螺旋驅動式糧倉機器人行走機構設計與試驗

靳航嘉，吳文福,2，吳子丹，韓 峰，董 平，徐 巖※

（1. 吉林大學生物與農業工程學院，長春 130022；2. 吉林工商學院糧食學院，長春 130022）

0 引言

糧食是民生之本，糧食生產關系到國家安全和社會穩定，糧食儲藏是保證糧食安全的重要工序[1-2]。糧食入倉之后，存在較多凹凸不平的糧堆，需及時對糧面進行平整[3]；儲糧過程需要監測糧情信息以預防蟲害和霉變，此外，糧面施藥、糧面翻倒、糧面再平整等都需要一種方便快捷的方式來完成[4-5]。

目前，大部分糧面作業靠人工完成，存在成本高、費時費力、工作環境差等缺點[6]；且由于人工作業的效率低，在集中入糧時，難以在短時間內完成所有入糧倉房的平倉作業，容易錯過最佳糧情處理時機，導致糧食發熱、生蟲，增加熏蒸、通風等作業成本，影響作業效果，甚至影響儲糧安全和糧食品質[7]。倉儲糧食的蟲霉防治遵循“局部有蟲，局部處理”的原則，傳統的局部殺蟲處理方法操作不便、效率低，且對工作人員身體有損害[8]。國內外適于糧面作業的機械行走機構較少，現有的糧面作業機械多采用履帶式行走機構，因存在結構復雜、質量大、體積大、易下陷、易傾覆、擠碾糧、轉向不便、能耗高、控制水平不高等缺陷[9-10]。因此，亟需一種糧面行駛能力強的糧面作業機構來輔助人工或獨立完成糧面平整、糧面施藥和糧情探測等作業[11]。

倉儲糧面屬于松軟地面，其承壓能力和抗剪切強度低，導致行走機構嚴重下陷、打滑甚至無法行駛[12-13]。國內外學者在改變地面機械行走機構設計參數如加大輪胎尺寸、加大履帶寬度、改變輪胎氣壓等研究方面取得了一定進展，結合仿生學理論研發的仿生步行輪、仿生步行輪式氣墊車等在保證良好的牽引性能和提高行駛平順性等方面取得了重要進展，但結構相對復雜，制造成本較高[14]。因此，提高機械在松軟路面上的通行能力仍然具有重要研究意義[15]。

螺旋驅動方式最早被應用于水陸兩棲車、沼澤地行駛車、雪地車等特種車輛，具有很強的地形適應能力，在水中、松軟路面和堅硬路面都能行駛，在松軟路面的行駛能力最強[16-18]。相比輪式和履帶式驅動，螺旋驅動的車輛在濕地、沙地、沼澤等松軟路面的性能十分優異[19]。螺旋驅動輪的設計參數對整車的行駛能力起到至關重要的作用。Cole[20]對螺旋升角分別為20°、30°和40°的3種螺旋驅動車在松散沙地上進行了行駛試驗，結果表明，在相同條件下，螺旋升角為30°時，行駛能力最強且更節能。螺旋葉片高度太小車輛不能獲得足夠的牽引力，太大則會增加車輛前進阻力，需要更大的驅動力驅動車輛前進，針對不同螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值，Chryler在泥地上進行了比例分別為0.125、0.167和0.208的3組試驗，得出的結論是：螺旋葉片高度越大，捕獲的泥土越多，但前進的阻力也隨之增加，0.125是較為理想的螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值[21]。此外，浮筒直徑、浮筒長度、螺旋的數量、螺旋葉片厚度、車輛重心位置、2個浮筒中心距、浮筒兩端的錐度和浮筒的形狀（圓柱體或橢圓體）都影響車輛的行駛能力[22]。這些研究對螺旋驅動式糧倉糧面行走機構具有重要參考價值。

糧面同屬于松軟路面，所以利用螺旋驅動輪的優勢特點或可克服現有糧面行駛機械易下陷、易傾覆、易打滑等行駛困難。因此，本文從結構設計和行駛控制方面對螺旋驅動機構進行研究，將螺旋驅動輪作為行駛機構，以提高糧倉作業機械在糧面上的通行能力及自動化作業能力。

1 糧面行走機構結構設計

1.1 整體結構

圖1為螺旋驅動式糧面行走機構三維模型，2個具有一定中心距的旋向相反的螺旋浮筒作為驅動裝置，與電機及傳送動裝置、機架和罩殼組成機構主體。主體前后可根據作業需求增加懸掛裝置。

1.2 工作原理

螺旋驅動輪在糧面行進的過程可以看作是螺旋葉片對散糧的切割過程，驅動輪依靠糧面對螺旋葉片的作用獲得推力，因兩螺旋驅動輪的螺旋葉片旋向相反，當驅動輪轉速大小和方向變化時，左右驅動輪的推力也隨之變化，機構的行駛方向也隨之改變。

