草莓采摘機器人行走機構設計

李贇釗，袁銳波，徐成現

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學）

0 引言

草莓具有鮮美的味道與豐富的營養價值，很受消費者喜愛，該果實含有豐富的營養物質，如礦物質、氨基酸、多種維生素等等，素有“水果皇后”的美稱。草莓采摘是草莓生產過程中必不可少的一個環節，在草莓的生產中采摘時間約占1/4，并且草莓成熟后應該盡快采摘，否則很快就會變質腐爛，而且每個草莓成熟的具體時間不同，所以，在草莓果實成熟期的特定時間段，草莓的采摘工作量還是很大的，況且在我國大都是個人種植草莓，采摘勞動力不足，采摘效率較低[1]，將機械自動化技術引入草莓采摘行業很有必要。

草莓采摘機器人能夠很大程度上節約勞動力，減少成本和提高經濟效益，合理的行走機構對于草莓采摘機器人的高效而平穩的行走以及有效跨越障礙物十分重要。本文基于草莓采摘技術下的行走機構的設計與研究，以研究出高效率、低成本、運動平穩的行走機構。

1 草莓采摘機器人行走機構總體設計

1.1 行走機構車體設計

本設計主要針對我國大多數的地壟式草莓種植模式進行分析和研究，從而分析設計行走機構，可將機械手裝配在行走機構上方在壟間進行行走，方便機械手的圖像識別。工作示意簡圖如圖1 所示。

圖1 行走機構與地壟位置關系示意圖Fig.1 Schematic diagram of position relationship between travelling mechanism and ridge

根據草莓特定的地壟式種植而設計出此跨壟式行走機構。經實地測量，可得出地壟的大致參數如下：地壟呈等腰梯形，地壟的上面寬約400 mm，地壟的下面寬約600 mm，行走機構行走的通道的寬度（即壟與壟之間的橫向距離）約為300 mm，地壟的高度大約是260 mm。根據地壟的形狀尺寸，可以確定行走機構的車體結構形狀和具體的尺寸。

根據工作環境和功能要求，行走機構上面應該設有采摘機械手的安裝凸臺和安裝底座。當機械手將草莓采摘下來之后，要將草莓放置于盛裝草莓的箱子里，所以行走機構上應設計有用于存放草莓的草莓盤，該盤子不用太厚，防止因太厚而壓傷下面的草莓。由于機構為跨壟式行走，行走機構的驅動電機應該放置于機構的上面，所以行走機構上面設有載物臺用于安裝電動機。傳動過程中涉及傳動軸，故應設有帶有安裝軸承的支撐，以便將動力持續順利而高效地傳遞下去。具體結構如圖2 所示。

圖2 行走機構搭載圖Fig.2 Loading diagram of travelling mechanism

1.2 行走機構驅動系統設計

由于該行走機構進行動力傳遞的2 個傳動軸中心距較大，還要考慮到行走機構的行走速度、行走機構的質量和行走時的穩定性以及工作效率等，并且是在豎直方向進行動力傳遞，所以，可以選用帶傳動或鏈傳動。行走機構在草莓種植田間行走時，由于土壤比較松軟，需要提供較大的傳遞動力，帶傳動過載就會過載打滑，而且不能有效保證傳動比；而鏈傳動可以傳遞較大的動力，沒有打滑現象還可以保證精確的傳動比，非常適合該行走機構的設計要求，所以，行走機構豎直方向的傳動可以選擇傳力較大的鏈傳動。

如圖3 所示為行走機構驅動時的動力系統。直流電源將電能轉換成電動機的機械能，通過齒輪傳動、傳動軸和鏈傳動將動力傳遞給輪軸，進而使輪子旋轉、機構行走。

圖3 行走機構驅動系統示意圖Fig.3 Schematic diagram of driving system of travelling mechanism

1.3 轉向機構設計

該行走機構為跨壟式行走，屬于高地隙環境行走，所以其底盤離地面較高，通過性較好。為了使行走機構在轉彎時車輪做純滾動而不發生滑動[2]，行走機構的前輪轉角要滿足阿克曼轉向定理[3]，就是行走機構在轉彎時各個車輪必須圍繞著一個中心點O 轉動，即轉彎時所有車輪的軸線應交于一點O，并且把O 點稱為轉彎中心。轉彎示意圖如圖4 所示。

