小型溫室大棚移動底盤設(shè)計(jì)與仿真研究

劉 輝, 王 川, 葛 俊

(1.安徽廣播電視大學(xué)信息與工程學(xué)院，安徽 合肥 230022；2.安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)工程研究所，安徽 合肥 230031； 3.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，安徽 合肥 230036)

近些年，來隨著農(nóng)業(yè)科技水平的不斷進(jìn)步，以溫室大棚種植為代表的設(shè)施農(nóng)業(yè)得到飛速發(fā)展，并形成較大的產(chǎn)業(yè)規(guī)模。目前溫室大棚大多采用傳統(tǒng)的小型農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)，設(shè)備在使用過程中存在著操作環(huán)境惡劣(如灰塵多、農(nóng)藥毒性大等)、舒適性差等問題[1]。另外，像茄果和瓜類等經(jīng)濟(jì)作物，它們生長、采摘具有很強(qiáng)的農(nóng)藝時(shí)節(jié)性以及大面積種植的特點(diǎn)，致使其田間管理必須有作業(yè)效率很高的機(jī)械來承擔(dān)[2]。因此，設(shè)計(jì)全新的智能化農(nóng)業(yè)機(jī)械或是對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化改造被逐漸提上日程。

機(jī)械移動底盤作為農(nóng)業(yè)智能機(jī)械的核心部件，決定了整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)動性和平穩(wěn)性，同時(shí)影響系統(tǒng)能否在特定的空間內(nèi)順利完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。目前農(nóng)業(yè)機(jī)械的移動行走方式主要有輪式、履帶式、腿足式或其它組合型運(yùn)動結(jié)構(gòu)[3]。輪式機(jī)構(gòu)的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、速度快、效率高、滾動摩擦阻力小,適合在較平坦的地面上行走，主要缺點(diǎn)就是易產(chǎn)生打滑；履帶式機(jī)構(gòu)主要特點(diǎn)是地面支撐面積大,接地比壓小,滾動摩擦小,性能較好,轉(zhuǎn)彎半徑小,牽引附著性能、越野能力強(qiáng)，通過性好,適合于在復(fù)雜路面上行駛，主要缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；腿足式機(jī)構(gòu)主要特點(diǎn)是有良好的機(jī)動性,其運(yùn)動系統(tǒng)具有良好的主動隔振功能,可以較輕松的通過松軟地面和大跨度障礙,適合任何路面的行走，缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)復(fù)雜，控制較為困難，目前應(yīng)用較少,大多處于研究和實(shí)驗(yàn)室階段[4]。通過比較分析，在當(dāng)前技術(shù)水平和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，履帶式移動底盤具有其它類型移動底盤無法逾越的優(yōu)點(diǎn)，比較適合研究與開發(fā)。

國外對履帶式移動底盤較為著名的有美國Packbot機(jī)器人底盤，該機(jī)器人底盤采用了雙節(jié)履帶，應(yīng)用于戰(zhàn)場排爆、探測等領(lǐng)域。加拿大ESI公司開發(fā)的MR系列機(jī)器人采用輪履組合結(jié)構(gòu),履帶裝卸方便,可根據(jù)地形選擇合適的運(yùn)動機(jī)構(gòu),在近距離偵察和排除危險(xiǎn)品方面有較強(qiáng)的能力。德國TELEROB公司研發(fā)的POLYFIMOS機(jī)器人,可配備機(jī)械爪、X射線系統(tǒng)、金屬物質(zhì)勘測設(shè)備、IDE冷卻設(shè)備等[5]。近年來國內(nèi)各高校在地面移動機(jī)器人研究方面也取得了很大的成果與進(jìn)展。其中，北京理工大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)在小型軍用移動平臺研發(fā)成果顯著。國防科技大學(xué)研發(fā)的變形履帶底盤，突破了履帶底盤空間自由度限制，有效増加了底盤的適應(yīng)性能[6]。

針對目前溫室大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械化程度低，人工作業(yè)環(huán)境差，結(jié)合溫室大棚地形特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種適合于該環(huán)境下使用的履帶式移動地盤，此移動地盤在保證良好的通過性和穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，為后續(xù)搭載機(jī)械執(zhí)行裝置，實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥噴灑、果實(shí)采摘、環(huán)境檢測等做準(zhǔn)備。本文詳細(xì)介紹了該移動底盤的組成結(jié)構(gòu)、工作原理和關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)等。

1 移動底盤的結(jié)構(gòu)及工作原理

本次設(shè)計(jì)的履帶式溫室大棚移動底盤結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由導(dǎo)向輪、側(cè)板、平臺、驅(qū)動輪、液壓馬達(dá)、履帶、張緊輪及減振裝置等組成。其中，側(cè)板和減振裝置為該移動底盤懸架系統(tǒng)的主要組成部分。