平糧作業時，以機構主體作為糧面行駛平臺，前端設置雙向絞龍用于分散糧堆，快速降低糧堆高度；后端懸掛可調角度的刮糧板，根據糧面情況，調整刮糧板角度，達到最佳的平整效果。前后懸掛件均可拆卸，當機器人用于其他糧倉作業工作時，如糧面翻倒、糧面噴藥、糧情探測等，只需更換懸掛部件。

2 關鍵參數設計

螺旋驅動輪是行走機構的核心部件，如圖2所示，主要由圓柱體（也稱為浮筒）及纏繞在圓柱體上的螺旋葉片組成，圓柱體為中空設計以便減輕質量并獲得足夠的“浮力”。螺旋葉片形狀為阿基米德螺旋，具有一定高度，螺旋葉片可以設計為單頭或多頭。

2.1 浮筒直經與軸心距

在堆糧高度較高的情況下，行走機構利用倉門入倉作業難度較大，因此，從糧倉窗口進出較為合適。根據糧庫倉房建設標準，窗口寬度為1.2 m，高度為0.9 m，為滿足裝倉機械從窗口伸入倉內進行補倉作業，因此，為方便順利進出，機構尺寸不能超過窗口尺寸。

浮筒直徑大小直接影響螺旋驅動輪與糧面的接觸面積，較大的浮筒直徑可以使機構獲得較大的支撐力，是保證機構抗沉陷能力的關鍵。綜合考慮，初步確定浮筒直徑為300 mm，兩浮筒軸心距為750 mm，機構主體寬度約1000 mm，高度約600 mm，可保證機構可順利進出窗口，同時有較好的抗沉陷能力。

2.2 螺旋葉片高度與浮筒直徑之比

機構在糧面行駛時，螺旋葉片對糧層有切割作用，螺旋葉片越高，所切割的糧層越厚，螺旋驅動輪所需扭矩越大。這里引入螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值α：

式中D為旋螺旋驅動輪浮筒直徑，mm；h為螺旋葉片高度，mm。

根據文獻[21]，當α值接近0.125時，機構的行駛性能好于α值為0.167和0.208。考慮較高的螺旋葉片高度會降低其抗屈服能力，因此，本文取α=0.1，略小于0.125。將浮筒直徑D=300 mm帶入式（1），可得螺旋葉片高度為30 mm。

2.3 螺旋升角與螺距

螺旋葉片的螺距與螺旋升角的關系為

式中P為螺距，mm；r1為浮筒半徑，mm；h為螺旋葉片的高度，mm；η為螺旋葉片升角，（°）。

根據Cole的研究[20]，當螺旋升角為30°時，機構的行駛性能和節能效果均較好，由式（2）計算得出螺距為598.55 mm。

3 行駛性能評價

3.1 滑轉率

滑轉率是評價車輛在松軟地面上行駛性能的重要指標，滑轉率過大說明車輛行駛在此路面的通過性能不佳。 由于散糧顆粒群存在壓實和下陷，螺旋驅動輪在行進過程中會出現滑轉，滑轉率為[23]

式中Sx為滑轉率，%；v為行駛速度，mm/s。

由式（3）可得

由式（4）可知，當滑移率達到穩定時，行進速度v與轉速ω成正比例關系，比例系數為P(1-Sx)/2π。

3.2 沉陷量

車輛在松軟路面行駛的過程中，沉陷量也是車輛通行能力的重要指標，螺旋驅動輪的沉陷量越大，行駛阻力也將隨之增加。在滑移率達到穩定的情況下，沉陷量也會達到穩定，且沉陷量與滑移率存在線性關系：

式中H為沉陷量，mm；c為斜率；h0為截距，mm。

3.3 偏航角

由于糧面的不平整，機構在行進過程中左右螺旋驅動輪與糧面的接觸情況不一致，導致2個驅動輪在相等轉速下獲得的推進力不相等，致使行走機構偏離指定行駛方向，實際行駛方向與指定方向的夾角為偏航角，行走機構的實際行駛速度可分解為沿指定航向方向的縱向速度和垂直于航向方向的側向速度兩部分，則有

