王志遠(yuǎn) ， 康 杰 ， 顧 懿 ， 胡楊樹

（三江學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210012）

0 引言

我國(guó)農(nóng)業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占據(jù)著非常重要的地位[1]。在植保噴藥領(lǐng)域，傳統(tǒng)的人工噴灑農(nóng)藥模式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且受天氣和地形等因素的影響較大。在噴灑農(nóng)藥時(shí)，作業(yè)人員存在著農(nóng)藥中毒的風(fēng)險(xiǎn)[2]。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快[3-5]，國(guó)內(nèi)外很多地方逐漸使用植保無人機(jī)噴灑農(nóng)藥，此模式雖能解決人力作業(yè)存在的安全性不足和勞動(dòng)力短缺等問題，卻又帶來了農(nóng)藥浪費(fèi)、影響健康等新問題。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)具有精準(zhǔn)噴灑功能的農(nóng)業(yè)機(jī)器人的研究還很欠缺，但對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)和噴霧裝置的研究卻不少。樊正強(qiáng)等[6]論述了農(nóng)業(yè)機(jī)器人常見的行進(jìn)方式，并對(duì)各種行進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)和控制方法的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。馬智斌[7]提出了一種并聯(lián)式自動(dòng)采茶機(jī)，基于Delta機(jī)器人，利用機(jī)器視覺技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)茶葉采摘。張強(qiáng)[8]研究的多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人具有可互換的各功能模塊結(jié)構(gòu)，能夠完成旋耕、播種作業(yè)和除草作業(yè)?；炻?lián)機(jī)器人在此領(lǐng)域中更是鳳毛麟角。農(nóng)作物幼苗較脆弱，且易受到外加的壓力影響而產(chǎn)生變形或者斷裂，因而需要農(nóng)業(yè)機(jī)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(shè)計(jì)了一種移動(dòng)并聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)器人，其并聯(lián)機(jī)構(gòu)和移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)合恰恰滿足要求。二者實(shí)現(xiàn)了功能互補(bǔ)：并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有剛度大、承載能力強(qiáng)、精度高、末端件慣性小等一系列優(yōu)點(diǎn)，而移動(dòng)平臺(tái)具有全方位移動(dòng)的特點(diǎn)，恰好可以彌補(bǔ)并聯(lián)機(jī)構(gòu)不能移動(dòng)這一缺點(diǎn)，二者結(jié)合為農(nóng)作物精準(zhǔn)作業(yè)研究、節(jié)省能源提供了一種新的思路。

1 總體設(shè)計(jì)方案

總體設(shè)計(jì)方案流程如圖1所示。第一步通過農(nóng)作物幼苗及雜草的高度確定底盤的高度；第二步根據(jù)需要的工作空間的范圍并結(jié)合并聯(lián)機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)分析，來確定并聯(lián)機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿和從動(dòng)桿的長(zhǎng)度尺寸及材料；第三步通過SolidWorks對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，繪制出具體的三維模型；第四步對(duì)主要部件進(jìn)行有限元仿真分析，以確定其強(qiáng)度能夠支持機(jī)器人平穩(wěn)運(yùn)行；第五步根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行農(nóng)業(yè)機(jī)器人整體的實(shí)物制作與實(shí)驗(yàn)。

圖1 總體設(shè)計(jì)方案流程圖

2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

考慮到本設(shè)計(jì)主要是在目標(biāo)物上方，利用水平工作空間進(jìn)行定位噴灌，對(duì)垂直空間的要求并不是很高，所以在滿足所需空間時(shí)，以包絡(luò)一個(gè)最大圓柱體（h×D）為目標(biāo)來設(shè)計(jì)各桿件的尺寸[10]。該圓柱體空間即為單個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的任務(wù)工作空間。在接下來的分析中，先進(jìn)行單個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間分析。為更好地得到任務(wù)工作空間的表達(dá)式，采用解析法，將三維圖簡(jiǎn)化成二維圖，進(jìn)行工作空間分析，如圖2所示。

圖2 并聯(lián)機(jī)器人二維工作空間簡(jiǎn)圖

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

主動(dòng)桿L1向上運(yùn)動(dòng)，一直運(yùn)動(dòng)到極限角度θmin，此時(shí)從動(dòng)桿處于豎直狀態(tài)，動(dòng)平臺(tái)中心點(diǎn)P在可達(dá)任務(wù)工作空間的上界限。因此，主動(dòng)桿L1與從動(dòng)桿L2滿足以下等式：

