移動并聯多功能農業機器人機構設計與仿真*

王志遠 ， 康 杰 ， 顧 懿 ， 胡楊樹

（三江學院機械與電氣工程學院，江蘇 南京 210012）

0 引言

我國農業在國民經濟中占據著非常重要的地位[1]。在植保噴藥領域，傳統的人工噴灑農藥模式費時費力，且受天氣和地形等因素的影響較大。在噴灑農藥時，作業人員存在著農藥中毒的風險[2]。隨著農業現代化進程的加快[3-5]，國內外很多地方逐漸使用植保無人機噴灑農藥，此模式雖能解決人力作業存在的安全性不足和勞動力短缺等問題，卻又帶來了農藥浪費、影響健康等新問題。

目前國內對具有精準噴灑功能的農業機器人的研究還很欠缺，但對并聯機構和噴霧裝置的研究卻不少。樊正強等[6]論述了農業機器人常見的行進方式，并對各種行進方式的優缺點和控制方法的穩定性進行了分析。馬智斌[7]提出了一種并聯式自動采茶機，基于Delta機器人，利用機器視覺技術能夠實現茶葉采摘。張強[8]研究的多功能農業機器人具有可互換的各功能模塊結構，能夠完成旋耕、播種作業和除草作業?；炻摍C器人在此領域中更是鳳毛麟角。農作物幼苗較脆弱，且易受到外加的壓力影響而產生變形或者斷裂，因而需要農業機器人本身具備很高的靈活性和智能化水平[9]。本文提出并設計了一種移動并聯農業機器人，其并聯機構和移動平臺的結合恰恰滿足要求。二者實現了功能互補：并聯機構具有剛度大、承載能力強、精度高、末端件慣性小等一系列優點，而移動平臺具有全方位移動的特點，恰好可以彌補并聯機構不能移動這一缺點，二者結合為農作物精準作業研究、節省能源提供了一種新的思路。

1 總體設計方案

總體設計方案流程如圖1所示。第一步通過農作物幼苗及雜草的高度確定底盤的高度；第二步根據需要的工作空間的范圍并結合并聯機構的靜力學分析，來確定并聯機構主動桿和從動桿的長度尺寸及材料；第三步通過SolidWorks對整體結構進行建模，繪制出具體的三維模型；第四步對主要部件進行有限元仿真分析，以確定其強度能夠支持機器人平穩運行；第五步根據設計要求進行農業機器人整體的實物制作與實驗。

圖1 總體設計方案流程圖

2 運動學分析

考慮到本設計主要是在目標物上方，利用水平工作空間進行定位噴灌，對垂直空間的要求并不是很高，所以在滿足所需空間時，以包絡一個最大圓柱體（h×D）為目標來設計各桿件的尺寸[10]。該圓柱體空間即為單個并聯機構的任務工作空間。在接下來的分析中，先進行單個并聯機構的工作空間分析。為更好地得到任務工作空間的表達式，采用解析法，將三維圖簡化成二維圖，進行工作空間分析，如圖2所示。

圖2 并聯機器人二維工作空間簡圖

首先可以給定一個h作為任務工作空間的高，給定一個H作為任務工作空間距離靜平臺的距離，給定一個D作為圓柱形任務工作空間的直徑。可以得到末端執行器的可達任務工作空間上界限和下界限的數學方程，如式（1）和式（2）所示。

主動桿L1向上運動，一直運動到極限角度θmin，此時從動桿處于豎直狀態，動平臺中心點P在可達任務工作空間的上界限。因此，主動桿L1與從動桿L2滿足以下等式：

空間直徑D為：

靜平臺與動平臺的半徑差d的約束條件為：

給定圓柱任務工作空間直徑D為400 mm，高h為100 mm。圓柱任務工作空間上邊界與定平臺距離H為400 mm。已知定平臺外接圓半徑R為183 mm，動平臺外接圓半徑r為34 mm，靜平臺與動平臺的半徑差d為149 mm。根據公式（3）（4）（5），可以計算出主動桿長度L1為142 mm，從動桿長度L2為499 mm。并聯機構結構參數如表1所示。

表1 并聯機構結構參數

根據約束條件公式對并聯機構主動桿和從動桿的長度計算分析，并結合實際噴灌作業的需求提出了理想的任務工作空間，同時進行逆向運動學分析。最后利用MATLAB軟件對并聯機構的末端執行器運動軌跡進行仿真驗證，經過仿真驗證可知，單個并聯機構末端執行器的空間移動范圍大于所需的任務工作空間范圍。如圖3長方形框所示，可以更加明顯地看出單個并聯機構的工作空間包含了圓柱形狀的任務工作空間。同理可知，當有兩個并聯機構時，整個農業機器人的工作空間為兩個互不干涉而且邊緣相互觸碰的圓柱體。

