祝志芳，郭小龍，熊高翔，曾宇露，王 歡

(1.南昌工程學(xué)院 機械與電氣工程學(xué)院，江西 南昌330099；2.浙江理工大學(xué) 機械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018；3.廣西大學(xué) 機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展和社會進步，人們對生活環(huán)境質(zhì)量要求逐步提高，城市綠化工程與人們的生活聯(lián)系緊密，城市機械化清掃作業(yè)勢在必行。草坪在城市綠化中起到了重要的作用[1]，其綠化面積日益增大，隨之而來的草坪落葉垃圾成為了影響草坪美觀和環(huán)境的重要問題?，F(xiàn)有的清掃車大都適用于道路清掃[2，3]，但體積大、笨重，對草坪有一定損害，不適用于草坪落葉垃圾清理。目前的清理方式主要有兩種：一種是人工清理，通過草坪耙等工具把落葉垃圾耙集后用手裝進垃圾袋，勞動強度和工作量較大，且工作繁瑣；另一種是借助清理機械，市場上的清理設(shè)備有燃油手推吸樹葉機，采用的動力源為汽油發(fā)動機，有噪音影響，移動不靈活，車輪的碾壓會對草坪上的植被造成破壞。

1 仿生學(xué)原理

仿生學(xué)是復(fù)制自然和從自然獲得想法，具有相似性、多樣性、創(chuàng)新性等特征[4]。仿生學(xué)的研究內(nèi)容主要有形態(tài)仿生、結(jié)構(gòu)仿生、功能仿生及材料仿生[5]。仿生六足因其步態(tài)豐富和結(jié)構(gòu)冗余在多領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[6-7]。

考慮到清理草坪時應(yīng)盡量減小對草坪的破壞，裝置的行走方式尤為重要。自然界中的生物在長期進化下對自然環(huán)境已經(jīng)有了高度的適應(yīng)性，是仿生設(shè)計的源泉。多足昆蟲的軀體結(jié)構(gòu)能很好地在各種復(fù)雜地形上行走，仿多足昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計裝置的行走機構(gòu)既能減小對草坪的破壞又能靈活敏捷地移動?；谶\動機理仿生，分析多足昆蟲的腿部結(jié)構(gòu)與功能，設(shè)計仿生六足行走機構(gòu)。仿生六足的腿部機構(gòu)采用閉鏈的連桿機構(gòu)，用兩副連桿機構(gòu)連接中間足，兩副連桿機構(gòu)連接前足與后足，一側(cè)的行走結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)多足昆蟲腿的位置，行走部分構(gòu)型采用正向?qū)ΨQ分布，六足對稱均勻分布機體兩側(cè)，如圖2所示。

圖1 行走機構(gòu) 圖2 對稱分布的仿生六足

工作時把六條足分為兩組，以一側(cè)的前足與后足和另一側(cè)的中足為一組，組成一個三角形支撐體，是典型的三角步態(tài)[8]，穩(wěn)定性較強，六足直行步態(tài)如圖3所示。起初如圖3(a)所示，六足處于支撐狀態(tài)，圖3(b)中，2，4，6足擺動向前跨步，1，3，5足呈支撐態(tài)，此時裝置向前移動一個半步長，圖3(c)中1，3，5足擺動向前跨步，2，4，6足復(fù)位，再移動一個半步長，圖3(d)中六足復(fù)位。

圖3 仿生六足行走步態(tài)

2 裝置總體設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

草坪落葉垃圾清理裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示，主要包括六足行走部分、傳動部分和收集部分。六足行走部分一側(cè)是由四個曲柄搖桿機構(gòu)利用其端點運行軌跡連接三足，曲柄通過軸與鏈輪相連，采用鏈傳動方式驅(qū)動，兩側(cè)各有一電機通過聯(lián)軸器與鏈輪連接。收集部分包括風(fēng)機和收集箱，采用氣吸式收集落葉垃圾，通過風(fēng)機的運轉(zhuǎn)使裝置內(nèi)外形成負壓，落葉垃圾通過收集口進入收集箱。兩側(cè)電機同步轉(zhuǎn)動，帶動仿生六足行走機構(gòu)平穩(wěn)向前移動，完成草坪落葉垃圾的清理工作。