圖4 行走機構轉彎示意圖Fig.4 Turning diagram of traveling mechanism

轉彎時內轉向輪所轉過的角度應大于外轉向輪所轉過的角度，并且左右轉向輪所轉過的角度應滿足如下關系[4]：

根據以上的假設情況，可將轉向機構設計為整體式梯形轉向機構，該平面整體式轉向機構是由轉向搖臂、轉向橫拉桿和梯形臂組成[5]。轉向機構三維圖見圖5。行走機構的轉向通常采用液壓作為轉向的動力源，轉向機構又可分為2 部分：機械傳動和液壓傳動。液壓系統由液壓缸、液壓泵、轉向器、管路接頭組成，此處暫時不做詳細研究。

圖5 轉向系統示意圖Fig.5 Schematic diagram of steering system

整個行走機構的裝配三維圖如圖6 所示。

圖6 行走機構整體裝配圖Fig.6 Overall assembly drawing of traveling mechanism

2 行走機構的運動仿真

ADAMS 軟件是現今使用非常廣泛的一種機械動力學仿真軟件，是目前世界上使用范圍最廣、可靠性最高的機械運動仿真分析軟件[6]。ADAMS軟件仿真結果具有判斷機械系統的運動性能和范圍以及碰撞檢測等功能。該軟件使用零件庫和力庫，約束庫，交互式的圖形[7]來創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論的拉格朗日方程法[8]，可以建立動力學方程，可對模擬的樣機進行動力學、靜力學和運動學分析，進而可以輸出速度、加速度和位移等的運動曲線[9]。ADAMS 軟件在工程機械、汽車工程、工業機械等領域應用十分廣泛[10]。

行走機構的實際模型是較復雜的機械系統，包括了很多的連接標準件、安裝造型和零部件的工藝結構，因此在進行仿真時，可以進行適當的模型簡化和抽象。為了得到較為準確的仿真結果，使仿真結論和實際的運行情況基本吻合，需要對各個部件間的運動方式、約束關系和裝配方式進行深度分析。

2.1 簡化模型

通過布爾操作將相互固定的2 個零件合并成1 個零件，主要是車架上的各個零件，從而達到簡化模型的目的，并將各個零件分配不同的顏色加以區分，如圖7 所示。

圖7 固定區分零件圖Fig.7 Fixed distinguishing parts

因為鏈傳動設置繁瑣，此處不考察鏈傳動的運動關系，因此將鏈條省略，后續以其他約束副代替。

2.2 建立驅動

根據采摘機器人在溫室的實際作業情況，仿真時可以設定行走機構速度為400 mm/s；小輪半徑為50 mm；角速度為8 rad/s，轉換為角度制為458.37 °/s。因為各個齒輪傳動比皆為1:1，因此在電機驅動軸上添加joint motion，設置函數為：step(time,0,0,5,458.37 d)+step(time,51,0,56,-458.37 d)，表示驅動轉速在0～5 s 內加速到458.37 d/s，5～51 s 內轉速保持不變，51～56 s 內減速到0，如圖8 所示。

圖8 設置函數圖Fig.8 Setting function diagram

2.3 仿真結果分析

經過一系列的準備和操作，可得出測量點的速度圖像如圖9 所示。由圖像可知，在0～5 s 時，行走機構做加速行走，此后在勻速行駛時，速度基本保持勻速行駛，但在轉彎時速度發生了下降，主要是因為行走機構的后面兩個輪子沒有轉向功能，在轉彎時行走機構后面的輪子沒有做純滾動而是發生了滑動的現象。整個行駛過程機構的速度都在不斷波動，但波動量較為微小，可忽略不計。發生速度波動的原因是行走機構在行走時存在不可避免的機械振動，且在轉彎時的速度波動要比勻速行駛時的速度波動稍大一些，說明轉彎時的機械振動要比直線行走時的機械振動大些。轉彎結束后，行走機構繼續勻速行走。最后行走機構減速直至速度為零。

圖9 仿真速度圖像Fig.9 Simulation speed image

3 結語

本文針對地壟式草莓種植方式和所需采摘機器人行走機構的功能特點，對行走機構的關鍵部分進行研究和設計，具體包含以下幾方面:

（1）針對特定的地壟式草莓種植情況，設計了適合地壟式草莓采摘機器人行走機構的車體部分，并確定了車體的主要尺寸和所使用材料；根據行走機構的工作環境設計出了合理的驅動系統和轉向系統；確定了行走機構的行走方式，分析了各機構的工作原理，明確了行走機構所應具有的部分功能；使用SolidWorks2012 三維軟件繪制出了行走機構的車體和主要的傳動系統圖。

（2）利用ADAMS 仿真軟件對行走機構的運行進行了仿真實驗，仿真結果表明，該機構能夠較為平穩地進行運動、轉彎和采摘作業，有較大的實用意義和推廣意義；能夠有效提高草莓采摘的效率，大大節省勞動力成本。