn)平臺反作用力變化曲線圖

圖5 仿真試驗(yàn)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(jī)器人移動平臺的主要承載部件，必須有足夠的強(qiáng)度才能在面對復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境時(shí)，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(jìn)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(jì)算難度，將鋁型材結(jié)構(gòu)簡化后進(jìn)行仿真分析。同時(shí)，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(jìn)行約束，固定約束兩地腳底面。底盤設(shè)計(jì)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(rèn)的中等密度對固定支座進(jìn)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(shí)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(qiáng)度為145MPa，而固定支座各處應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料屈服強(qiáng)度，因此固定支座的設(shè)計(jì)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(shí)的狀態(tài)進(jìn)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(jì)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(jī)器人的高地隙移動平臺優(yōu)化設(shè)計(jì)為主要研究方向。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)棉花打頂機(jī)器人作業(yè)空間優(yōu)化；利用SolidWorks Motion 進(jìn)行運(yùn)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(jìn)行了基于SolidWorks Simulation 的靜力學(xué)分析，確保車體設(shè)計(jì)滿足力學(xué)性能要求。