農(nóng)業(yè)全方位移動平臺設(shè)計與動態(tài)仿真分析

1、農(nóng)業(yè)全方位移動平臺設(shè)計與動態(tài)仿真分析第 1 章 緒論1.1 課題研究背景由于全方位移動機器人控制簡單、移動靈活的特點已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于人類的生產(chǎn)、生活實踐中，因此引起了研究人員的廣泛關(guān)注。在競賽機器人2中，上海交通大學(xué)開發(fā)了一種全方位移動足球機器人；在服務(wù)行業(yè)中3，Mobile Robots Inc 開發(fā)了 Seeur 清掃機器人；在工業(yè)領(lǐng)域中，西班牙塞維利亞大學(xué)研制了 ROMEO-3R 移動機器人；在商業(yè)領(lǐng)域中，Airtrax 公司將4 個麥克納姆輪做成工程叉車，用于倉庫貨物運輸用途；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中，全方位移動平臺可以用于糧食搬運、果蔬采摘、園林護理等工作。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中全方位移動平臺應(yīng)用并不多。

2、目前，為機器人開發(fā)的全方位移動機構(gòu)主要有輪式、履帶式、腳腿式等多種形式4。農(nóng)間實際地形多為非結(jié)構(gòu)化狹窄地形，例如起伏的路面、斜坡、凸臺和溝道等5。現(xiàn)有的農(nóng)用移動平臺存在很大的局限性，具有一定越障能力的農(nóng)用全方位移動平臺可以在復(fù)雜的環(huán)境中更好的完成工作任務(wù)，提高工作效率，這類移動平臺的工作空間復(fù)雜，故需要其移動機構(gòu)具有很好的環(huán)境適應(yīng)能力6。結(jié)構(gòu)合理的移動機構(gòu)是確保移動平臺適應(yīng)能力的關(guān)鍵，所以研究適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化地形的全方位移動平臺具有重要的意義。.1.2 全方位移動技術(shù)發(fā)展1.2.1 國外全方位移動平臺研究現(xiàn)狀20 世紀 90 年代，全方位移動技術(shù)的研究得到了廣泛的重視，但全方位移動技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)領(lǐng)

3、域尚屬于起步階段。麥克納姆輪在所有全方位移動機構(gòu)中是研究最早、進展最快最成熟的一種全方位輪系。麥克納姆輪是 1973 年由瑞典 Mecanum 公司的工程師提出來的，它是由輪轂和圍繞著輪轂周圍許多均勻分布的小棍子構(gòu)成，并直接與懸架固定連接。麥克納姆輪的特點是不需要轉(zhuǎn)向機構(gòu)，棍子的軸線與輪轂的軸線夾角通常有固定角度，如圖 1.1 所示。棍子的組成必須滿足包絡(luò)成圓;，如圖 1.2 所示，這樣能使麥克納姆輪運動更加穩(wěn)定。麥克納姆輪由電機提供動力，麥克納姆輪上的小棍子依靠與地面的摩擦力旋轉(zhuǎn)運動，通過各個輪子的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向的配合，使麥克納姆輪式移動平臺在不做出任何轉(zhuǎn)向就可以完成任意方向的運動。美國 A

4、irtrax 公司將全方位移動技術(shù)應(yīng)用到商業(yè)上，該公司用四個大型的麥克納姆輪做成工程叉車，在車間狹小的工作環(huán)境中體現(xiàn)了全方位移動叉車的靈活性與機動性。1986 年，卡內(nèi)基梅隆大學(xué)研發(fā)了一款輪式移動機器人 Uranus，如圖 1.3 所示，移動機器人由四個麥克納姆輪構(gòu)成，主要進行了機器人的運動學(xué)建模和車輪打滑相關(guān)的研究7。萬向輪是另一種使用較為廣泛的全方位移動輪系結(jié)構(gòu)，它是中心可以轉(zhuǎn)向的輪系，將普通輪式移動機構(gòu)加上一個可繞中心轉(zhuǎn)動的軸，如圖 1.4 所示，這種機械結(jié)構(gòu)使得輪系可以繞中心軸任意旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)全方位運動的功能。移動機器人公司開發(fā)一款大型、全天候的 Seeur 打掃移動平臺8，如圖 1.5

