一種新型草方格鋪設(shè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)＊

張 聞，陳凱文，張宇麟，王化瑋，張碧波

（河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 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(wèn)題之一。根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境署推斷，目前世界約1/4 的陸地、2/3 的國(guó)家和地區(qū)受到了荒漠化的威脅。中國(guó)是全球荒漠化面積大、分布廣、危害嚴(yán)重的國(guó)家之一，荒漠化的面積約為國(guó)土總面積的16%，而且發(fā)展迅猛，其中西北地區(qū)則是中國(guó)風(fēng)沙危害和荒漠化問(wèn)題最為突出的地區(qū)，黃沙的肆虐讓很多地方變成了無(wú)人區(qū)，造成了大片的土地浪費(fèi)。

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(yù)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(lái)完成，隨著鋪設(shè)工作量的增加及沙漠惡劣環(huán)境等問(wèn)題的突出，引入科學(xué)合理的機(jī)械化裝置來(lái)代替人工作業(yè)也迫在眉睫，草方格鋪設(shè)機(jī)器人的研究也隨之發(fā)展起來(lái)。

1 主要要求與實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)

1.1 傳動(dòng)要求及行走機(jī)構(gòu)

為了保證草方格尺寸的正確性和均勻性，需要傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比精確、傳動(dòng)可靠性高。齒輪傳動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)械傳動(dòng)中最為重要的傳動(dòng)之一，其功率和適用速度的范圍大、傳動(dòng)比精確、傳動(dòng)平穩(wěn)可靠、傳動(dòng)效率高、承載能力強(qiáng)，其優(yōu)良的性能可以滿足傳動(dòng)要求。電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)傳遞給軸，再通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給車輪，從而帶動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)，通過(guò)設(shè)計(jì)齒輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)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(yùn)動(dòng)更平穩(wěn)。通過(guò)齒輪、軸和鏈組成的行走機(jī)構(gòu)，可以很好地完成小車的運(yùn)動(dòng)要求。

1.2 草料要求及送草機(jī)構(gòu)

機(jī)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(guò)2 個(gè)有很小距離的平行板運(yùn)輸。在開(kāi)始工作之前，需要手動(dòng)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(huì)拉著后面的草簾，隨著小車向前運(yùn)動(dòng)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(wú)法通過(guò)此方式運(yùn)輸，需要另外設(shè)計(jì)一個(gè)運(yùn)輸裝置，且還需要一個(gè)輔助剪切機(jī)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(dòng)作要求及插草機(jī)構(gòu)

待小車停止后，插刀豎直向下運(yùn)動(dòng)，將草簾插入沙地后復(fù)位[3]。插草機(jī)構(gòu)應(yīng)能夠保證插刀做直線運(yùn)動(dòng)，不在其他方向發(fā)生偏移，且插刀應(yīng)該同時(shí)動(dòng)作。實(shí)現(xiàn)這部分驅(qū)動(dòng)插刀的機(jī)構(gòu)要求很簡(jiǎn)單，只需要將2 個(gè)對(duì)稱的平面機(jī)構(gòu)分布在插刀兩側(cè)，當(dāng)這2 個(gè)平面機(jī)構(gòu)同步運(yùn)動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)。插草機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)一次，鋪設(shè)草方格的3 個(gè)面，需要對(duì)插刀進(jìn)行布局。插刀將草簾插下去之后，需要復(fù)位，若采用簡(jiǎn)單的平面機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)插刀，則需要對(duì)插草機(jī)構(gòu)的動(dòng)力裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.4 草方格的要求及聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

根據(jù)前人在治沙過(guò)程中總結(jié)出來(lái)的經(jīng)驗(yàn)，草方格鋪設(shè)機(jī)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(shí)現(xiàn)主要靠插刀的布局及行走機(jī)構(gòu)與插刀的聯(lián)動(dòng)。因此，有如下2 種設(shè)計(jì)方案：①靠不完全齒輪的嚙合實(shí)現(xiàn)主動(dòng)輪連續(xù)運(yùn)動(dòng)、從動(dòng)輪間歇性運(yùn)動(dòng)，從而在主動(dòng)輪有齒部分和從動(dòng)輪齒輪嚙合時(shí)，促使小車前進(jìn)，控制好齒輪的傳動(dòng)比，使它在小車前進(jìn)1 m 的距離后主動(dòng)輪的有齒部分與從動(dòng)輪脫離嚙合，傳動(dòng)終止，小車處于停止運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。在主動(dòng)輪脫齒的這段行程中，通過(guò)控制電路使另一臺(tái)電機(jī)或者氣泵驅(qū)動(dòng)插刀運(yùn)動(dòng)[3]，完成一次插草運(yùn)動(dòng)，插刀復(fù)位后，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，從而鋪設(shè)出連續(xù)的1 m×1 m 的草方格。②通過(guò)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，在行走機(jī)構(gòu)進(jìn)入無(wú)嚙合狀態(tài)時(shí)，插草機(jī)構(gòu)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，兩者通過(guò)聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)，不需要另設(shè)控制電路，只需要一個(gè)動(dòng)力裝置即可完成任務(wù)。對(duì)比這2 種設(shè)計(jì)方案，為了更加突出機(jī)械的結(jié)構(gòu)，讓機(jī)械設(shè)計(jì)有創(chuàng)新點(diǎn)，減少對(duì)電路的依賴，使傳動(dòng)更加可靠，所以最終選用第二種方案。