空間直徑D為：

靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的半徑差d的約束條件為：

給定圓柱任務(wù)工作空間直徑D為400 mm，高h(yuǎn)為100 mm。圓柱任務(wù)工作空間上邊界與定平臺(tái)距離H為400 mm。已知定平臺(tái)外接圓半徑R為183 mm，動(dòng)平臺(tái)外接圓半徑r為34 mm，靜平臺(tái)與動(dòng)平臺(tái)的半徑差d為149 mm。根據(jù)公式（3）（4）（5），可以計(jì)算出主動(dòng)桿長(zhǎng)度L1為142 mm，從動(dòng)桿長(zhǎng)度L2為499 mm。并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)約束條件公式對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)主動(dòng)桿和從動(dòng)桿的長(zhǎng)度計(jì)算分析，并結(jié)合實(shí)際噴灌作業(yè)的需求提出了理想的任務(wù)工作空間，同時(shí)進(jìn)行逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。最后利用MATLAB軟件對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行仿真驗(yàn)證，經(jīng)過仿真驗(yàn)證可知，單個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行器的空間移動(dòng)范圍大于所需的任務(wù)工作空間范圍。如圖3長(zhǎng)方形框所示，可以更加明顯地看出單個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的工作空間包含了圓柱形狀的任務(wù)工作空間。同理可知，當(dāng)有兩個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)時(shí)，整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作空間為兩個(gè)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(yàn)證

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人三維建模圖如圖4所示。該農(nóng)業(yè)機(jī)器人能夠在田間對(duì)目標(biāo)農(nóng)作物進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉。其具有能夠全方位移動(dòng)的底盤，移動(dòng)到作業(yè)地點(diǎn)后，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)平臺(tái)及末端執(zhí)行器能夠快速準(zhǔn)確地定位到農(nóng)作物幼苗上方位置，通過安裝在末端的噴霧灌溉裝置對(duì)目標(biāo)位置的農(nóng)作物進(jìn)行噴灑灌溉，隨后末端執(zhí)行器再移動(dòng)到下一個(gè)農(nóng)作物幼苗上方位置，以此循環(huán)作業(yè)。

圖4 移動(dòng)并聯(lián)多功能農(nóng)業(yè)機(jī)器人三維建模圖

3.1 并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊主要由動(dòng)平臺(tái)、定平臺(tái)、主動(dòng)桿、從動(dòng)桿、球鉸、L型支架、磁編碼器固定件和電機(jī)構(gòu)成，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)機(jī)構(gòu)模塊

3.2 外部框架設(shè)計(jì)

為了保證較強(qiáng)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(jié)構(gòu)在田間作業(yè)時(shí)有很強(qiáng)的通過性，直行或者側(cè)向行駛時(shí)都能極大程度地避免與農(nóng)作物的碰撞接觸。

3.3 移動(dòng)底盤設(shè)計(jì)

農(nóng)業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境是凹凸不平的農(nóng)田，在田間作業(yè)時(shí)平穩(wěn)性較差，會(huì)產(chǎn)生大振幅振動(dòng)。為保證農(nóng)業(yè)機(jī)器人平穩(wěn)行駛，減小對(duì)聯(lián)軸器的徑向彎曲應(yīng)力，延長(zhǎng)聯(lián)軸器的使用壽命，需要設(shè)置合適的避震裝置。相比其他移動(dòng)機(jī)構(gòu)，該移動(dòng)底盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且對(duì)田間土地的破壞最小。

3.4 輪系及包覆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了將電機(jī)、避震器和框架合理連接，設(shè)計(jì)一種包覆機(jī)構(gòu)，如圖6所示。其主要由兩塊懸掛側(cè)板和三個(gè)墊塊組成，兩個(gè)懸掛軸承座墊座包覆住電機(jī)，兩塊側(cè)板上用一根螺栓固定住避震器。

圖6 電機(jī)包覆機(jī)構(gòu)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(lián)軸器、懸掛軸承座、擋邊軸承、懸掛側(cè)板、懸掛軸承座墊座、光軸座、鋁方管、避震器固定件、40轉(zhuǎn)30連接件、避震器、電機(jī)、懸掛墊塊等組成。

