药林桃,罗 翔,曹晓林,吴罗发*,赖宏斐,陈 盾,高文强
(1.江西省农业科学院农业工程研究所,330200,南昌;2.江西省智能农机装备技术中心,330200,南昌;3.江西开放大学,330200,南昌;4.江西新余国科科技股份有限公司,338018,江西,新余)
农用智能运输平台是在工业AGV的基础上发展而来的[1],装备有自动导航装置,能够实现自主规划路径行驶,可在无人干预的情况下,实现农业设施内外的智能运输,还可搭载相关工作部件同步完成实时监测、自动化种植采摘、精准喷药施肥等作业[2-4],具有行动快捷、工作效率高、可控性强、安全性好等优势[5-7],能有效提高农业机械化、智能化和自动化水平。目前农业智能运输平台主要以背负式承载为主,承担运输功能的同时,还可以搭载相关部件,开展智能种植、采摘、喷雾、施肥、环境监控等作业。牵引式承载虽然运输量大,可以有效提高作业效率,但由于智能运输平台自身和运输物料的重力与惯性力,在作业时整机重心会发生偏移,影响定位精度,甚至会影响其核心功能——路径规划和导航的实现[5-7],导致机具发生侧翻等极端状况,因此牵引式承载对运输平台的运动稳定性要求比较高。
本文通过对农用智能运输平台的驱动单元进行运动稳定性分析,设计了一款适宜农用智能运输机器人,可以背负式承载物料进行搬运,也可以在尾部牵引拖车,运输大件物料,实现农业设施内外狭窄空间的智能运输作业。
农用运输机器人采用轮式行走方式,磁条导航,不受室内外光线影响,可以背负托盘、料架、料箱等进行运输,也可以在尾部牵引拖车进行物料运输,还可以方便快捷地与多种传感器或末端执行器连接配合,实现在农业设施内外狭窄空间的智能移动,一机多用,承担多环节智能化、机械化作业。农用运输机器人主要包括在线监控中心、移动机器人、自动充电装置、封闭式导航磁条等,整机参数见图1、表1。
表1 农用智能运输机器人参数
1.智能充电桩;2.监控中心;3.移动机器人;4.封闭式导航磁条;5.防撞条;6.牵引栓;7.紧急开关;8.载物平台;9.指示灯带;10.万向轮;11.驱动轮;12.自动充电刷板
温室运输机器人要同时可以承担背负式和牵引式运输功能,属于中等载荷,要求运动稳定,通过性好,这就要求驱动单元要大于等于4个车轮,且对称布局[10-12]。农用机器人工作空间小,因此选用四轮驱动,全轮转向式,由2组驱动舵轮组成,每组驱动舵轮是由2个无刷电机和2个电机驱动器构成,如图2所示,可实现沿纵向、横向、斜向和回转方向任意路线行走。驱动电机的性能直接决定机器人的动力性,驱动轮转速由驱动电机决定,运动方向与机器人运动方向一致,通过差速方式改变机器人的运行方向。2组驱动舵轮采用交错布局链传动,可以减小布局空间,实现空间利用率最大化。机器人四周还设计有4个万向轮,万向轮本身不具有动力,主要用于承载重量。
1.磁带感应器;2.连接板;3.驱动电机;4.安装板;5.轮轴;6.驱动轮;7.驱动链条
农用机器人需要有足够的驱动力来克服起步和行驶中遇到的阻力,包括来自地面滚动摩擦力来自空气的空气阻力、加速阻力、坡度阻力、牵引拖车阻力等[13-14]。起步时车轮所处的滑动状态对应的摩擦力为滚动摩擦力用Ff表示;空气阻力用Fw表示;在坡道上行驶时,还必须克服重力沿坡道的分力,称为坡度阻力,以符号Fi表示;加速行驶需要克服的阻力称为加速阻力,以符号Fj表示;牵引拖车阻力用Ft表示。因此机器人运行的总阻力为:
F=Ff+Fw+Fi+Fj+Ft
(1)
机器人质量mj=200 kg,背负式运输时:物料最大质量mb=500 kg;背负牵引式运输时:背负式运输时物料最大质量mb=400 kg,牵引拖车及运输物料最大质量mt=200 kg。考虑机器人的实际工况,结合背负式运输和牵引背负运输等不同情况分析机器人的运行阻力。
