一種新型草方格鋪設(shè)機器人的運動設(shè)計＊

張 聞，陳凱文，張宇麟，王化瑋，張碧波

（河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003）

荒漠化已成為當(dāng)今全球最為嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題之一。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署推斷，目前世界約1/4 的陸地、2/3 的國家和地區(qū)受到了荒漠化的威脅。中國是全球荒漠化面積大、分布廣、危害嚴(yán)重的國家之一，荒漠化的面積約為國土總面積的16%，而且發(fā)展迅猛，其中西北地區(qū)則是中國風(fēng)沙危害和荒漠化問題最為突出的地區(qū)，黃沙的肆虐讓很多地方變成了無人區(qū)，造成了大片的土地浪費。

荒漠化防治是人類功在當(dāng)代、利在千秋的偉大事業(yè)，在被譽為“世界首例治沙工程”的沙坡頭的治沙探索中，人們發(fā)現(xiàn)草方格固沙最為有效，并總結(jié)出了1 m×1 m 的方形草方格最為合理[1]。最初的草方格鋪設(shè)工作全部由人工來完成，隨著鋪設(shè)工作量的增加及沙漠惡劣環(huán)境等問題的突出，引入科學(xué)合理的機械化裝置來代替人工作業(yè)也迫在眉睫，草方格鋪設(shè)機器人的研究也隨之發(fā)展起來。

1 主要要求與實現(xiàn)機構(gòu)

1.1 傳動要求及行走機構(gòu)

為了保證草方格尺寸的正確性和均勻性，需要傳動裝置的傳動比精確、傳動可靠性高。齒輪傳動是現(xiàn)代機械傳動中最為重要的傳動之一，其功率和適用速度的范圍大、傳動比精確、傳動平穩(wěn)可靠、傳動效率高、承載能力強，其優(yōu)良的性能可以滿足傳動要求。電機的旋轉(zhuǎn)運動通過齒輪機構(gòu)傳遞給軸，再通過聯(lián)軸器傳遞給車輪，從而帶動小車運動，通過設(shè)計齒輪機構(gòu)的傳動比，可以很精確地控制車速和行走距離。前后軸之間用鏈和鏈輪連接，以同步轉(zhuǎn)速，使小車的運動更平穩(wěn)。通過齒輪、軸和鏈組成的行走機構(gòu)，可以很好地完成小車的運動要求。

1.2 草料要求及送草機構(gòu)

機械化治沙用的草料一般有散草和草簾2 種[2]，本文研究選用的是草簾。草簾存放在小車上方的圓桶中[3]，兩側(cè)的草簾可以通過2 個有很小距離的平行板運輸。在開始工作之前，需要手動將草簾拉到指定位置，在第一次插草之后，已經(jīng)插好的草會拉著后面的草簾，隨著小車向前運動而將下一次插草所需要的草簾拉到指定位置。由于兩側(cè)的草是連續(xù)的，而橫向的草是間斷的，所以前側(cè)的草簾無法通過此方式運輸，需要另外設(shè)計一個運輸裝置，且還需要一個輔助剪切機構(gòu)，在每一次插草之前將它剪斷，防止干擾后續(xù)的橫向插草。

1.3 動作要求及插草機構(gòu)

待小車停止后，插刀豎直向下運動，將草簾插入沙地后復(fù)位[3]。插草機構(gòu)應(yīng)能夠保證插刀做直線運動，不在其他方向發(fā)生偏移，且插刀應(yīng)該同時動作。實現(xiàn)這部分驅(qū)動插刀的機構(gòu)要求很簡單，只需要將2 個對稱的平面機構(gòu)分布在插刀兩側(cè)，當(dāng)這2 個平面機構(gòu)同步運動時運動即可實現(xiàn)。插草機構(gòu)運動一次，鋪設(shè)草方格的3 個面，需要對插刀進行布局。插刀將草簾插下去之后，需要復(fù)位，若采用簡單的平面機構(gòu)驅(qū)動插刀，則需要對插草機構(gòu)的動力裝置進行設(shè)計。

1.4 草方格的要求及聯(lián)動機構(gòu)

根據(jù)前人在治沙過程中總結(jié)出來的經(jīng)驗，草方格鋪設(shè)機器人需要滿足能夠連續(xù)性地鋪設(shè)1 m×1 m 的方形草方格，其實現(xiàn)主要靠插刀的布局及行走機構(gòu)與插刀的聯(lián)動。因此，有如下2 種設(shè)計方案：①靠不完全齒輪的嚙合實現(xiàn)主動輪連續(xù)運動、從動輪間歇性運動，從而在主動輪有齒部分和從動輪齒輪嚙合時，促使小車前進，控制好齒輪的傳動比，使它在小車前進1 m 的距離后主動輪的有齒部分與從動輪脫離嚙合，傳動終止，小車處于停止運動的狀態(tài)。在主動輪脫齒的這段行程中，通過控制電路使另一臺電機或者氣泵驅(qū)動插刀運動[3]，完成一次插草運動，插刀復(fù)位后，進入下一個循環(huán)，從而鋪設(shè)出連續(xù)的1 m×1 m 的草方格。②通過機構(gòu)聯(lián)動，在行走機構(gòu)進入無嚙合狀態(tài)時，插草機構(gòu)開始運動，兩者通過聯(lián)動機構(gòu)聯(lián)動，不需要另設(shè)控制電路，只需要一個動力裝置即可完成任務(wù)。對比這2 種設(shè)計方案，為了更加突出機械的結(jié)構(gòu)，讓機械設(shè)計有創(chuàng)新點，減少對電路的依賴，使傳動更加可靠，所以最終選用第二種方案。

