一種果樹攀爬仿尺蠖機器人設計*

安燕霞 ，張國東 ，張志紅 ，李 建

（晉中信息學院，山西 晉中 030801）

0 引言

傳統的高大果樹采摘環境復雜、效率低、成本高，果農安全無法得到保障，采用振動、敲打等形式采摘又容易損傷果實、果樹。利用攀爬機器人來完成樹木剪枝、果實采摘、花粉傳遞等工作，可以短時間、高效率、高準確性地完成任務，滿足智能農業建設的需求，其應用前景受到國內外學者的廣泛關注。

尺蠖蠕動式的爬行方式在工作環境、穩定性、適應性等方面更適合果樹攀爬，且以齒輪驅動可以實現高效率、高精度、高穩定性的效果。目前國內外學者在果樹攀爬方面進行了很多研究。王振秋等利用UG對齒輪機器人進行虛擬樣機建模[1]，陳月強借助CATIA構建了齒輪機器人的物理模型[2]，楊書建等借助UG和CATIA[3]構建了齒輪機器人的物理模型。

在國外，對機器人的研究主要集中在大型機器人的設計和控制方面，如研發的齒輪機器人通常由一個可旋轉的柔性關節、兩個平行四邊形關節和兩個連桿組成。柔性關節和連桿是通過柔性鉸鏈來實現連接的。通過控制旋轉運動來改變柔性關節的位置，并對齒輪機器人的運動軌跡進行規劃，使得機器人能夠實現復雜的軌跡運動[4]。對于齒輪機器人的運動控制，采用矢量控制方法實現，首先確定電機運動規律，然后運用矢量控制方法進行傳動系統的設計和參數優化[5]。通過對齒輪機器人的研究和分析，能夠實現對齒輪機器人在復雜工作環境下的快速響應，從而使齒輪機器人更好地適應復雜工作環境。

1 仿尺蠖機器人結構

尺蠖式機器人包括彈簧單向鎖緊機構、曲柄滑塊機構、齒輪減速裝置三部分。為了模擬尺蠖蠕動運動狀態，曲柄滑塊機構與彈簧單向鎖緊機構配合往復運動，曲柄滑塊機構改變上下整體尺寸，彈簧單向鎖緊機構實時變位，模擬生物爬升狀態進行爬升。曲柄模塊與上方的活動模塊用桿連接形成曲柄滑塊機構，整體通過曲柄滑塊的滑塊往復運動，通過上下的位置變動進行爬升，結構圖如圖1所示。該結構設計可以實現機器人在30 mm～35 mm變化直徑的實體直桿上進行爬行；齒輪減速裝置減速后連接到凸輪和曲柄，三部分機構互相配合進行機器人爬升。

1）彈簧單向鎖緊機構是具有彈性緩沖功能的搭扣鎖，結構中的彈簧起到緩沖的作用。即使在振動嚴重的情況下，也可以很好地保持扣緊作用，不會因振動產生的共振作用而松脫[6-7]。

2）曲柄滑塊機構，通過該機構的相對伸展收縮進行運動，上方鎖緊時曲柄轉動，下方部件被拖動上升，相對于凸輪中點，上移兩個搖桿長度，下方鎖緊時曲柄轉動，上方夾持件上移兩個搖桿長度[8]。以重心計算，在一圈進程內，機器人總體上移兩個搖桿長度。

3）齒輪減速裝置是指電動機輸入轉速給一級圓柱齒輪組進行一級減速，再由第二根軸鍵連接運轉，用圓錐齒輪傳動進行二級減速，再連接到曲柄傳動部分。

2 齒輪機器人臂部機構傳動形式

齒輪機器人臂部機構的傳動形式如圖2所示。齒輪機器人臂部機構運動分為收緊、轉變、放開三個過程。齒輪機器人的爬行步態圖如圖3所示。該結構設計可以實現機器人在30 mm～35 mm變化直徑的實體直桿上進行爬行；齒輪減速裝置減速后連接到凸輪和曲柄，三部分機構互相配合進行機器人爬升。

圖2 齒輪機器人臂部機構的傳動形式

圖3 齒輪機器人爬行步態圖

1）收緊過程。曲柄從“12”轉動，滑塊從最高點下移，夾持端處于三角滑塊上端，由于三角滑塊上端的橫向限位，上端收緊固定不動，凸輪轉動，直徑由小徑轉為大徑，下端打開，下方由搖桿帶動上移，曲柄運動到“3”。

