【摘 要】
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文洛型温室可为作物创造适宜的生长环境,已成为设施农业的重要组成部分。文洛型温室机器人的出现,减轻了劳动者的作业强度,提高了作业效率。底盘作为机器人的重要组成部分,其结构性能对机器人的作业方式、作业效率、稳定性、灵活性等具有重要影响。针对当前文洛型温室采摘、运输、植保机器人底盘存在通用性差、对地面平整度要求高、转向稳定性差的问题,本文设计了一种文洛型温室路轨通用机器人底盘。通过增加减震装置,提高对不
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文洛型温室可为作物创造适宜的生长环境,已成为设施农业的重要组成部分。文洛型温室机器人的出现,减轻了劳动者的作业强度,提高了作业效率。底盘作为机器人的重要组成部分,其结构性能对机器人的作业方式、作业效率、稳定性、灵活性等具有重要影响。针对当前文洛型温室采摘、运输、植保机器人底盘存在通用性差、对地面平整度要求高、转向稳定性差的问题,本文设计了一种文洛型温室路轨通用机器人底盘。通过增加减震装置,提高对不平整地面的适应性。基于理论分析及动力学仿真对底盘转向与越障稳定性进行研究,并进行转向稳定性试验。在底盘内部设计连接部件,对通用型底盘的应用进行说明。该研究可为文洛型温室机器人底盘的设计与优化提供理论依据及参考。主要的研究内容及结论如下:(1)底盘的整体结构设计。根据底盘的作业环境,确定了文洛型温室路轨通用机器人底盘的总体结构设计方案,并对电机、减震弹簧、链条等关键部件进行了计算选型。基于轮系布局对底盘静态稳定性、动态稳定性和驱动力的影响,构建了多目标优化数学模型并通过人工蜂群算法进行求解,优化后静态稳定性提高了6.54%,动态稳定性的侧倾角(?)1与俯仰角(?)2分别降低了6.73%、4.91%,最大驱动力降低了2.28%。对作业过程中受力较大的部件进行了静力学仿真,经验证其强度、刚度满足使用要求。(2)转向运动及其稳定性分析。为确保底盘在温室地面有限空间内顺利转向,对底盘的转弯半径及所需的转向空间进行了分析,结果表明底盘最小转向空间为半径966mm的圆形区域,可满足作业环境要求。驱动轮侧滑、滑转将影响转向的稳定性,进而影响路轨切换。基于理论分析对侧滑、滑转现象进行研究,确定了影响转向稳定性的因素,分别为:驱动轮的角速度、驱动轮的角加速度、静摩擦系数、偏心距、车轮轮心间距、车体尺寸、负载。(3)转向和越障稳定性动力学仿真。基于ADAMS软件进行原地转向和越障稳定性动力学仿真。以转向中两驱动轮轮心位移速度与底盘旋转中心的偏移量为转向稳定性评价指标,通过仿真对影响转向稳定性的因素进行了验证,并确定了各因素对转向稳定性的具体影响趋势。以两驱动轮的接触力、竖直位移曲线和驱动力矩为性能评价指标,进行越障稳定性分析。结果表明越障过程中两驱动轮不会出现打滑、悬空的现象,验证了所设计的减震装置可满足温室地面作业要求。(4)稳定性试验研究及通用性应用。运用Box-Behnken中心组合试验方法,以驱动轮角速度、驱动轮角加速度、静摩擦系数、偏心距为试验因素,以轨道中心线与底盘中心线的偏移量和转向对轨时间为评价指标,进行正交试验。建立各试验因素与评价指标的回归模型,通过响应面分析各试验因素的影响趋势,并进行试验参数优化。模型预测结果表明:最优底盘转向对轨的工作参数为驱动轮角速度1.3rad/s,角加速度0.9rad/s~2,静摩擦系数0.7,偏心距0mm,两中心线的偏移量为7.586mm,转向对轨时间为4.497s。进行温室现场最优参数验证试验,试验结果与模型预测值的相对误差均小于5%。在试验样机的基础上,分别在底盘内部增加与植保、采摘、运输平台相连接固定的部件,可实现不同作业情况下平台的快速更换,提高了底盘的通用性。
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