2 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)

2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

行走機(jī)構(gòu)的核心是齒輪副，其運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 行走機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

所有的齒輪都通過(guò)軸和軸承固定在機(jī)架上，它們的幾何軸線相對(duì)于機(jī)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(jī)的扭矩很小，要想驅(qū)動(dòng)插草機(jī)構(gòu)，必須要增大扭矩。齒輪2＇和齒輪3＇是不完全齒輪，可實(shí)現(xiàn)小車的間歇性運(yùn)動(dòng)。齒輪3＇有齒部分的行程很短，直接用它驅(qū)動(dòng)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(duì)這部分行程放大，計(jì)算齒輪3 和齒輪4 的傳動(dòng)比，可以使齒輪3 所連接的軸轉(zhuǎn)過(guò)齒輪3＇有齒部分對(duì)應(yīng)的角度時(shí)，小車剛好前進(jìn)1 m。

齒輪機(jī)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(jī)構(gòu)

2.2 插草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

插刀的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動(dòng)副與移動(dòng)副組合構(gòu)成，其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖圖3 所示。

圖3 插草機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

自由度的分析：運(yùn)動(dòng)鏈中共有7 個(gè)活動(dòng)構(gòu)件（不含機(jī)架），在沒(méi)有用運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行連接時(shí)，共有3×7 個(gè)自由度；當(dāng)移動(dòng)副和轉(zhuǎn)動(dòng)副連接后，共有3 個(gè)移動(dòng)副，6 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，2 個(gè)低副，這些運(yùn)動(dòng)副引起了（3+6+3）×2 個(gè)約束，所以運(yùn)動(dòng)鏈的自由度為1。故當(dāng)原動(dòng)件的數(shù)目為1 的時(shí)候，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)就確定了。

把導(dǎo)軌固定到機(jī)架上，滑塊在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，形成移動(dòng)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(yùn)動(dòng)，只要保證安裝時(shí)導(dǎo)軌與小車底盤(pán)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(yùn)動(dòng)和草方格的橫向尺寸。

插刀分布在兩側(cè)，則機(jī)構(gòu)的原動(dòng)件為中間那個(gè)滑塊，為了滿足插刀的動(dòng)作要求，滑塊需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圓柱凸輪可引導(dǎo)從動(dòng)件按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，當(dāng)圓柱凸輪的展開(kāi)輪廓曲線封閉時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周，從動(dòng)件經(jīng)歷一次循環(huán)，即實(shí)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(dòng)作。

行走機(jī)構(gòu)和插草機(jī)構(gòu)共用1 個(gè)動(dòng)力裝置，但2 個(gè)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)并不平行，需要1 個(gè)機(jī)構(gòu)來(lái)傳遞2 個(gè)交錯(cuò)軸之間的傳動(dòng)，比較常見(jiàn)的有蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和錐齒輪機(jī)構(gòu)。

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

2.3 送草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

縱向送草機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上文已有介紹，這部分主要是橫向送草機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。橫向送草機(jī)構(gòu)沒(méi)有外力可以借助，需要一個(gè)裝置提供草簾向前傳送的動(dòng)力，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 橫向送草機(jī)構(gòu)

2.4 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

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

圖5 聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)

3 前側(cè)輔助割斷機(jī)構(gòu)

3.1 輔助割斷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)

割斷機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)借鑒了普通剪刀的結(jié)構(gòu)，其割斷部分由2 個(gè)刀片組成，2 個(gè)刀片通過(guò)齒輪的嚙合來(lái)完成剪切動(dòng)作，具體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。考慮到輔助割斷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要與其他機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)，所以輔助割斷機(jī)構(gòu)用獨(dú)立的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。且電機(jī)只在草簾運(yùn)送到位之后、插刀動(dòng)作之前的這個(gè)時(shí)間段轉(zhuǎn)動(dòng)，完成割斷任務(wù)，其余時(shí)間均處于靜止?fàn)顟B(tài)，其運(yùn)動(dòng)也是間歇性的，所以采用控制板來(lái)控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的間歇性運(yùn)動(dòng)。

圖6 輔助割斷機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖

3.2 電機(jī)的控制電路

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

采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和穩(wěn)壓模塊，各部分之間用線纜接起來(lái)，可以滿足要求，但所占體積大，而且線纜容易松動(dòng)，在惡劣的環(huán)境工作時(shí)，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(gè)模塊集成到一個(gè)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(jī)器人主要由行走機(jī)構(gòu)、送草機(jī)構(gòu)、插草機(jī)構(gòu)和聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其相對(duì)位置與裝配關(guān)系如圖8 所示。

圖8 草方格鋪設(shè)機(jī)器人的相對(duì)位置與裝配關(guān)系

5 結(jié)束語(yǔ)

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