2）轉變過程。曲柄從“3”轉動，下端繼續上移，凸輪直徑從大徑轉變為小徑，下方夾具由于彈簧收緊，逐漸實現下部分固定。

3）放開過程。曲柄從“6”轉動，搖桿上移，由于雙桿和夾持件中摩擦力和其他力的作用推開上端彈簧夾，上端夾具動力端擴張，上夾爪張開，凸輪半徑不變，下端爪穩定保持閉合，搖桿推動滑塊上移，上方夾持器上移，上方夾持器到達準備下一次收緊的位置，準備下一次爬升工作，再次回到開始。

3 仿尺蠖機器人參數計算

3.1 傳動裝置動力參數

確定傳動方案為圓錐—圓柱齒輪二級減速傳動。動力由電機輸出，減速器由動力軸通過蝸輪蝸桿帶動中轉軸，中轉軸再通過蝸輪蝸桿帶動輸出軸轉動。

為保證機器人的移動速度為120 mm/s、減速終端轉速為60 r/min，電機選擇8級24VMY28GP-385電機，電機空載轉速為750 r/min，電機的額定轉速為735 r/min，額定功率為12 W。

總傳動比為12，兩部分傳動比i柱=3.824，i錐=3.158。

3.2 曲柄滑塊機構設計

電機帶動曲柄轉動，曲柄滑塊機構設計中，一般取r+e＞0.75l，r+e＞l時，為搖桿滑塊機構。所以設計要保證r小于l。這里，r為曲柄長度，l為連桿長度，e為偏心距。

預選r為60 mm、l為196 mm，加上滑塊的尺寸補償，經計算，滿足各運轉周期尺寸和速度的要求。

假設曲柄的轉速為ω，則轉一圈的時間為當曲柄運轉一周期，機器人上移2r即120 mm，機器人要求移速v=2ω=120 mm/s時，需保持至少100 mm/s的運行速度，因此曲柄轉速為60 r/min。電動機傳動到曲柄機構時，其轉速達到60 r/min，轉動一圈消耗時間1 s，角速度為360 rad/s，線速度為360×60 mm/s。

曲柄滑塊機構尺寸模型圖如圖4所示。S表示滑塊的位移，由連桿帶動滑塊在水平面上做往復運動，曲柄繞固定點做往復直線運動。假設初始時刻，曲柄的端點位于水平面上，曲柄長為R，與水平面的夾角是α，連桿l與水平面的夾角是θ。

圖4 曲柄滑塊機構尺寸模型圖

根據圖4可得：S=R+L-Rcosα-Lcosθ=R(1-cosα)+L(1-cosθ)。

三角函數轉換計算有下式關系：

進而可以得到滑塊的加速度，代入數值得到時間關系式：

4 運動仿真

為驗證仿尺蠖機器人設計的可行性和運動的平穩性，進行ADAMS運動分析。在仿真分析前進行如下處理：

1）對錐齒輪和圓柱齒輪機構添加兩個旋轉副，再為兩個旋轉副添加齒輪副，為小齒輪添加電機轉速驅動，其中，由于圓柱齒輪傳動部分速度標記點難以選中，故直接使用數據調用生成齒輪組[9]。

2）曲柄滑塊機構，為大地和曲柄、曲柄和連桿、連桿和滑塊都添加合適的旋轉副，滑塊添加移動副。

3）凸輪推桿機構，凸輪與大地添加旋轉副，凸輪和推桿間添加實體-實體接觸力來解決凸輪推桿配合問題，夾具與大地添加旋轉副，但夾具在運動過程中，其動力端中心在y軸存在移動，在SolidWorks中采用長圓柱孔實現，在ADAMS中旋轉副存在選點限制，采用點線接觸解決此問題。

4）三角限位接觸夾持機構，采用接觸力配合三角和夾具動力端，額外添加動力端和三角滑塊配合移動副，夾具和大地配合旋轉副，為了使機構完成配合，添加過渡塊，為過渡塊移動副添加摩擦力，代替爬桿所受摩擦力和夾具摩擦力的和，完成配合。

5）將四個機構進行實體連接，全部運動副均如表1所示。完成動力配合，導出仿真圖像和動畫，判斷機器人運行配合是否平穩，配合動作是否完全銜接[10]。經分析，曲柄和滑塊兩部分各個分方向和總方向的運動速度符合設計預期，機構周期聯動運行可行，速度位移圖分別如圖5、圖6所示。

表1 ADAMS整體機構配合詳表

圖5 曲柄速度位移圖

圖6 三角限位塊（滑塊）速度位移圖

5 結語

為了實現高大果樹采摘，模擬尺蠖運動形式設計了仿尺蠖機器人。該機器用曲柄連桿機構使機器人軀干產生伸縮動作，實現機器人的爬行動作，結構簡單、可靠，并采用ADAMS軟件進行仿真分析，得到了仿尺蠖機器人的運動規律，驗證了機構方案的可行性，能為復雜的果樹攀爬研究提供有益的借鑒。