2.2 控制系統(tǒng)設(shè)計

草坪落葉清理裝置的控制系統(tǒng)選用Arduino UNO單片機為核心，L298N作為兩電機的驅(qū)動模塊，通過控制電機實現(xiàn)仿生六足機構(gòu)的前進、后退與轉(zhuǎn)彎，通過控制風(fēng)機使裝置箱體內(nèi)外形成壓差完成草坪落葉垃圾的清理。

Arduino UNO是一款基于ATmega328芯片的開源控制板，有14個數(shù)字I/O引腳(其中6個可作為PWM輸出)及6個模擬輸入引腳，控制程序可以通過Arduino IDE進行燒錄，能完裝置的控制要求。L298N是一種雙H橋電機驅(qū)動芯片，抗干擾能力強，具有PWM調(diào)速，可用來控制裝置的兩個電機。圖5為裝置的控制系統(tǒng)硬件圖。

在進行清理工作時，Arduino單片機控制風(fēng)機一直工作，通過控制引腳的高低電平實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，從而使草坪落葉清理裝置前進與后退，完成清理作業(yè)。通過可調(diào)PWM波的引腳來控制兩電機的轉(zhuǎn)速，利用兩電機的差速實現(xiàn)裝置的轉(zhuǎn)彎。電機的部分控制程序如下：

圖4 草坪落葉垃圾清理裝置結(jié)構(gòu)圖

定義各引腳：

int IN1=3；//定義pin 3向IN1輸出

int IN2=4；//定義pin 4向IN2輸出

int IN3=5；//定義pin 5向IN3輸出

int IN4=6；//定義pin 6向IN4輸出

int ENA=9；//定義pin 9向ENA使能端輸出

int ENB=10；//定義pin10向ENB使能端輸出

初始化各引腳為輸出模式：

void setup()

{

pinMode(IN1，OUTPUT)；

圖5 控制系統(tǒng)硬件圖

pinMode(IN2，OUTPUT)；

pinMode(IN3，OUTPUT)；

pinMode(IN4，OUTPUT)；

pinMode(ENA，OUTPUT)；

pinMode(ENB，OUTPUT)；

}

裝置前進程序：

void loop()

{

digitalWrite(IN1，HIGH)；

digitalWrite(IN2，LOW)；

analogWrite(ENA，200)；

digitalWrite(IN3，HIGH)；

digitalWrite(IN4，LOW)；

analogWrite(ENB，200)；

}

通過L289N電機驅(qū)動上的使能引腳接到Arduino UNO具有PWM波調(diào)制的9，10輸出引腳中，其可調(diào)占空比范圍是0～255。

裝置轉(zhuǎn)彎程序：

void loop()

{

digitalWrite(IN1，HIGH)；

digitalWrite(IN2，LOW)；

analogWrite(ENA，150)；

digitalWrite(IN3，HIGH)；

digitalWrite(IN4，LOW)；

analogWrite(ENB，250)；

}

3 曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計與仿真分析

3.1 曲柄搖桿機構(gòu)的設(shè)計計算

草坪落葉垃圾清理裝置是采用仿生六足行走機構(gòu)，其關(guān)鍵的組成部分是其連桿曲線具有一段近似對稱直線的曲柄搖桿機構(gòu)[9-10]，它的設(shè)計計算如下：

在曲柄搖桿機構(gòu)ABCDM中，當桿長條件滿足b=c=e時，M點的運動軌跡能產(chǎn)生對稱的連桿曲線，并且連桿曲線上的對稱軸一定過機架上的D點，同時與機架垂直。當鉸鏈B點運動到切點B′，B″時，對應(yīng)的M點運動到M′，M″。

設(shè)b=c=e=ma，d=na(m、n>1)，當m，n滿足方程

(1)

得到的曲柄搖桿機構(gòu)：當曲柄AB與機架AD共線時，M點運動至位于連桿曲線直線段的中點(見圖6)。

圖6 具有直線運動軌跡的曲柄搖桿機構(gòu)