圖7 輪系爆炸圖

4 有限元分析

作為并聯(lián)機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件，主動(dòng)桿起到連接電機(jī)和從動(dòng)桿的作用，主要承受從動(dòng)桿、動(dòng)平臺(tái)以及末端執(zhí)行器的重量。為驗(yàn)證主動(dòng)桿強(qiáng)度是否可靠，需進(jìn)行有限元分析。據(jù)靜力學(xué)分析可知，在從動(dòng)桿垂直位置時(shí)，主動(dòng)桿受力最大。由此可通過Ansys Workbench進(jìn)行有限元分析。首先將建立的主動(dòng)桿三維模型導(dǎo)入到Ansys Workbench中，對(duì)該模型進(jìn)行材料設(shè)置，可知主動(dòng)桿受到從動(dòng)桿、動(dòng)平臺(tái)和噴頭的重力，合計(jì)為10 N。其次設(shè)置主動(dòng)桿末端的拉力為10 N，然后進(jìn)行求解，結(jié)果如圖8、圖9、圖10所示。

圖8 主動(dòng)桿總形變

圖9 主動(dòng)桿等效應(yīng)力

圖10 主動(dòng)桿等效彈性應(yīng)變

可以看出，主動(dòng)桿最大總形變?yōu)?.06 mm，主動(dòng)桿最大等效應(yīng)力發(fā)生在主動(dòng)桿與電機(jī)軸連接一側(cè)的開槽處，為6.9 MPa，最大等效彈性應(yīng)變也發(fā)生在主動(dòng)桿與電機(jī)軸連接一側(cè)的開槽處，為0.000 1 m/m。形變均處于合理的范圍內(nèi)，因此主動(dòng)桿設(shè)計(jì)合理，能承受住工作時(shí)的所承擔(dān)的力。

5 實(shí)物裝配與實(shí)驗(yàn)

將各個(gè)部分依次實(shí)物化，并進(jìn)行合理組裝。實(shí)驗(yàn)部分主要進(jìn)行移動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)和農(nóng)作物定位模擬實(shí)驗(yàn)。

5.1 移動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證農(nóng)業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)能力和速度，在地上貼了一條黃色測(cè)試標(biāo)簽。農(nóng)業(yè)機(jī)器人從起點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行直線行駛，通過計(jì)算，行駛速度為0.5 m/s。同時(shí)，為驗(yàn)證其側(cè)向移動(dòng)的優(yōu)越性，對(duì)其轉(zhuǎn)彎能力進(jìn)行測(cè)試，速度約為0.3 m/s，可以發(fā)現(xiàn)這樣的側(cè)向移動(dòng)并不會(huì)像普通輪子轉(zhuǎn)彎那樣導(dǎo)致工作盲區(qū)。移動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了農(nóng)業(yè)機(jī)器人具備靈活的行走能力，不管是直線行駛還是側(cè)向行駛都具有很強(qiáng)的通過性，而且行駛的速度和穩(wěn)定性都符合預(yù)期。農(nóng)業(yè)機(jī)器人直線行駛和側(cè)向行駛測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物圖如圖11至圖14所示。

圖11 直線行駛移動(dòng)起始點(diǎn)

圖14 側(cè)向行駛移動(dòng)終點(diǎn)

圖12 直線行駛移動(dòng)終點(diǎn)

圖13 側(cè)向行駛移動(dòng)起始點(diǎn)

5.2 農(nóng)作物定位模擬實(shí)驗(yàn)

按照設(shè)定好的程序，對(duì)目標(biāo)農(nóng)作物進(jìn)行定位模擬實(shí)驗(yàn)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到農(nóng)作物正上方后，雙并聯(lián)機(jī)構(gòu)同時(shí)快速對(duì)目標(biāo)農(nóng)作物進(jìn)行標(biāo)定，且準(zhǔn)確無誤，實(shí)驗(yàn)效果如圖15、圖16所示。農(nóng)作物定位實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了農(nóng)業(yè)機(jī)器人作業(yè)的特點(diǎn)，能夠精準(zhǔn)快速地定位到農(nóng)作物上方。

圖15 雙并聯(lián)機(jī)構(gòu)同時(shí)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)圖

圖16 雙并聯(lián)機(jī)構(gòu)同時(shí)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)俯視圖

6 結(jié)束語

課題組研制的移動(dòng)并聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)器人機(jī)構(gòu)，結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)各自的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉作業(yè)。本機(jī)構(gòu)兼顧移動(dòng)平臺(tái)出色的全方位移動(dòng)能力，雙Delta并聯(lián)機(jī)構(gòu)能夠輪流或并行操作提高效率。結(jié)果表明，課題組研制的移動(dòng)并聯(lián)農(nóng)業(yè)機(jī)器人可以有效實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走和精準(zhǔn)定位噴灑作業(yè)，與人工噴灑農(nóng)藥和植保機(jī)覆蓋式噴灑相比，本設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)尤其明顯，各項(xiàng)資源均被有效利用，有利于節(jié)能減排。