李俊達 羅 強 王海寶 徐光強 秦雪靜

(重慶三峽學(xué)院機械工程學(xué)院，重慶 萬州 404100)

0 引言

我國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展是我國長治久安的根本保障。如今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨諸多挑戰(zhàn)，比如勞動力老齡化、勞動力成本提高以及環(huán)境變化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的影響等。農(nóng)業(yè)機器人作為農(nóng)業(yè)智能裝備的重要組成部分，對改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)方式、促進現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展具有不可忽視的作用[1]。目前，農(nóng)業(yè)機器人已經(jīng)成為了一個世界性的熱點話題，在解放勞動力、提高生產(chǎn)率、提高作業(yè)質(zhì)量、降低勞動力成本、減輕農(nóng)民勞動強度等方面具有顯著效果，許多勞動力缺乏的發(fā)達國家很早就關(guān)注農(nóng)業(yè)機器人并進行了許多相關(guān)的研究，其中以美國、日本、西班牙等最早。

隨著技術(shù)發(fā)展，農(nóng)業(yè)機器人將成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動的主要力量。為了增加農(nóng)業(yè)機器人的普適性，降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的投入成本，提高農(nóng)業(yè)機器人的表現(xiàn)能力，增強對自然環(huán)境的適應(yīng)能力，研究性能更加優(yōu)越的農(nóng)業(yè)機器人移動平臺勢在必行。

1 農(nóng)業(yè)機器人移動平臺的行進方式及研究現(xiàn)狀

農(nóng)業(yè)機器人工作中通常是移動和作業(yè)同時進行，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，農(nóng)業(yè)機器人的移動不再是起點與終點的直線行進，而是根據(jù)工作需要在狹窄的范圍、較長的距離和整個工作區(qū)域進行作業(yè)。目前主流的行進方式可分為軌道式、輪式、履帶式和復(fù)合式4種。

1.1 軌道式移動平臺

軌道式移動平臺主要分為單軌式和雙軌式。單軌式移動平臺的主要特點是成本低、轉(zhuǎn)向性能好、搭建簡單。雙軌式移動平臺則是穩(wěn)定性和安全性更加突出。早在20世紀(jì)60年代國外就開始了針對軌道式移動平臺的研究，1966年，日本企業(yè)日加利研發(fā)出了第一臺用于陡坡的單軌運輸機，當(dāng)時被稱為“劃時代運輸車”。英國希爾所研究院研制了一款基于軌道式的全自動蘑菇采摘機器人，這種機器人通過鋪設(shè)軌道能實現(xiàn)高精度移動。金華市農(nóng)業(yè)機械研究所的施新杭等人研究設(shè)計了一種電動式單軌運輸機，這種運輸機以蓄電池為動力，具有無污染、噪音小的特點。黑龍江的朝洛蒙等人研制了一種便于水田取苗的雙軌道變軌式運輸車，這種運輸車成本低，效率高，不受陰雨天氣限制，有效地解決了勞動力成本高、雇工難等問題。遼寧的劉偉設(shè)計了一種用于大棚的多功能雙軌輸送器，這種運輸器具有過載報警、行程控制、電子遙控和聲控停車的優(yōu)點。目前軌道式移動平臺多應(yīng)用于大棚和山地果園，少部分運用于固定生產(chǎn)作物的水田，應(yīng)用限制較大。