2 機構(gòu)的運動設(shè)計

2.1 行走機構(gòu)的設(shè)計

行走機構(gòu)的核心是齒輪副，其運動簡圖如圖1所示。

圖1 行走機構(gòu)運動簡圖

所有的齒輪都通過軸和軸承固定在機架上，它們的幾何軸線相對于機架的位置是固定不變的，且相互平行，為平面定軸輪系。齒輪1 和齒輪2 組成的齒輪副的作用是增大扭矩，電機的扭矩很小，要想驅(qū)動插草機構(gòu)，必須要增大扭矩。齒輪2＇和齒輪3＇是不完全齒輪，可實現(xiàn)小車的間歇性運動。齒輪3＇有齒部分的行程很短，直接用它驅(qū)動小車，小車一次行走的距離達(dá)不到1 m，所以需要齒輪3 和齒輪4 對這部分行程放大，計算齒輪3 和齒輪4 的傳動比，可以使齒輪3 所連接的軸轉(zhuǎn)過齒輪3＇有齒部分對應(yīng)的角度時，小車剛好前進1 m。

齒輪機構(gòu)比較復(fù)雜，其仿真模型（軸承座隱藏）如圖2 所示。

圖2 齒輪機構(gòu)

2.2 插草機構(gòu)的設(shè)計

插刀的驅(qū)動機構(gòu)由轉(zhuǎn)動副與移動副組合構(gòu)成，其機構(gòu)運動簡圖圖3 所示。

圖3 插草機構(gòu)運動簡圖

自由度的分析：運動鏈中共有7 個活動構(gòu)件（不含機架），在沒有用運動副進行連接時，共有3×7 個自由度；當(dāng)移動副和轉(zhuǎn)動副連接后，共有3 個移動副，6 個轉(zhuǎn)動副，2 個低副，這些運動副引起了（3+6+3）×2 個約束，所以運動鏈的自由度為1。故當(dāng)原動件的數(shù)目為1 的時候，機構(gòu)的運動就確定了。

把導(dǎo)軌固定到機架上，滑塊在導(dǎo)軌上滑動，形成移動副，將插刀與滑塊剛性地固定在一起，從而使插刀只能做直線運動，只要保證安裝時導(dǎo)軌與小車底盤的垂直度和插刀兩邊導(dǎo)軌的平行度，再調(diào)整左右兩側(cè)插刀的距離為1 m，即可保證插刀的豎直運動和草方格的橫向尺寸。

插刀分布在兩側(cè)，則機構(gòu)的原動件為中間那個滑塊，為了滿足插刀的動作要求，滑塊需要往復(fù)運動。圓柱凸輪可引導(dǎo)從動件按照預(yù)定的軌跡運動，當(dāng)圓柱凸輪的展開輪廓曲線封閉時，凸輪轉(zhuǎn)動一周，從動件經(jīng)歷一次循環(huán)，即實現(xiàn)往復(fù)一次的功能，根據(jù)需要確定曲線最上端和最下端的距離，即可完成插草動作。

行走機構(gòu)和插草機構(gòu)共用1 個動力裝置，但2 個機構(gòu)的運動并不平行，需要1 個機構(gòu)來傳遞2 個交錯軸之間的傳動，比較常見的有蝸輪蝸桿機構(gòu)和錐齒輪機構(gòu)。

蝸輪蝸桿傳動的傳動比較大，在幾十甚至上百，很難利用行走機構(gòu)脫齒嚙合這部分極小的行程使圓柱凸輪的從動件完成一次循環(huán)；而錐齒輪傳動可以改變2個嚙合齒輪的齒數(shù)比（或傳動比），使主動輪轉(zhuǎn)動一個很小的角度時，從動輪就能以成倍的角度旋轉(zhuǎn)，控制好傳動比即可使滑塊在行走機構(gòu)脫齒嚙合部分完成循環(huán)。

2.3 送草機構(gòu)的設(shè)計

縱向送草機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，上文已有介紹，這部分主要是橫向送草機構(gòu)的設(shè)計。橫向送草機構(gòu)沒有外力可以借助，需要一個裝置提供草簾向前傳送的動力，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 橫向送草機構(gòu)