5、所示，主要采用 4 個電機控制驅(qū)動和 4 個電機控制轉(zhuǎn)向來實現(xiàn)平臺全轉(zhuǎn)向能力，該移動平臺的特點為轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活且可以通過崎嶇的地形。2002 年澳大利亞 Eze Corp 公司研發(fā)了一種概念底盤，如圖 1.6 所示，使用該底盤結(jié)構(gòu)的車輛具有四輪獨立轉(zhuǎn)向獨立驅(qū)動的特點，從而實現(xiàn)原地回轉(zhuǎn)、斜行以及四輪轉(zhuǎn)向模式，在平臺行駛過程中，可以通過控制車輪轉(zhuǎn)角來減小輪胎與地面的磨損。.第 2 章 農(nóng)用全方位移動平臺方案農(nóng)用全方位移動平臺主要由機械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)兩部分組成。實現(xiàn)移動平臺的運動是通過控制系統(tǒng)的指令使機械結(jié)構(gòu)產(chǎn)生運動，所以機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計直接影響移動平臺的運動能力，對控制系統(tǒng)設(shè)計也起到直接影響。

6、本章主要根據(jù)運動要求完成移動平臺的方案分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計與設(shè)備選取，搭建一種可以在農(nóng)業(yè)作業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)全方位行走的移動平臺。2.1 設(shè)計要求目前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)移動作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)龐大，運動不靈活。在復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境下移動平臺的可操作性不高，為了實現(xiàn)移動平臺的用途多樣性，本文設(shè)計的農(nóng)用全方位移動平臺需要具備以下功能：（1）實現(xiàn)全方位移動，例如斜行、原地回轉(zhuǎn)等運動；（2）結(jié)構(gòu)和傳動方式簡單；（3）負載能力良好，方便后期增置其它工作器件，移動平臺載重約 150g；（4）移動平臺質(zhì)量小，穩(wěn)定性和適應(yīng)能力好，爬坡能力大于 20 度，垂直越障能力不小于 100mm。.2.2 農(nóng)用全方位移動平臺機構(gòu)方案全方位移動平臺需要在

7、農(nóng)間環(huán)境下具有良好的通過性與適應(yīng)地形的能力，因此，選擇合理的移動機構(gòu)對于設(shè)計移動平臺至關(guān)重要。一般常用的移動機構(gòu)主要分為三類，輪式（Wheeled）、履帶式（Traced）和腳腿式（Legged）。三種移動機構(gòu)方式都能實現(xiàn)全方位運動，因此，對于全方位移動平臺的設(shè)計還需要考慮環(huán)境適應(yīng)性、運動穩(wěn)定性等方面。對于不同的路面情況，三種移動機構(gòu)方式都有各自的優(yōu)缺點。所以對全方位移動平臺的選擇與設(shè)計需要綜合考慮。輪式移動機構(gòu)在移動平臺中應(yīng)用最廣，該移動平臺機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)相對簡單，制造成本低，負載能力良好，在性能方面該移動機構(gòu)便于控制，能耗較低以及靈活性好的特點。然而普通輪式移動機構(gòu)運動時，車輪與地面接觸面積

8、小，在非結(jié)構(gòu)化地形下容易沉陷和側(cè)滑，運動過程中功能會受到限制。履帶式移動機構(gòu)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，主要是因為具有較大的附著力，較小的觸地壓力以及適應(yīng)松軟路面的特點，履帶式移動機構(gòu)主要由驅(qū)動輪、導(dǎo)向輪、履帶板、履帶架和托帶輪等構(gòu)成，由于其結(jié)構(gòu)的特殊性使得履帶式移動機構(gòu)在復(fù)雜的路面上仍具有良好的通過性，但是履帶式移動機構(gòu)體積過大，制造成本較高以及轉(zhuǎn)向不靈活。腳腿式移動機構(gòu)對復(fù)雜的路面適應(yīng)能力最好，基于仿生學(xué)目前研究的腳腿式移動機構(gòu)有兩足、四足、六足等多種腳腿式移動機構(gòu)，該機構(gòu)的最大特點是可以適應(yīng)各種路面，具有良好的機動性，但腳腿式移動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且負載能力不佳、成本過高，并不適用于農(nóng)間