1.2 輪式移動平臺

輪式移動平臺是目前最常見的移動平臺，也是研究和應(yīng)用最為廣泛的。針對這種移動平臺的研究多集中于轉(zhuǎn)向控制和平臺調(diào)節(jié)問題上。Chen等人研制的具有四輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向功能的牽引機可以通過液壓缸驅(qū)動四連桿機構(gòu)調(diào)整牽引車機身離地間隙，同時采用多路閥控制4個車輪支架，調(diào)整車輪輪距。瓦赫寧根大學(xué)的T.Bakkert和J.Bontsema等人設(shè)計的移動平臺采用四輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向，4個車輪模塊中的每一個都包括一個用于推進的固定排量液壓馬達，該馬達提供不帶齒輪的直接驅(qū)動。另一個安裝在車輪模塊頂部的固定排量液壓馬達則通過行星減速器控制車輪。吉林大學(xué)的趙偉程設(shè)計的農(nóng)用全方位移動平臺采用萬向輪作為輪系結(jié)構(gòu)，在萬向輪上安裝可以自主控制的機械機構(gòu)進行轉(zhuǎn)向，四輪可獨立轉(zhuǎn)向和驅(qū)動，同時設(shè)計了一種平行四桿機構(gòu)進行高度調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同路面[18]。湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡志勇等人的團隊研制了一款自走式植保機械，該植保機的移動平臺采用四輪驅(qū)動，可以四輪同轍轉(zhuǎn)向，通過液壓系統(tǒng)可以對軸距和輪距以及高度進行一定調(diào)節(jié)[19]。青島理工大學(xué)的韓國旭設(shè)計了一種新型變輪距農(nóng)用車輛底盤，該底盤采用機械傳動和四輪驅(qū)動，相比較液壓傳動而言，機械傳動效率更高，成本低，控制簡單[20]。輪式移動平臺的特點是質(zhì)量輕，載重能力強，占用空間小，驅(qū)動和控制方式簡單，行進速度快，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中被廣泛運用。但是其克服障礙能力有限，無法適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)田環(huán)境。

1.3 履帶式移動平臺

履帶式移動平臺根據(jù)其機構(gòu)可分為單節(jié)雙履帶和多節(jié)多履帶。單節(jié)雙履帶結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制簡單，行進效率較高，但不能適應(yīng)過于復(fù)雜的地形，多節(jié)多履帶則相反。各國專家學(xué)者們對履帶式移動平臺的研究多集中于提升履帶移動平臺的地形適應(yīng)能力和操控性上。Spalla等研究的履帶式牽引車可以對底盤離地間隙和左右履帶間距進行一定量調(diào)整，通過調(diào)整車架與履帶之間的位置使兩條驅(qū)動履帶在兩個不同的接地平面，實現(xiàn)農(nóng)機作業(yè)時自動適應(yīng)地形變化。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的顧寶興和姬長英等人研制的農(nóng)用履帶式智能移動平臺采用視覺導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航組合的方式，運用VC++6.0編寫了自主導(dǎo)航控制程序，能夠很好地實現(xiàn)田間自主導(dǎo)航。履帶式移動平臺結(jié)構(gòu)簡單，載重能力強，行進過程中不易打滑和下陷，可以適應(yīng)斜坡和松軟泥濘的農(nóng)田作業(yè)。當(dāng)然，履帶式移動平臺也存在一些問題，主要是移速慢，能耗大，行駛機構(gòu)容易磨損，對履帶的材質(zhì)和構(gòu)型要求高的問題，同時由于質(zhì)量大，與地面摩擦阻力過大，在松軟土地上轉(zhuǎn)向時，容易對平整的農(nóng)田和農(nóng)作物造成不必要的損壞。