注：1.導(dǎo)向輪;2.側(cè)板;3.平臺;4.驅(qū)動輪;5.馬達(dá); 6.履帶;7.張緊輪;8.減振裝置

由圖1可知，移動底盤在行駛過程中，位于履帶下方的部分與地面充分接觸，驅(qū)動輪則通過輪上的輪齒和履帶齒之間進(jìn)行嚙合傳動。在行駛過程中，馬達(dá)帶動驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪在驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的作用下，帶動履帶不斷向后翻卷。此時(shí)履帶與地面接觸部分會給地面一個(gè)向后的作用力，根據(jù)作用力與反作用力的原理，地面相應(yīng)地給履帶一個(gè)向前的反作用力，這個(gè)反作用力是推動機(jī)器向前行駛的驅(qū)動力[7]。當(dāng)驅(qū)動力足以克服行走阻力時(shí)，承重輪就在履帶上表面向前滾動，從而使機(jī)器向前行駛。另外通過控制驅(qū)動輪轉(zhuǎn)動的方向可以實(shí)現(xiàn)履帶行走機(jī)構(gòu)的單獨(dú)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)了最小轉(zhuǎn)彎半徑，這一特點(diǎn)在空間狹小的溫室大棚得到充分的展示和利用[8]。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)

保證機(jī)器行駛的平順性是移動底盤設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重大要素，因?yàn)榱己玫男旭偲巾樞阅懿粌H可以提高作業(yè)質(zhì)量，而且可以延長整機(jī)使用壽命。在設(shè)計(jì)過程中，通過對溫室大棚地形的實(shí)地考察與分析，設(shè)計(jì)出機(jī)器懸架系統(tǒng)的地面仿形結(jié)構(gòu)，這一結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在很大程度上保證了移動底盤行駛的平順性。該移動底盤的懸架系統(tǒng)如圖2所示。

注：1.曲柄;2.緩沖彈簧;3.支重輪;4.側(cè)板

系統(tǒng)主要由側(cè)板和多個(gè)減振裝置組成，而減振裝置主要由緩沖彈簧、曲柄和支重輪等組成。兩側(cè)側(cè)板上分別裝有3套獨(dú)立的減振裝置，以實(shí)現(xiàn)對各種不同地面的仿形[9]。

溫室大棚里的路面狀況較復(fù)雜，遇到凸形、凹形以及波紋形等路面情況較為普遍，通過采用上述設(shè)計(jì)的懸架系統(tǒng)可以使移動底盤在不同路況下平穩(wěn)運(yùn)行，其仿形效果如圖 3所示[10]。設(shè)置移動底盤行駛方向?yàn)榭v向平面，當(dāng)移動底盤行駛在凸形、凹形或波紋形路面時(shí)，在緩沖彈簧的作用力和整機(jī)重力作用下，兩側(cè)的 3 個(gè)支重輪根據(jù)不同地形自行調(diào)整，同時(shí)帶動支重曲柄一端在側(cè)板上的定位滑槽內(nèi)滑動，使緩沖彈簧受到拉力后伸長并給予曲柄反向拉力，從而使支重輪將履帶張緊實(shí)現(xiàn)在路面的仿形[11]。另外，當(dāng)移動底盤遇到橫向不平齊的路面時(shí)，兩側(cè)的懸架系統(tǒng)均可獨(dú)立地調(diào)整支重輪位置，從而實(shí)現(xiàn)在橫向不平齊路面的仿形[12]。

圖3 仿形原理示意圖

2.2 減振裝置設(shè)計(jì)

減振裝置是保證移動底盤在進(jìn)行行走時(shí)平穩(wěn)的關(guān)鍵部件。設(shè)計(jì)時(shí)為了防止緩沖彈簧減振器阻尼力發(fā)生改變，需假設(shè)彈簧減振器所受的力以恒定速度加載，彈簧設(shè)為理想定剛度以簡化模型[13]。單套緩沖彈簧減振器受力簡化模型如圖 4所示。

已知減振裝置中所選用的彈簧自然長度L=150 mm，此長度下彈簧的等效剛度k=16.9 N/mm，搖臂長r=60 mm，支重曲柄長R=240 mm以及曲柄與豎直方向初始角度β=π/6，彈簧與搖臂初始角度為150°，搖臂與支重曲柄間夾角為120°。

圖4 緩沖彈簧減振器受力示意圖

當(dāng)支重輪受到地面F作用力時(shí)，曲柄和搖臂繞支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α角，使彈簧受力拉伸同時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動γ角，此時(shí)搖臂受到彈簧的拉力FK。根據(jù)受力情況得到力的平衡方程如下：

(1)

式中：Fy為減振器預(yù)緊力和阻尼力之和，F(xiàn)y=k'α。

根據(jù)圖中幾何關(guān)系可得：

Fk=klsin(α-γ)

(2)

將式(2)代入式(1)中，得

(3)

根據(jù)幾何關(guān)系，得到曲柄垂直移動距離為

H(α)=R(cosβ-cos(α+β))

(4)

由于γ較小，在此為方便計(jì)算，忽略γ的值，將式(3)、(4)整理后得到整機(jī)在豎直方向上等效剛度:

(5)

由式(5)可得到

(6)