9、環(huán)境。三種移動機構(gòu)在各方面性能的綜合評價，見表 2.1，其中 A 到 D 表示性能分數(shù)由高到低。本文對農(nóng)用全方位移動平臺的研究重點為轉(zhuǎn)向靈活性、良好的適應(yīng)路面能力、負載能力、較低的制造成本以及能源消耗，因此，綜合分析我們最終選擇特殊輪式作為本文全方位移動平臺的移動機構(gòu)。特殊輪式機構(gòu)種類較多，但同時具有全方位移動能力的輪式機構(gòu)并不多。全方位輪式機構(gòu)不僅能夠在任意方向移動，還可以維持車體姿態(tài)不變的情況下，像汽車那樣改變機體方位41。其中使用最為廣泛的全方位輪式移動機構(gòu)為麥克納姆輪和全方位轉(zhuǎn)向輪。麥克納姆輪的結(jié)構(gòu)由均勻分布的多個棍子組成，棍子的傾斜方向相同，它操作簡單、行動靈活，最大問題就是對輪轂外

10、緣的棍子加工有很高的要求42。全方位輪也叫全輪偏轉(zhuǎn)式移動機構(gòu)，與普通輪子相比多了一套偏轉(zhuǎn)裝置，使車輪可以按照轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的設(shè)計進行全方位轉(zhuǎn)向，全方位輪的最大特點就是結(jié)構(gòu)簡單，可自由設(shè)計轉(zhuǎn)向方式。目前絕大多數(shù)的移動平臺在改變運動方向時都有少量的回轉(zhuǎn)半徑，但是全方位移動機構(gòu)的回轉(zhuǎn)半徑可以為零。在農(nóng)田環(huán)境下，全方位輪式機構(gòu)相比其他輪式機構(gòu)有明顯的優(yōu)勢，例如，在狹小、復(fù)雜的果園，沒有足夠的空間給移動平臺調(diào)頭轉(zhuǎn)彎，但全方位移動平臺可以利用自身靈活性的特點，在果園里進行自如的穿行工作，例如橫行、斜行以及原地回轉(zhuǎn)，這是大多數(shù)移動機構(gòu)不具有的。目前常用的輪式全方位輪式機構(gòu)有麥克納姆輪、萬向輪43、瑞士輪44-46

11、、球輪47和正交輪48等，另一種與正交輪相似的輪系49，每個輪子分別由 2 個中心軸正交的小輪組成。同樣還有一種連續(xù)切換輪50-51與之相似，輪子主要由輪盤和許多滾子構(gòu)成。通過對上文介紹的多種全方位輪式機構(gòu)進行分析比較，結(jié)果見表 2.2 所示。.第 3 章 農(nóng)用全方位移動平臺運動分析 .253.1 四輪驅(qū)動四輪轉(zhuǎn)向運動 . 253.2 兩輪驅(qū)動兩輪轉(zhuǎn)向運動 . 283.3 原地回轉(zhuǎn)運動 . 313.4 斜行運動 . 323.5 坡路行駛 . 333.5.1 縱向爬坡運動 . 333.5.2 橫向爬坡運動 . 373.6 越障運動 . 393.6.1 前輪驅(qū)動越障 . 393.6.2 后輪驅(qū)動越

12、障 . 413.7 試驗設(shè)備性能測試 . 443.8 本章小結(jié) . 47第 4 章 農(nóng)用全方位移動平臺仿真分析 .494.1 ADAMS 軟件簡介. 494.2 基于 ADAMS 建立移動平臺虛擬樣機 . 494.3 農(nóng)用全方位移動平臺結(jié)構(gòu)參數(shù)化分析 . 524.4 農(nóng)用全方位移動平臺 ADAMS 模型 . 594.5 農(nóng)用全方位移動平臺的約束分析 . 604.6 農(nóng)用全方位移動平臺的運動仿真分析 . 614.7 本章小結(jié) . 75第 5 章 總結(jié)與展望 .77第 4 章 農(nóng)用全方位移動平臺仿真分析為了驗證農(nóng)用全方位移動平臺的動力學(xué)性能，需要使用三維 CAD 軟件建立農(nóng)用全方位移動平臺基本模型

