垄作草莓采摘机器人行走机构设计与仿真

王大龙 ，孙世文 ，王腾宇

（山东青年政治学院，山东 济南 250103）

0 引言

智能化果蔬采摘机器人是现代温室中的重要装备，研究其关键技术具有重要的意义。草莓被誉为“水果皇后”，富含多种维生素，目前日光温室中垄作栽培的草莓采摘多依靠人工，费时费力，由于草莓生长于垄上且垄沟狭窄，所以采摘机械体必须小巧灵活，而现有的平铺于地垄表面的草莓采摘机械装置往往不能用于日光温室垄作草莓果实的采摘[1-3]。

合理的行走机构设计对于草莓采摘机器人实现平稳移动和跨垄作业意义重大，是提高采摘作业自动化程度、机械化水平和农业经济效益的重要手段。即使现有履带式、轮式行走机构的采摘装置可沿垄沟方向移动作业，往往也不能跨垄移动，特别是在垄沟距离较长的采摘现场[4-7]。本文基于垄作草莓采摘机器人的设计与研究，提出一种能够跨垄移动的行走机构，可自动跨至下一垄沟进行采摘，从而实现垄作草莓的自动化连续采摘。

1 总体设计

本文主要针对我国大多数地垄式草莓种植模式下的自动化采摘装置进行研究，分析设计出可跨垄移动的行走机构，采摘机械手可设置于行走机构上，以实现机械手沿垄沟和跨垄沟的移动作业。

通常情况下，种植草莓苗的垄和沟的总宽度为80 cm～85 cm，草莓苗垄的上部宽度为25 cm～30 cm，草莓苗垄的下部宽度为60 cm。行走机构主要由支撑装置和移动装置组成，如图1所示。支撑装置通过可根据地形状况调节有效长度的支撑腿跨至下一垄沟，移动装置利用两组车轮交替作用在移动平台上向前运动，从而实现行走机构的跨垄移动。

图1 行走机构的结构示意图

1.1 支撑装置设计

支撑装置包括水平镜像向内设置的两个L型支撑底座I和与支撑底座I翻转设置的两个L型支撑底座Ⅱ，两个支撑底座I与对应的支撑底座Ⅱ构成两组支撑平台。支撑底座I和支撑底座Ⅱ分别设置有相互垂直的竖向立板和横向底板，底板为移动装置前后运动提供支撑平台。支撑底座I和支撑底座Ⅱ的底板相对设置，且通过翻转可使支撑底座I与支撑底座Ⅱ的底板至同一水平位置，从而使支撑底座I和支撑底座Ⅱ的底板交替作用于移动装置的前车轮I和后车轮I、前车轮Ⅱ和后车轮Ⅱ，实现移动装置的跨垄运动。立板内侧水平设置有滑轨I，可与移动装置的旋转接头滑动连接；立板外侧前后两端、底板外侧中部分别旋转连接有支撑腿，用于装置的支撑。支撑腿包括大腿和与大腿通过旋转关节连接的小腿，通过旋转关节可使小腿根据地形状况调节与大腿的夹角，从而调节支撑腿的有效长度以保持支撑装置的水平平稳。小腿底部设置有滚轮，可实现支撑装置沿垄沟方向移动。支撑装置整体结构如图2所示。

图2 支撑装置的结构示意图

1.2 移动装置设计

移动装置包括可在支撑底座I底板上运动的前车轮I、后车轮I和可在支撑底座Ⅱ底板上运动的前车轮Ⅱ、后车轮Ⅱ，且前车轮I与前车轮Ⅱ同轴线连接，后车轮I与后车轮Ⅱ同轴线连接。工作时，车轮交替作用在支撑底座I和支撑底座Ⅱ构成的两组移动平台上。前车轮I与前车轮Ⅱ、后车轮I与后车轮Ⅱ中部分别水平向前和向后设置有前连杆、后连杆。前连杆端部垂直于立板设置有前伸缩杆，后连杆端部垂直于立板设置有后伸缩杆。前伸缩杆两端通过电机设置有前旋转接头I和前旋转接头Ⅱ，前旋转接头I和前旋转接头Ⅱ与滑轨I滑动连接，实现前旋转接头沿滑轨I滑动，同时通过控制前伸缩杆的伸缩实现前旋转接头I和前旋转接头Ⅱ与滑轨I的连接或脱离。后伸缩杆两端通过电机设置有后旋转接头I和后旋转接头Ⅱ，后旋转接头I和后旋转接头Ⅱ与滑轨I滑动连接，实现后旋转接头沿滑轨I滑动，同时通过控制后伸缩杆的伸缩实现后旋转接头I和后旋转接头Ⅱ与滑轨I的连接或脱离。前车轮I与前车轮Ⅱ、后车轮I与后车轮Ⅱ中部分别竖直向上设置有支撑杆，支撑杆顶端通过水平支架连接，支架上设置有可沿垄沟方向移动作业的采摘装置。移动装置整体结构如图3所示。