1)机器人滚动阻力。
Ff=μ×M×g
(2)
M=mj+mb
(3)
式中:Ff为机器人滚动阻力(N);μ为轮胎和地面间的滚动摩擦系数,不同路面类型μ取值不同,取最大值μ=0.03;M为机器人及背负物料质量(kg);g为重力加速度。
2)空气阻力。
(4)
式中最大加速度Vmax=1 m/s,空气阻力系数C=0.8,迎风面积A=W×H=0.5×0.6=0.3 m2。计算得机器人工作时空气阻力Fw=0.15 N。
3)机器人坡度阻力。
Fi= M×g×sinα
(5)
式中:Fi为机器人坡道阻力(kN);最大坡度为3°,sinα=0.052。
4)加速阻力。
Fj=M×a
(6)
(7)
式中:Fj为加速阻力(kN);Mz为机器人和运输物料总质量(kg);v为从静止经过1 m距离达到速度(m/s);s为从静止经过1 m距离需要的时间(s);a为加速度(m/s2),达到最大速度1 m/s,机器人行走5 m,加速度a=0.1 m/s2。
5)牵引拖车阻力
Ft=Ftf+Fti+Ftj
(8)
机器人在牵引状态时,拖车阻力主要有拖车滚动摩擦力用Ftf表示,拖车坡道阻力用Fti表示,拖车加速阻力用Ftj表示。
综合上述分析,背负式运输时机器人运行阻力F背=632.65 N;背负牵引运输时机器人运行阻力F牵=723.05 N。
2.2.1 电机驱动力
1)在背负式运输时,机器人每个电机克服1/4的阻力。
单个电机驱动力
(9)
式中:Fk为单个电机驱动力(N);ka为电机安全系数,取1.25。
通过计算可知,Fk=197.7 N。
2)背负牵引式运输时,前后轮承受的阻力不同,前轮向后轮转移重量用ΔG表示。
(10)
式中:ΔG为前轮向后轮转移重量(N);h为牵引栓高度0.35 m;L为两轮轴距0.32 m。
通过计算可知,ΔG=197.6 N。
机器人后面装有牵引栓,单个后轮电机的驱动力用Fh表示,单个前轮电机驱动力用Fq表示。
(11)
(12)
通过计算可知,Fh=287.3 N,Fq=164.2 N。
综上所述,机器人单轮驱动力F要大于287.3 N。
2.2.2 单个电机输出扭矩
(13)
式中:r为驱动轮半径50 mm;i为减速比12;η为驱动总效率0.85。
通过计算可知,单个电机输出扭矩M要大于1.40 N·m。
2.2.3 单个电机功率
(14)
式中:vmax为机器人最大速度1 m/s;η为从电机输出轴到驱动轮的总效率0.85;通过计算可知,电机功率P要大于338 W。
2.2.4 电机转速
(15)
式中:i为转速比12;Vmax为机器人最大速度60 m/min;D为驱动轮直径100 mm。
通过计算可知,电机最高转速n要大于2 293 r/min。
2.2.5 电机型号 综上所述,选择永磁无刷直流减速电机,具体参数见表2
表2 驱动电机参数
驱动轮安装板作为驱动单元中关键的部件,需对其单独进行应力应变分析。单个驱动轮安装板装有2个驱动轮,载荷较大,容易产生较大的应力和挠度,选择材料为304钢,弹性模量为1.9×1011Pa,泊松比为0.29,屈服强度为σs=206.8 MPa。机器人运行时,考虑安全系数,单个驱动轮驱动力为287.3 N,利用Solidworks自带的FEA软件Simulation对驱动轮安装板有限元分析,将安装板与电机相关的螺栓孔做定位处理,有限元分析结果如图3所示。
图3 驱动轮安装板应力有限元分析
图中颜色为暖色调部分应力大,冷色调部分应力相对较小,安装板与轮轴连接处附近发生应力集中现象,最大应力值为1.813 MPa。考虑安全因数,安全系数取n=2.5,则许用应力[σ]为:
(16)
带入304钢屈服极限及安全系数值后,许用应力为:[σ]max=82.72 MPa,由此可得,最大驱动力作用下,驱动轮安装板应力范围小于许用应力。