該曲柄搖桿機構(gòu)連桿的延長桿的端點的運動軌跡有較長的直線段，并且連桿曲線的直線部分平行機架AD。取n>1時，機構(gòu)的曲柄AB存在。

連桿曲線中直線段到機架AD的距離：

(MD)2=(2ma)2-[(n+1)a]2

(2)

曲柄AB軌跡圓視角的半角：

θ=arcsin(a/d)

(3)

連桿曲線直線段的長度略小于2(MD)tanθ。

取n=2.5，當a=40mm時，d=100mm，b=c=e=131mm，計算出直線段的長度約為177mm。

3.2 具有直線運動軌跡的曲柄搖桿機構(gòu)特性分析

如圖7所示的曲柄搖桿機構(gòu)，曲柄AB為原動件，在其旋轉(zhuǎn)一周的過程中，連桿BC兩次與其共線，此時搖桿CD剛好處于兩個極限位置C1D和C2D，而原動件曲柄AB1與AB2所夾的銳角θ即為極位夾角。

當曲柄AB以角速度ω逆時針轉(zhuǎn)過α2+180°+θ時，搖桿CD將由C1D位置擺到C2D位置；當曲柄AB繼續(xù)轉(zhuǎn)過α1=180°-θ時，搖桿又從C2D位置回到了C1D位置，兩次的擺角都相同，為φ。在曲柄為等角速度轉(zhuǎn)動的情況下，連桿兩次與曲柄共線時所轉(zhuǎn)過的角度不同，那么所用的時間也不同，來回的線速度也就不同。因此，此曲柄搖桿機構(gòu)具有急回運動特性，行程速度變化系數(shù)：

K=(180°+θ)/(180°-θ).

(4)

由曲柄搖桿機構(gòu)組成的仿生六足行走機構(gòu)同樣具有急回運動特性，提高了草坪落葉清理裝置的清理效率。

3.3 曲柄搖桿機構(gòu)的仿真分析

完成曲柄搖桿機構(gòu)的尺寸計算后，為了驗證其是否能滿足行走要求，因此應(yīng)用ADAMS軟件對其做運動分析，主要是跟蹤連桿端點的運動軌跡，并分析速度、加速度變化[11-12]。

按設(shè)計計算的尺寸應(yīng)用Solidworks軟件完成三維建模后，導(dǎo)入ADAMS軟件環(huán)境中，創(chuàng)建固定副，將機架固定在地面上，對曲柄搖桿機構(gòu)各桿件連接處添加轉(zhuǎn)動副，在曲柄的轉(zhuǎn)動副處添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動，參數(shù)設(shè)為10d*time，進行交互仿真。跟蹤連桿端點的運動軌跡，如圖8所示，是一條對稱的連桿曲線，且有一段軌跡為直線。

圖7 曲柄搖桿機構(gòu)急回特性分析圖 圖8 連桿端點運動曲線

進入ADAMS的后處理模塊，測量連桿端點Y方向的速度、加速度曲線如圖9～10所示。

圖9 連桿端點Y方向的速度曲線

圖10 連桿端點Y方向的加速度曲線

由圖9～10的曲線分析可知，在近似直線段運動時，連桿端點處的速度、加速度波動很小，同時在曲線段運動時速度、加速度都發(fā)生變化，說明此曲柄搖桿機構(gòu)具有急回運動特性，工作行程時慢速前進，移動平穩(wěn)，回程時快速返回，大大提高了清理草坪落葉垃圾的效率，設(shè)計滿足了行走要求。

4 樣機試驗研究

在完成裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析后，進行模型物理樣機的試制。選用2mm的亞克力板制作整個裝置的外箱體及其行走機構(gòu)。相關(guān)參數(shù)見表1，模型樣機實物如圖11所示。

表1 模型樣機參數(shù)表

圖11 樣機實物圖

用碎紙屑模擬落葉垃圾進行試驗，經(jīng)過試驗測試該裝置可以很好的完成清理工作，在清理過程中對草坪的破壞較小，工作高效，滿足性能要求，實現(xiàn)了預(yù)期目標，具有很強的實用價值。

5 結(jié)論

創(chuàng)新設(shè)計了一種草坪落葉清理裝置，外形輕巧，移動靈活，在清理時不會對草坪造成破壞，實現(xiàn)了草坪清理的機械化作業(yè)，提高了清理效率。