图3 移动装置的结构示意图

2 工作原理

初始状态时，前旋转接头I、前旋转接头Ⅱ、后旋转接头I、后旋转接头Ⅱ均与滑轨I连接，前车轮I与后车轮I作用在支撑底座I的底板上，机械手通过摄像头识别采摘目标，在采摘区域内作业，通过小腿底部设置的滚轮可实现支撑装置沿垄沟方向移动。当支撑装置进行跨垄运动时，控制后伸缩杆的伸缩实现后旋转接头Ⅱ与滑轨I脱离，通过电机控制前旋转接头Ⅱ转动，从而实现支撑底座Ⅱ的翻转，直至支撑底座Ⅱ的底板翻转至与支撑底座I的底板在同一水平位置；同时，支撑底座Ⅱ的支撑腿跨垄翻转至下一垄沟内。驱动车轮使移动装置在支撑装置的底板上向前运动，后旋转接头Ⅱ随着移动装置运动至支撑底座Ⅱ上，通过控制后伸缩杆的伸缩继续实现与滑轨I连接；运动过程中，移动装置由前车轮I与后车轮I作用在支撑底座I的底板上过渡到前车轮Ⅱ与后车轮Ⅱ作用在支撑底座Ⅱ的底板上。当移动装置完全运动至支撑底座Ⅱ的底板上后，通过电机控制后旋转接头I转动，从而实现支撑底座I的翻转，直至支撑底座I的底板翻转至前车轮I与后车轮I的上方，此时可控制采摘装置继续在垄沟中作业。

再通过控制前伸缩杆的伸缩实现前旋转接头I与滑轨I连接，控制后伸缩杆的伸缩实现后旋转接头I与滑轨I脱离，然后通过电机控制前旋转接头I转动，从而实现支撑底座I的翻转，直至支撑底座I的底板翻转至与支撑底座Ⅱ的底板在同一水平位置；同时，支撑底座I的支撑腿跨垄翻转至下一垄沟内。驱动车轮使移动装置在支撑装置的底板上向前运动，后旋转接头I随着移动装置运动至支撑底座I上，通过控制后伸缩杆的伸缩继续实现与滑轨I连接；运动过程中，移动装置由前车轮Ⅱ与后车轮Ⅱ作用在支撑底座Ⅱ的底板上过渡到前车轮I与后车轮I作用在支撑底座I的底板上。当移动装置完全运动至支撑底座I的底板上后，通过电机控制后旋转接头Ⅱ转动，从而实现支撑底座Ⅱ的翻转，直至支撑底座Ⅱ的底板翻转至前车轮Ⅱ与后车轮Ⅱ的上方，此时可控制采摘装置继续在垄沟中作业。支撑底座、旋转接头的具体状态如表1所示。

表1 支撑底座、旋转接头状态表

3 运动仿真

ADAMS软件是一款适用于机器人、机械、汽车等仿真和运动学分析的强大工具，是目前世界上使用范围最广、可靠性最高的机械运动仿真分析软件[8]，被广泛应用于机械制造、汽车工程、航空航天、工程设备及重型机械等领域[9-11]。ADAMS软件可以模拟复杂的三维机械系统，仿真结果具有预测机械设备的运行状态、优化产品设计和制造过程、降低生产成本等功能[12-14]。该软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力等曲线[15-16]。

3.1 建立模型

利用SolidWorks建立一组支撑装置I、支撑装置Ⅱ模型，并将导出的parasolid.x_t格式文件导入ADAMS中，设置工作环境。将支撑底座I、支撑底座Ⅱ与支撑腿之间、支撑腿的大腿和小腿之间分别设置旋转副，创建旋转驱动，通过step函数控制支撑底座Ⅱ和支撑底座I顺序翻转，利用postprocessor模块生成所需曲线。

3.2 仿真结果分析

分别得到支撑底座I和支撑底座Ⅱ的位移曲线、线速度曲线、线加速度曲线、角速度曲线、角加速度曲线，仿真结果如图4所示。

图4 支撑底座I和支撑底座Ⅱ的仿真结果

由曲线可知，支撑底座I和支撑底座Ⅱ在所设阶跃函数的驱动下，曲线变化比较平稳，表明支撑底座在给定的轨迹中运行稳定，未发生突变，没有明显冲击，可以满足实际工作的任务要求。分析线加速度和角加速度曲线可得，支撑底座运行时受重力、负载等因素影响，加速度会产生突变，但在中间过程阶段受力稳定后，加速度变化也趋于稳定。

4 结语

本文提出了一种可跨垄移动的行走机构，主要用于垄作草莓采摘机器人，可替代人工采摘，省时省力，该采摘装置不仅可以沿垄沟方向移动，同时能够跨垄作业，特别是在垄沟距离较长的采摘现场，可自动跨垄至下一垄沟进行采摘，以完成采摘装置横向和纵向的移动作业，从而实现垄作草莓的自动化连续采摘。利用ADAMS软件对行走机构进行仿真实验，结果表明：该机构运行平稳，能够完成跨垄连续作业，具有较大的实用意义，可以有效降低运行成本，提高采摘效率。