13、，將三維模型導(dǎo)入 ADAMS 軟件優(yōu)化軸距、輪距和移動平臺質(zhì)心高度來確定最佳的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在特定的作業(yè)工況下進行農(nóng)用全方位移動平臺的運動學(xué)仿真，包括轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性與幾何通過性，分析農(nóng)用全方位移動平臺的合理性。4.1 ADAMS 軟件簡介ADAMS 軟件即機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真軟件，主要分為五大模塊，包括基本模塊、接口模塊、擴展模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊和工具箱模塊。用戶可以使用普通模塊對一般的機械系統(tǒng)進行仿真分析，也可以使用專業(yè)模塊針對特定的應(yīng)用領(lǐng)域問題進行快速有效的模型建模和仿真分析?；灸K、求解器模塊和后處理模塊為 ADAMS 軟件常用的三大模塊。其中 ADAMS/View（基本模塊）和 ADAMS/So

14、lver（求解器模塊）是 ADAMS 軟件兩大核心模塊，使用這兩個核心模塊就可以針對大多數(shù)機械系統(tǒng)進行建模和仿真分析。ADAMS/View（基本模塊）主要是以用戶為中心的一種交互式圖形環(huán)境，它提供了全面的零件圖形庫、約束與約束力庫，而且支持函數(shù)輸入功能和布爾運算功能。ADAMS/Solver（求解器模塊）主要是求解機械系統(tǒng)動力學(xué)和運動學(xué)問題的模塊，采用拉格朗日方程方法生成動力學(xué)相關(guān)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行運動學(xué)分析。ADAMS/PostProcessor（后處理模塊）主要是針對仿真結(jié)果的后數(shù)據(jù)進行處理分析，包括參數(shù)的數(shù)據(jù)分析、仿真曲線的繪制。計算機技術(shù)的發(fā)展與產(chǎn)品設(shè)計要求的提高，ADAMS 軟

15、件功能日趨強大。為了與常用的主流三維 CAD 設(shè)計軟件對接，開發(fā)了多款專業(yè)接口與三維 CAD 軟件進行數(shù)據(jù)傳遞，其中常用的接口包括 Pro/E 接口、Catia 接口、圖形接口、控制接口等。復(fù)雜的機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以使用三維 CAD 軟件創(chuàng)建后以文件的形式導(dǎo)入到 ADAMS 軟件中再進行運動仿真。.總結(jié)農(nóng)用全方位移動平臺的功能是搭載作業(yè)工具在農(nóng)田實現(xiàn)作業(yè)位置的改變。適用于農(nóng)田環(huán)境、轉(zhuǎn)向靈活的移動平臺，可以保證作業(yè)的工作效率。目前對機械手、采摘設(shè)備研究為重點，而對于農(nóng)用移動平臺的設(shè)計很少有人研究。本文設(shè)計一種適用于農(nóng)業(yè)環(huán)境的全方位移動平臺，為實現(xiàn)全方位移動平臺的設(shè)計方法進行了初步研究。本文主要工作內(nèi)

16、容與創(chuàng)新點包括以下幾點：（1）綜合比較現(xiàn)有移動機構(gòu)的優(yōu)缺點并結(jié)合農(nóng)田環(huán)境的特殊性，選取符合本文的全方位輪式結(jié)構(gòu)方案。完成移動平臺驅(qū)動機構(gòu)的設(shè)計包括電機的選型與功率的估算。轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計包括轉(zhuǎn)向齒輪設(shè)計，中心轉(zhuǎn)向軸設(shè)計和轉(zhuǎn)向電機的選型。高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的設(shè)計包括四桿機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過對四桿機構(gòu)的受力分析得到驅(qū)動電機桿最佳的安裝位置。由于本課題研究的移動平臺為四輪獨立轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，所以單獨設(shè)計一款符合該移動平臺的機架結(jié)構(gòu)，同時運用三維設(shè)計軟件 Pro/E建立全方位移動平臺部件的三維模型并進行虛擬裝配；（2）本文單獨設(shè)計一款高度調(diào)節(jié)機構(gòu)，利用平行四桿機構(gòu)的運動穩(wěn)定特性，完成對移動平臺車體姿態(tài)的調(diào)整。通過建立高度調(diào)節(jié)機構(gòu)的幾何模型，得出電機桿受力與姿態(tài)角等參數(shù)之間關(guān)系，以實現(xiàn)調(diào)節(jié) 700mm 為目標，得出連架桿長度d=400mm 和連桿長度 c=240mm。分析在不同安裝位置下電機驅(qū)動桿的受力情況，以電機驅(qū)動桿受力最小為目標，得出機架上電機安裝點到上固定點間距離a=180mm 和連架桿上電機安裝點