1.4 復(fù)合式移動平臺

復(fù)合式移動平臺包括輪履復(fù)合式、輪腿復(fù)合式、履腿復(fù)合式以及輪履腿復(fù)合式等，用于農(nóng)業(yè)方面的復(fù)合式移動平臺則主要是輪履復(fù)合式和輪腿復(fù)合式。西安科技大學(xué)的田海波和馬宏偉等人結(jié)合變胞機構(gòu)理論提出了一種輪履復(fù)合式機器人的結(jié)構(gòu)。該機器人的移動平臺可以根據(jù)需要在輪式和履帶式兩種行進方式中進行切換，利用車輪實現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離運動，用履帶來適應(yīng)復(fù)雜地形，也可以輪履并用來跨越障礙。李文見和姬江濤根據(jù)模糊邏輯理論針對輪履復(fù)合式平臺的避障控制方法進行研究，建立了模糊控制規(guī)則，提升了輪履復(fù)合式移動平臺的靈活性。北京林業(yè)大學(xué)的閆浩設(shè)計的新型輪腿復(fù)合式移動平臺采用推桿電機對復(fù)合輪腿的四邊形結(jié)構(gòu)進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)多種運動功能。同時還可以根據(jù)實際路況改變輪距、軸距和機身高度。北京交通大學(xué)的董瑩設(shè)計了一種具有四桿腿機構(gòu)的六輪足移動平臺，這種設(shè)計極大地提升了越障性能和越障速度。復(fù)合式移動平臺可以針對各種地形做充分地考慮，可以滿足較大難度的作業(yè)需求，但其缺點也很明顯，機械結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，面對復(fù)雜地形需要考慮更多因素，控制算法較復(fù)雜。并且復(fù)合式移動平臺并非可以繼承各類單一行進方式全部優(yōu)點，綜合各行進方式的部分優(yōu)點的同時往往會削弱單一行進方式的一些優(yōu)點。

2 存在的問題及建議

2.1 存在問題

目前對農(nóng)業(yè)機器人移動平臺的研究已經(jīng)取得了很大的進展，但其中還存在一些問題。

(1)許多高新技術(shù)發(fā)展已經(jīng)較為成熟，但目前應(yīng)用于農(nóng)業(yè)移動平臺的還比較少，這其中一方面是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益不足，對高新技術(shù)吸引力不夠；另一方面則是農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境復(fù)雜，技術(shù)應(yīng)用較為困難，投入成本高。

(2)由于北方平原地區(qū)地形相對簡單，丘陵山地則較為復(fù)雜，適合北方地區(qū)的輪式和履帶式移動平臺研究難度相對較小，所以目前的研究主要集中在這兩方面，對其它方面研究不足。

(3)目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中移動平臺大多采用柴油機和汽油機，這兩種動力機械雖然動力強勁，但是會對環(huán)境造成污染。

(4)農(nóng)業(yè)機械化的趨勢必然導(dǎo)致技術(shù)難度提升，但是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中占主導(dǎo)地位的農(nóng)民大多知識水平不夠，操作困難，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械推廣難度增大。

2.2 建議

為了推進農(nóng)業(yè)機械化的進程，政府需要出臺相關(guān)政策來引導(dǎo)，我認(rèn)為主要可以從以下幾個方面著手。

(1)進一步調(diào)整價格杠桿，提高農(nóng)產(chǎn)品的利潤，引導(dǎo)高新技術(shù)投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

(2)加大南方丘陵山地宜機化改造和農(nóng)業(yè)機械的研究投入，引導(dǎo)更多的研究人員研制性能更為優(yōu)秀，適應(yīng)能力更強的移動平臺。

(3)宣傳環(huán)保意識，引導(dǎo)相關(guān)研究人員研制性能更為優(yōu)異的電動移動平臺，逐步更換柴油機和汽油機。

(4)一方面培養(yǎng)新型職業(yè)農(nóng)民，經(jīng)常開展職業(yè)培訓(xùn)，提高農(nóng)民的專業(yè)技能；另一方面需要針對農(nóng)民這個群體開發(fā)出操作簡單、工作穩(wěn)定、智能程度高的農(nóng)業(yè)機器人。

3 結(jié)語

本文綜述了農(nóng)業(yè)機器人移動平臺的4種常見行進方式，結(jié)合目前的研究現(xiàn)狀分析了各種行進方式的特點，分析了它們各自適應(yīng)的作業(yè)環(huán)境。根據(jù)目前存在的問題提出了一些建議。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，對于農(nóng)業(yè)機器人的需求將持續(xù)加大。農(nóng)業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的復(fù)雜性、多變性和非結(jié)構(gòu)性將會極大推進農(nóng)業(yè)機器人移動平臺的發(fā)展，隨著新型材料和人工智能等新一代技術(shù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)的融合，農(nóng)業(yè)機器人移動平臺當(dāng)前面臨的難題必將迎刃而解。