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，可繪制Keq-H特性曲線(圖5)。

從建模求解的結(jié)果可以看出，該移動底盤的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在豎直方向上的非線性變剛度特性。通過對限位弧形滑槽的位置、弧長進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠保證減振器在合理范圍內(nèi)工作，同時(shí)避免其遭受過大運(yùn)動沖擊。

圖5 剛度位移特性曲線

3 ADAMS仿真分析結(jié)果與討論

由于溫室大棚作業(yè)環(huán)境較為復(fù)雜，移動作業(yè)車在運(yùn)行時(shí)會遇到多種不同的工作路面，因此對溫室大棚移動底盤進(jìn)行工況仿真分析尤為重要，本次設(shè)計(jì)采用ADAMS ATV對溫室大棚移動底盤在凹形路面、凸形路面和波形路面3種不同工作路面的行使性能進(jìn)行動力學(xué)仿真，并將結(jié)果進(jìn)一步做對比分析[14]。

通過PRO/E軟件建立溫室大棚移動底盤的三維模型，然后將建立好的三維模型經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換導(dǎo)入ADAMS軟件中，進(jìn)行仿真處理，其仿真模型如圖6所示[15]。仿真時(shí)，根據(jù)普通農(nóng)業(yè)機(jī)械在溫室行駛速度，設(shè)定移動底盤模型的初始速度為0.9 m/s,驅(qū)動速度為0.65 m/s。

圖6 不同路面移動底盤的動力學(xué)仿真

3.1 凹形路面狀況下仿真分析結(jié)果與討論

根據(jù)溫室大棚作業(yè)情況，建立帶有深20 mm、寬30 mm淺溝的凹形工作路面模型(圖6-a)。

由圖7-a移動底盤車體質(zhì)心X向位移曲線可知，移動底盤能夠輕松越過淺溝。由圖7-b車體Z向位移曲線能夠發(fā)現(xiàn)，車體過溝時(shí)質(zhì)心的波動較小，其范圍在6 mm之內(nèi)。從圖7-c速度曲線能夠發(fā)現(xiàn)，在越過淺溝過程中雖較為輕松，但車體速度變化較大。這是因?yàn)樵谶^溝時(shí)履帶前端逐漸向外伸出,當(dāng)伸出量達(dá)到一定長度時(shí)，會在車體重力作用下發(fā)生下降并伴隨速度上升。隨著履帶前端與溝的另一端接觸,車體與地面出現(xiàn)角度導(dǎo)致接地面積減少,故履帶出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。最后當(dāng)履帶前端順利爬上溝的另一端時(shí),車體恢復(fù)平衡,速度慢慢上升到驅(qū)動速度。

注：a.車體質(zhì)心X向位移曲線；b.車體質(zhì)心Z向位移曲線;c.車體質(zhì)心X向速度曲線

3.2 凸形路面狀況下仿真分析結(jié)果與討論

溫室大棚作業(yè)環(huán)境較復(fù)雜，在路面上經(jīng)常出現(xiàn)凸起的土壟。當(dāng)機(jī)械越過凸起的土壟通常是會產(chǎn)生波動，波動較大時(shí)更會出現(xiàn)翻車現(xiàn)象。基于溫室大棚中土壟的常見高度約20 mm左右，建立帶有20 mm障礙的凸形工作路面模型(圖6-b)。

利用ADAMS進(jìn)行仿真分析，結(jié)果凸形路面車體質(zhì)心曲線如圖8所示?？梢钥闯雎膸揭苿拥妆P的驅(qū)動速度為0.65 m/s時(shí)，在整個(gè)過程中前進(jìn)速度的變化比較大，但仍能夠順利通過凸形路面,在通過障礙的過程中車體質(zhì)心較為穩(wěn)定，車體不會產(chǎn)生大幅度的波動。

注：a.車體質(zhì)心Z向位移曲線；b.車體質(zhì)心X向速度曲線

3.3 波形路面狀況下仿真分析結(jié)果與討論

根據(jù)溫室大棚作業(yè)情況，建立凹凸不平的波形路面模型(圖6-c)。

通過ADAMS模擬仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，移動底盤在整個(gè)運(yùn)行過程中，車體質(zhì)心X向位移波動最大值在14 cm左右，波動較小，車體質(zhì)心較為穩(wěn)定，前進(jìn)速度的變化比較大，但仍能夠順利通過波形路面。

注：a.車體質(zhì)心X向位移曲線；b.車體質(zhì)心X向速度曲線

4 結(jié)論

本文對移動底盤的性能特點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于溫室大棚作業(yè)的移動底盤，對移動底盤裝置進(jìn)行了原理分析和參數(shù)設(shè)定，確定了主要設(shè)計(jì)參數(shù)，經(jīng)過數(shù)學(xué)建模和軟件仿真，得出在溫室大棚中使用移動底盤進(jìn)行農(nóng)業(yè)作業(yè)，能夠保證良好的通過性、行駛的平順性和較好的減振性能，為下一步在移動底盤的基礎(chǔ)上搭載操作機(jī)械手奠定基礎(chǔ)。