多功能農用機器人底盤結構設計*

陳嘉輝，單超杰，陳鋆輝，蔣 帆

（浙江同濟科技職業學院，浙江 杭州 311231）

1 系統設計

1.1 整體設計

多功能農用機器人（以下簡稱機器人）可用于小型果實采摘、自動播種等工作。結構主要由執行系統、驅動系統、控制系統及檢測系統組成。執行系統是機器人完成抓取、行走等各種運動所必需的機械部件，它包括機械手末端、機械臂、機身底座和行走輪系機構等。驅動系統為執行系統的各個部件提供必要的動力，用以驅動其動力的裝置，它包括電機及機械傳動部分。控制系統能對驅動系統進行控制，使執行系統按照規定的要求完成動作，同時提供預警系統，對故障和錯誤進行提示提醒。檢測系統是通過各種傳感器對執行機構的運動情況進行檢測，并將結果反饋給控制系統，結果數據與設定值進行比較，以保證機器人的運動符合設定要求。另外，機器人還設有配重系統，由于其本體的自重和載重較大，使得機體運動慣性較大，為使小臂接近靜平衡，將伺服電機及組件、機械輪組等大質量零部件布置在機械臂的另一端。

圖1 整體結構圖

機器人由本體與夾持臂兩部分組成，考慮到機器人的承重能力，在本體的底盤主體采用鋁合金板重疊組裝，以及在與下方的儲物箱連接方面采用小支桿連接，既起到了支撐作用同時也為儲物箱的挪動范圍起到了一個限位作用。本體下方配有滾軸裝置。其特點是摩擦阻力小，易起動，功率消耗小，機械效率高，同時，其軸承性能對載荷、速度和運行速度的波動相對不敏感。滾軸后方裝置一個儲物箱，可以用來存儲植物種子，當機器人檢測到下方為規定播種區，則會用滾軸進行種子的播種工作。機械手能自動對果實進行分類，將成熟的果實分成一類，未成熟的分為一類，無法識別的果實則標記等待用戶進行篩選。通過機械手自動識別后，會自動將果實采摘下來，放置在邊上。機械手采用3個舵機控制，讓機械臂做到全方位地夾取。同時，考慮到機械手夾取物件的承重，本機在機械手底部舵機連接處增加了環形滾動塊，做到了一個分力支撐減少了舵機本身的重量負載，以及優化了機械臂轉動的流暢度。車輪方面選用萬像減震輪作為前車輪，做到控制方便。滾軸零件方面分為3D打印件滾筒以及天然橡膠材質的軟滾筒，做到針對不同種子都可以進行高效播種。

1.2 轉向結構設計

機器人的前輪采用了一個滾珠式全向移動輪，后輪為驅動輪，采用直流電機驅動，提供機體主要前進動力。機器人通過后側兩個驅動輪與前端一個全向輪組成了一個穩固的三角形力學結構，為機器人整體提供了可靠的承載能力。在轉向方面采用的是兩個獨立的直流電機驅動輪進行正反轉和差速轉向控制，達到多功能農用機器人在轉向方面的靈活與快速。以及在多功能農用機器人工作時也能夠達到多級調速，針對不同的工作環境改變不同的運動速度，以到達理想的工作效果。

2 驅動輪差速轉向運動模型及分析

機器人的底架由后側兩個驅動輪和前端一個萬向輪組成，直流電機通過減速器直接驅動驅動輪。驅動電機正反轉帶動機器人前進和后退，通過其左右電機的旋轉轉速差實現機器人的轉向。樣機采用額定功率1.3W，額定電壓6V，額定轉速1280r/min，減速比為6.25，電流為1A的直流減速電機驅動，其動力源由兩個12V的鋰電池串聯組成。圖3是一個簡化的多功能農用機器人的轉向運動模型。假設直接電機驅動輪相對于地面只做純滾動，由機器人的運動學原理，分析可知：

圖3 轉向運動模型

式中：V為機器人的瞬時線速度；Ω為橫擺角速度；Vr為右輪線速度；Vl為左輪線速度；D為驅動輪的輪距。

令機器人的轉彎半徑為R，則有：

分析可得，機器人的運動狀態有三種，分別是：

（1）當Vr-Vl=0且Vr+Vl≠0時，機器人線速度V=Vr=Vl，橫擺角速度Ω=0，轉彎半徑R→∞，此時，機器人做直線運動；

（2）當Vr=-Vl時，機器人線速度V=0，橫擺角速度，轉彎半徑R=0，表示機器人原地轉彎；

（3）當Vr-Vl≠0且Vr+Vl≠0時，機器人線速度V=，角速度，轉彎半徑，表明機器人圍繞某一圓心，做半徑為R的轉彎運動。

多功能農用機器人可以通過arduino mega2560開發板進行控制與調節達到直線運動、轉向以及轉圈等多種運動。

3 靜應力分析及結構改進

機器人的整體結構材質由合金鋼組成，在最初的材料選擇方面有合金鋼和鋁合金兩個方面的選擇，雖然從經濟效應上說鋁合金的價格要比合金鋼低，但是考慮到多功能農用機器人的整體承重力，在使用壽命以及耐磨程度上要比鋁合金高，可以適應的環境也多，考慮到多功能農用機器人的功能性，合金鋼比鋁合金要更加耐腐蝕，安全性也更高。

表1 合金鋼材料具體分析

圖4 最初壓力分析圖

圖5 改進結構后分析圖

采用solidworks進行上底座的底盤受力分析，負載強度約5kg。考慮到極限的材料受力，應力測試分析約為49N。

在最初的仿真模擬中發現在機器人的底板結構承重能力較差，重力支撐點少，容易造成下基板的底座塌陷。在研究改良后，增加了底板的合金板厚度以及數量，在一些受力薄弱的地方增加了承重板，機器人的受力中心在手爪以及機器人中心，所以改進后的方案是在最底下的一個舵機框架上增加承重的銅柱，讓整個機械手臂的力能夠集中在中心然后通過加厚的合金板均勻的分散到全向輪以及驅動輪。

4 結束語

本文在基礎的農用機器人上添加了其他的多功能模塊，并且研究多功能農用機器人的轉向結構，再通過多種數據的對比以及結構的優化，選用差速運動模型演示，讓多功能農用機器人在工作中能夠快速的運動轉向，并且優化了承載能力。