机器人主框架包括:本体,电箱固定板、驱动单元固定板、电池仓、万向轮安装板、前后焊接板等,以上这些部件采用的厚度为8 mm的304钢板焊接固定到一起,整体焊接的结构保证了机器人的结构强度。
2.4.1 背负式运输作业状态下机器人底板有限元分析 背负式作业时,机器人底板承受的压力最大,因此需要对底板进行强度校核。机器人运行时驱动轮与万向轮均与地面接触,因此将与万向轮和驱动轮相关的螺栓孔做定位处理,此时这32个孔将固定不动。考虑安全系数,在小车底板上均匀添加700 kg外部载荷。机器人底板应力分析结果如图4所示。
图4 机器人底板静应力分析结果
图中颜色为暖色调部分应力大,冷色调部分应力相对较小,台阶板与底板的连接处附近以及底板上的螺栓孔附近亦发生应力集中现象,且在底板中部变形最大,最大应力值为46.77 MPa。考虑安全因数,对于塑性材料,安全系数取n=2.5,则许用应力为[σ]max=82.72 MPa。由此可得,最大背负载荷状态下,机器人底板应力范围小于许用应力。
2.4.2 背负式运输作业状态下机器人底板有限元分析 机器人在牵引运输作业时,不但承担整机和牵引物料的质量,还要承担行驶过程中所产生的各种力和力矩,其可靠性不仅关系到机器人能否正常作业,还关系到其安全性。因此需要对机器人牵引装置进行强度校核,保证在使用时牵引装置及其周边件不会产生破坏及影响下次使用的变形。机器人牵引满载时,牵引重量为100 kg,牵引状态下机器人侧身框架应力分析结果如图5所示。
图5 机器人框架静应力分析结果
从图5中可以看出在牵引挂钩处发生应力集中现象。经过Simulation有限元分析,最大牵引载荷状态下,框架上产生的最大应力值为4.75 MPa,应力范围小于许用应力。
通过有限元分析可知,机器人整体框架材料选择和结构设计合理。
开展机器人直道和弯道的运行试验,测试机器人行驶和驻车性能。试验地面为地漆地面,与橡胶轮的滚动摩擦因数为0.015~0.020之间,试验地面平整,无坡度。所用磁带型号为JH-MGNT-30,宽30 mm,厚1.2 mm,地表粘贴式,N极磁面朝上,S极粘贴面与地面相粘贴,直道铺设长度12 m,弯道转弯半径1.8 m,直道设置2个驻车点,弯道设置一个驻车点。按机器人设计要求,设置机器人行驶速度为0.5 m/s,通过加载砝码,开展机器人背负载荷和牵引载荷状态下的速度实验,分析其运行能力。
由表3、表4可知,机器人背负或牵引带动不同负载砝码,整体的运行速度差异变化不大,速度稳定性较好。实际温室中,每个工位点都是确定的,温室路径不随意改变,因此要求机器人在每个工位的停止点其停止偏差小于10 mm。由表3、表4可知,每个定位点的停止线位置都能保持在10 mm之内,满足要求。同时,试验过程中,机器人运行平稳,未出现侧翻,这说明机器人运动稳定性合格,满足设计要求。
表3 直道行驶试验方案及结果
表4 弯道行驶试验方案及结果
本文设计了一款农用智能运输机器人,采用轮式行走方式,磁条导航,可以背负式运输,也可以在尾部牵引拖车进行大型物料运输。运动稳定性是机器人最基本的动态特性,本文从驱动电机选型,机器人驱动轮安装板、底盘和框架的有限元分析,实验对比等方面探究了驱动单元对机器人运动稳定性能的影响,试验结果表明,机器人运行平顺,运动稳定,为后续农业智化作业平台设计提供了一定的指导意义。
目前农业智能运输平台主要应用在温室,本文农业运输机器人应用磁条导航,可以安装在室外,不受光线限制,实现温室内外一体化运输。本文机器人主要还是以背负式承载为主,牵引式承载为辅,牵引式承载重量还只能达到100 kg,在后续研究中,将对机器人内部结构进行改进,提高牵引承载重量,实现机器人的多功能应用。