式中θ為偏航角度，（°）；vy為行走機構行駛速度沿指定航向方向分解的縱向速度，m/s；vx為行駛速度垂直航向方向分解的側向速度，m/s。

4 行駛方向分析

4.1 推進力分析

推力的大小與螺旋驅動輪的設計參數以及糧面本身的物理特性有關。散糧顆粒對葉片的作用力主要有促使行走機構移動的推力和與葉片運動方向相反的摩擦力。

此外，行走機構行駛過程中還將受到推糧阻力。推力方向沿葉片法向方向，可分解為沿螺旋驅動輪軸向方向的軸向力和水平方向垂直于軸向的側向力。

取螺旋葉片上一微扇形，則其面積為

式中dA為微扇形面積，mm2；dθ為微扇形所對應的角度，（°）。

單個螺旋葉片所受總力F[24]為

式中τ為螺旋葉片對糧層的剪切力，N；σ為糧層對螺旋葉片的正壓力，N；θ為單個螺旋葉片與糧層接觸面的圓心角，（°）。

軸向力為

側向力為

其中，以順時針方向為正，則sgn(ω)的值為

式中ω為螺旋驅動輪轉速，rad/s；Fy為糧層對螺旋驅動輪的軸向力，N；Fx為糧層對螺旋驅動輪的側向力，N。

4.2 推進力與行駛方向的關系

2個旋向相反的左右螺旋驅動輪在不同的轉速和轉向組合下所受軸向力和側向力的方向和大小也不同，螺旋驅動機構因而表現出不同的行駛方向。如圖3所示，當2個驅動輪等速反向轉動時，左輪所受的軸向力lyF和右輪所受的軸向力ryF方向大小和方向相同，左輪所受的側向力Flx和右輪所受的軸向力Frx方向大小相等方向相反且作用在同一直線上，因而機構向前或向后行駛；當2個驅動輪等速同向轉動時，左右輪的軸向力lyF和ryF大小相對方向相反且分別作用在左右輪軸線上，從而形成轉矩使行走機構旋轉運動；同理，當機構差速轉向時，左右輪需有差速且轉向相反，轉彎半徑與2個驅動輪轉速差有關。

此外，螺旋驅動機構在不同硬度地面上的運動方式有所不同，在松軟地面上（如沙土、散糧、雪地等），當2個驅動輪等速反向轉動時，機構將前進或倒退，而同樣條件下在堅硬的路面上行駛（如水泥路面），機構將無法前進或倒退；當2個驅動輪等速同向轉動時，在松軟地面上機構的運動表現為旋轉運動，而在堅硬路面上為橫向運動，原因在于螺旋葉片無法切割堅硬的路面，無法獲得地面對螺旋葉片的推力，螺旋驅動輪僅獲得與地面接觸處的摩擦力。

5 行駛控制

5.1 控制系統設計

機構在糧面行走時，如何控制機構行駛方向及行駛速度十分關鍵，如圖4為螺旋驅動式糧面行走機構控制系統示意圖，控制系統主要由無線遙控、控制模塊、電動機及驅動模塊、左/右旋螺旋驅動輪、轉速傳感器和六軸加速度傳感器組成。遙控左右螺旋驅動輪對稱布置且配備獨立電機，可單獨驅動；控制模塊集成了無線接收裝置用于接收無線遙控發送的指令，轉速傳感器測量螺旋驅動輪實際轉速并輸出給控制模塊，六軸加速度傳感器用來測量行走機構行駛方向（航向），電機驅動模塊使用L298N邏輯支持PWM調速及電機正反轉。

5.2 控制原理

基于糧面行走機構行駛原理，設計了控制系統流程，如圖5所示，行走機構接受指令并分析得到行駛方向和速度，控制模塊計算并分配左/右旋螺旋驅動輪的目標轉向和轉速以及獲取轉速傳感器值，控制模塊經PID運算向電動機驅動器發送調控指令，電機驅動器使用PWM脈寬調速方式，調整占空比控制轉速。

行走機構在糧面上行駛過程中，由于糧面的不平整，左右螺旋驅動輪與糧面的接觸情況不同，造成左右輪的沉陷量和滑移率也不相同，在直線行駛時不僅會導致其實際行駛速度與設定行駛出現較大偏差，還會導致行駛方向偏離原來航向，因此需根據行走機構實際行駛速度和航向不斷調整左右輪的轉速和轉向使其接近目標行駛速度和方向，控制系統主線程如圖6所示。

由轉速分配運算決定螺旋驅動輪的轉向及高、低轉速分配結果，轉速分配流程圖如圖7所示。將目標轉速lω和rω分別輸入PID運算部，結合轉速傳感器測量的實際轉速lω"和rω"，分別計算左右驅動輪目標轉速和實際轉速的偏差，經過PID運算輸出電機控制指令，不斷調整驅動輪轉速。

6 糧面行駛試驗

6.1 試驗樣機

為測試螺旋驅動式行走機構在糧面上的行駛能力，按照約3∶1的比例制作一臺小型試驗樣機進行糧面行駛試驗，如圖8所示。其螺旋驅動輪為中空設計，由3D打印完成，為保證行走機構的重心能夠靠近其形心，將電機及其傳動部件內置于螺旋浮筒中；浮筒前端設計為錐形結構以減小行駛阻力；后置刮糧板用來刮平糧面且可拆卸。