2.4 聯(lián)動機構(gòu)的設(shè)計

聯(lián)動機構(gòu)的設(shè)計借鑒了離合器的原理，當(dāng)不完全齒進入有齒嚙合時，右側(cè)的凸輪也隨之轉(zhuǎn)動，將摩擦片斷開，這時扭矩就不能傳遞到右側(cè)的軸上，插草機構(gòu)就無法動作，小車只向前運動；當(dāng)不完全齒輪進入脫齒嚙合時，小車停止運動，摩擦片在彈簧的作用下復(fù)位，2 個摩擦片相互擠壓，扭矩通過摩擦副傳遞到右側(cè)的軸上，供插刀機構(gòu)動作，其結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 聯(lián)動機構(gòu)

3 前側(cè)輔助割斷機構(gòu)

3.1 輔助割斷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)

割斷機構(gòu)的設(shè)計借鑒了普通剪刀的結(jié)構(gòu)，其割斷部分由2 個刀片組成，2 個刀片通過齒輪的嚙合來完成剪切動作，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。考慮到輔助割斷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單，不需要與其他機構(gòu)進行復(fù)雜的聯(lián)動，所以輔助割斷機構(gòu)用獨立的電機驅(qū)動。且電機只在草簾運送到位之后、插刀動作之前的這個時間段轉(zhuǎn)動，完成割斷任務(wù)，其余時間均處于靜止?fàn)顟B(tài)，其運動也是間歇性的，所以采用控制板來控制電機的運動，通過程序?qū)崿F(xiàn)電機的間歇性運動。

圖6 輔助割斷機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

3.2 電機的控制電路

STM32 單片機主要是由意法半導(dǎo)體公司設(shè)計的微控制器，具有低功耗、低成本和高性能的特點，時鐘頻率可高達(dá)72 MHz，反應(yīng)迅速，通過控制STM32 引腳的PWM 的輸出，可以控制電機的轉(zhuǎn)速。但是單片機的IO 口主要是用來控制的，其帶負(fù)載的能力很弱，而直流電機是大電流感性負(fù)載，無法用IO 口直接驅(qū)動電機，因此需要一個電機驅(qū)動模塊，通過控制電機驅(qū)動模塊進而控制電機。STM32 工作電壓與電機的工作電壓相隔也很大，若采用一個電源供電，則需要用不同的穩(wěn)壓電路，分別對控制板和電機供電。

采用市場上現(xiàn)有的電機驅(qū)動模塊和穩(wěn)壓模塊，各部分之間用線纜接起來，可以滿足要求，但所占體積大，而且線纜容易松動，在惡劣的環(huán)境工作時，容易出現(xiàn)連線或者斷路的情況，工作不可靠，還可能燒壞STM32 芯片。因此，將這2 個模塊集成到一個控制板上，不僅能減小體積，提高電路工作的可靠性，而且能降低制造成本，便于后續(xù)的優(yōu)化?？刂齐娐返脑韴D和3D 預(yù)覽如圖7 所示。

圖7 穩(wěn)壓電源電路

4 SolidWorks 建模

草方格鋪設(shè)機器人主要由行走機構(gòu)、送草機構(gòu)、插草機構(gòu)和聯(lián)動機構(gòu)組成，其相對位置與裝配關(guān)系如圖8 所示。

圖8 草方格鋪設(shè)機器人的相對位置與裝配關(guān)系

5 結(jié)束語

隨著機械化水平及自動化程度的不斷提高，智能機械的應(yīng)用范圍將越來越廣。本文主要介紹了一種草方格鋪設(shè)機器人的新型機構(gòu)的運動設(shè)計，對其結(jié)構(gòu)進行一定的創(chuàng)新。為實現(xiàn)預(yù)期的機構(gòu)動作，主要采用多種機構(gòu)聯(lián)合作業(yè)，運用間歇性齒輪機構(gòu)的傳動特點，利用STM32 單片機的良好性能控制電機轉(zhuǎn)速，完成前進、行走、送草、插草等動作，并利用三維軟件進行結(jié)構(gòu)上的設(shè)計即建模，在仿真軟件中模擬其運動特性，結(jié)果表明此機構(gòu)的運動符合預(yù)期成果。此機構(gòu)在聯(lián)動多個機構(gòu)運動的同時盡量減少動力來源，在荒漠中提高了鋪設(shè)效率，在并一定程度上降低了機構(gòu)的復(fù)雜程度，并且，降低了同時控制縱向鋪設(shè)機構(gòu)和橫向鋪設(shè)機構(gòu)而產(chǎn)生的誤差，提高了草方格鋪設(shè)機器人的精度，可代替人工鋪設(shè)草方格。在此機構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用電控系統(tǒng)控制機構(gòu)的運行，可實現(xiàn)自動化鋪設(shè)，將有效改善荒漠化的程度。