圖3 工作空間仿真與驗證

3 機械結構設計

農業機器人三維建模圖如圖4所示。該農業機器人能夠在田間對目標農作物進行精準灌溉。其具有能夠全方位移動的底盤，移動到作業地點后，并聯機構的動平臺及末端執行器能夠快速準確地定位到農作物幼苗上方位置，通過安裝在末端的噴霧灌溉裝置對目標位置的農作物進行噴灑灌溉，隨后末端執行器再移動到下一個農作物幼苗上方位置，以此循環作業。

圖4 移動并聯多功能農業機器人三維建模圖

3.1 并聯機構設計

并聯機構模塊主要由動平臺、定平臺、主動桿、從動桿、球鉸、L型支架、磁編碼器固定件和電機構成，如圖5所示。

圖5 并聯機構模塊

3.2 外部框架設計

為了保證較強的通過性，框架采用四條腿的形式，即用四根鋁型材與輪系相連接。這種結構在田間作業時有很強的通過性，直行或者側向行駛時都能極大程度地避免與農作物的碰撞接觸。

3.3 移動底盤設計

農業機器人的工作環境是凹凸不平的農田，在田間作業時平穩性較差，會產生大振幅振動。為保證農業機器人平穩行駛，減小對聯軸器的徑向彎曲應力，延長聯軸器的使用壽命，需要設置合適的避震裝置。相比其他移動機構，該移動底盤結構簡單，且對田間土地的破壞最小。

3.4 輪系及包覆機構設計

為了將電機、避震器和框架合理連接，設計一種包覆機構，如圖6所示。其主要由兩塊懸掛側板和三個墊塊組成，兩個懸掛軸承座墊座包覆住電機，兩塊側板上用一根螺栓固定住避震器。

圖6 電機包覆機構三維建模圖

輪系爆炸圖如圖7所示，主要由螺栓、壓緊帽、麥克納姆輪、聯軸器、懸掛軸承座、擋邊軸承、懸掛側板、懸掛軸承座墊座、光軸座、鋁方管、避震器固定件、40轉30連接件、避震器、電機、懸掛墊塊等組成。

圖7 輪系爆炸圖

4 有限元分析

作為并聯機構中的關鍵部件，主動桿起到連接電機和從動桿的作用，主要承受從動桿、動平臺以及末端執行器的重量。為驗證主動桿強度是否可靠，需進行有限元分析。據靜力學分析可知，在從動桿垂直位置時，主動桿受力最大。由此可通過Ansys Workbench進行有限元分析。首先將建立的主動桿三維模型導入到Ansys Workbench中，對該模型進行材料設置，可知主動桿受到從動桿、動平臺和噴頭的重力，合計為10 N。其次設置主動桿末端的拉力為10 N，然后進行求解，結果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 主動桿總形變

圖9 主動桿等效應力

圖10 主動桿等效彈性應變

可以看出，主動桿最大總形變為0.06 mm，主動桿最大等效應力發生在主動桿與電機軸連接一側的開槽處，為6.9 MPa，最大等效彈性應變也發生在主動桿與電機軸連接一側的開槽處，為0.000 1 m/m。形變均處于合理的范圍內，因此主動桿設計合理，能承受住工作時的所承擔的力。

5 實物裝配與實驗

將各個部分依次實物化，并進行合理組裝。實驗部分主要進行移動平臺實驗和農作物定位模擬實驗。

5.1 移動平臺實驗

為驗證農業機器人的移動能力和速度，在地上貼了一條黃色測試標簽。農業機器人從起點出發進行直線行駛，通過計算，行駛速度為0.5 m/s。同時，為驗證其側向移動的優越性，對其轉彎能力進行測試，速度約為0.3 m/s，可以發現這樣的側向移動并不會像普通輪子轉彎那樣導致工作盲區。移動平臺實驗驗證了農業機器人具備靈活的行走能力，不管是直線行駛還是側向行駛都具有很強的通過性，而且行駛的速度和穩定性都符合預期。農業機器人直線行駛和側向行駛測試現場實物圖如圖11至圖14所示。

圖11 直線行駛移動起始點

圖14 側向行駛移動終點

圖12 直線行駛移動終點

圖13 側向行駛移動起始點

5.2 農作物定位模擬實驗

按照設定好的程序，對目標農作物進行定位模擬實驗，機器人運動到農作物正上方后，雙并聯機構同時快速對目標農作物進行標定，且準確無誤，實驗效果如圖15、圖16所示。農作物定位實驗驗證了農業機器人作業的特點，能夠精準快速地定位到農作物上方。

圖15 雙并聯機構同時標定實驗圖

圖16 雙并聯機構同時標定實驗俯視圖

6 結束語

課題組研制的移動并聯農業機器人機構，結合移動平臺和并聯機構各自的優勢，應用于農業灌溉作業。本機構兼顧移動平臺出色的全方位移動能力，雙Delta并聯機構能夠輪流或并行操作提高效率。結果表明，課題組研制的移動并聯農業機器人可以有效實現穩定行走和精準定位噴灑作業，與人工噴灑農藥和植保機覆蓋式噴灑相比，本設計的優勢尤其明顯，各項資源均被有效利用，有利于節能減排。