糧面行走機構主要參數如表1所示，由表中數據可知，螺旋葉片高度與浮筒直徑的比值為0.1，螺旋升角為30°，浮筒直徑與浮筒長度之比為0.280。為確保行進過程的平穩性，螺旋頭數設計為4個。

表1 糧面行走機構試驗樣機主要參數 Table 1 Main parameters of grain walking mechanism test prototype

試驗材料：玉米。糧層厚度約600 mm，遠大于螺旋驅動輪直徑，玉米含水率約為14%。

為探究行走機構直線行駛速度和旋轉行駛速度與驅動輪轉速的關系，試驗分別設置PWM調速占空比為40%、60%、80%和100%對驅動電機調速，對應驅動輪轉速為0.33、1.06、1.72和1.92 r/s。在4種不同的螺旋驅動輪轉速下對糧面行走機構進行直線行駛和旋轉行駛試驗。直線行駛試驗時，使用秒表記錄行駛時間，使用米尺測量行駛距離，計算出行駛速度；使用激光測距儀測量直線行駛沉陷量；旋轉行駛試驗時，記錄機構旋轉行駛2圈用間，計算出旋轉行駛轉速；為減小試驗誤差，每組試驗重復3次，取平均值。

6.2 試驗結果與分析

直線行駛和旋轉轉彎行駛試驗如圖9所示，直線行駛時螺旋驅動輪行駛之后在糧面上留下槽型軌跡，軌跡深度均勻，行進過程平穩。在旋轉運動時，行走機構在糧面上留下圓形軌跡，由于試驗樣機重心與其形心不完全重合，導致旋轉中心偏移而靠近后端，圓形軌跡半徑約等于行走機構長度400 mm。

擬合出直線行駛速度與驅動轉速的線性關系，如圖10所示，4種轉速下直線行駛速度分別為0.07、0.22、0.34和0.37 m/s，隨著驅動輪轉速的升高，行走機構直線行駛速度也隨之升高，且成正比例關系，比例系數約為0.197，擬合決定系數為0.9995，兩者線性相關性較高。

4種螺旋驅動輪轉速下，行走機構旋轉行駛速度分別為0.10、0.24、0.39和0.53 r/s，旋轉行駛轉速與驅動輪轉速成比例關系，比例系數約為0.251，擬合決定系數為0.993，相關性較高，如圖11所示。

有螺旋驅動輪轉速和直線行駛速度可由式（3）計算出行駛滑轉率，并對糧面行走機構在不同螺旋驅動輪轉速下直線行駛沉陷量進行測量，結果如圖12所示，隨著驅動輪轉速的增加，行駛速度增加的同時滑轉率也隨之增加，但4種轉速下滑轉率均不高，在驅動輪轉速為1.92 r/s時，行駛速度為0.37 m/s，滑轉率達到最大值為2.49%。沉陷量隨著驅動輪轉速的增加而逐漸減小，這是由于在這4種轉速范圍內，驅動輪轉速大時行走機構行駛速度快，且滑移率比較小，螺旋葉片對同位置糧食顆粒作用時間短，而驅動輪轉速較小時，螺旋葉片對同位置糧食顆粒作用時間長，在螺旋葉片作用下糧食可以移動的數量多，從而沉陷深度增加。最大沉陷量為70mm，為浮筒直徑的63.64%。

受樣機驅動電機輸出能力限制，實際試驗時，螺旋驅動輪的實際轉速最大值為1.92 r/s，更高驅動輪轉速下，行走機構行駛速度、滑轉率、沉陷量的變化規律有待進一步研究。

7 結論

1）結合水陸兩棲車輛的螺旋驅動方式，設計了可在松軟糧面上行走的螺旋驅動式糧面行走機構，通過糧面行駛試驗證明了該機構的糧面通行能力較好，可以實現前進、后退和自轉轉向，大幅提升了糧面行走機構的糧面行走性能。

2）對糧面對螺旋驅動輪作用的軸向力和側向力進行了分析，確定了螺旋驅動輪與糧面行走機構行駛方向的關系，開發了糧面行走機構速度和航向動態調整控制系統。

3）對糧面行走機構在不同驅動輪轉速下進行了直線行駛和旋轉轉向試驗，擬合出直線行駛速度、旋轉角速度與驅動輪轉速的線性關系，結果表明，兩者均與驅動轉速成正比例關系比例系數分別為0.197和0.251。試驗測得了行駛沉陷量與滑移率，結果顯示，在一定范圍內，隨著驅動輪轉速的增加滑轉率逐漸增加而沉陷量逐漸減小，最大滑轉率為2.49%，最大沉陷量為70 mm，約為浮筒直徑的63.64%。