張義勝， 侯心愛， 宮玉敏， 張希峰， 鞏 彬， 王 維

(淄博市農(nóng)業(yè)機械研究所，山東 淄博 255086)

我國丘陵山區(qū)地帶占國土面積的10%[1]，廣大的山區(qū)或丘陵地區(qū)，種植地塊面積小，道路狹窄，大型植保機械不方便進入土地作業(yè)，因此，作為一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，小型智能植保機器人的研發(fā)，具有廣闊的市場前景。

我國是果樹種植大國，水果是我國主要的特色經(jīng)濟作物，其田間管理過程中存在作業(yè)環(huán)節(jié)多、用工量大、生產(chǎn)成本高等突出問題[2-4]，尤其果園植保機械發(fā)展較晚，機械化程度低[5]，發(fā)展還不完善，與歐美等發(fā)達國家相比還存在一定差距[6-7]。

為滿足丘陵山區(qū)市場需求，立項研制3WP-200型智能植保機器人，該機型尺寸小，遙控自走式，四輪驅(qū)動，前進、倒退、轉(zhuǎn)彎作業(yè)靈活，具有良好的地形適應(yīng)性和通過性，容易進入丘陵山區(qū)狹小的地塊作業(yè)。該機既適合丘陵山區(qū)果樹農(nóng)藥噴灑作業(yè)，又適合大田農(nóng)藥噴灑作業(yè)。

由于丘陵山區(qū)地形不平、坡度大，植保機器人經(jīng)常需要爬坡運行，爬坡能力成為考核植保機器人性能的重要指標(biāo)。

針對植保機器人四輪驅(qū)動機構(gòu)行走系統(tǒng)，對其行走速度、行走阻力、爬坡能力、驅(qū)動輪電機參數(shù)等進行了設(shè)計計算。

1 機器人行走系統(tǒng)簡介

根據(jù)項目任務(wù)書的要求，3WP-200型智能植保機器人，其行走技術(shù)指標(biāo)為：遙控自走式；四輪驅(qū)動；行進速度：2.4～9.6 km/h。

3WP-200型智能植保機器人，其行走系統(tǒng)由四輪驅(qū)動機構(gòu)和轉(zhuǎn)向機構(gòu)組成。四個行走輪均安裝有驅(qū)動電機，完成植保機器人的行走工作。四個行走輪上方均安裝轉(zhuǎn)向電機，完成植保機器人的轉(zhuǎn)向工作。

植保機器人遙控操作，控制系統(tǒng)可控制前二輪或后二輪單獨轉(zhuǎn)向，也可控制四輪同時轉(zhuǎn)向。輪胎可原地轉(zhuǎn)動90°，轉(zhuǎn)彎作業(yè)靈活。

2 機器人行走阻力計算

植保機器人空載質(zhì)量G1=250 kg，即2 450 N。植保機器人滿載質(zhì)量G=450 kg，即4 410 N。

植保機器人上坡狀態(tài)如圖1所示，當(dāng)植保機器人勻速行駛在角度為β的坡上。植保機器人滿(空)載質(zhì)量分解為對路面的正壓力N和下滑力F。

N=Gcosβ

(1)

F=Gsinβ

(2)

輪胎與地面產(chǎn)生的摩擦力f：

f=Nμ=Gcosβμ

(3)

式中：μ為輪胎與土地面的摩擦系數(shù)，其數(shù)值為0.1～0.15[8]，這里按照0.14計算。

植保機器人勻速上坡行走，需克服阻力FZ：

FZ=F+f=Gsinβ+Gcosβμ

(4)

不同的上坡角度時，植保機器人行走阻力計算結(jié)果見表1。

表1 行走阻力計算結(jié)果

3 驅(qū)動輪所需驅(qū)動扭矩計算

植保機器人上坡運行時，驅(qū)動輪上需要的驅(qū)動扭矩為：

T=FZR

(5)

式中：T為驅(qū)動輪扭矩，nm；R為驅(qū)動輪半徑，m；FZ為行走阻力，N。

不同的上坡角度時，植保機器人驅(qū)動輪上需要的驅(qū)動扭矩計算結(jié)果見表2。

表2 驅(qū)動扭矩計算結(jié)果

4 驅(qū)動輪電機參數(shù)設(shè)計

驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速為：

(6)

式中：v為行走速度，km/h；d為驅(qū)動輪直徑，m；n為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，rpm。

根據(jù)項目任務(wù)書的要求，植保機器人的行進速度為2.4～9.6 km/h。這里按照植保機器人空載平地最高運行速度9.6 km/h計算。

根據(jù)式(6)計算得，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n=127.32 rpm。此時，植保機器人四個輪胎驅(qū)動電機運行需要的總功率W為：

(7)

式中：v為行走速度，km/h；W為電機總功率，W；FZ為行走阻力，N。

根據(jù)式(7)計算得，植保機器人四個輪胎驅(qū)動電機運行需要的總功率為915 W。單個輪胎驅(qū)動電機功率為229 W。

考慮到傳動效率的影響，單個輪胎驅(qū)動電機功率設(shè)計為240 W，即四個輪胎驅(qū)動電機總功率設(shè)計為960 W。

由以上計算可知，驅(qū)動輪最高轉(zhuǎn)速為127.32 rpm。

本次設(shè)計選用直流驅(qū)動電機，工作電壓60 V。電機額定轉(zhuǎn)速選用800 rpm左右，選用行星減速機，減速機減速比為6.3左右，其輸出轉(zhuǎn)速值符合滿足驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速要求。

5 機器人行走速度計算

機器人最大行走速度v為：

(8)

式中：v為行走速度，km/h；W為電機總功率，960 W；FZ為行走阻力，N。

不同的上坡角度β時，植保機器人行走最大速度計算結(jié)果見表3。

表3 行走速度計算結(jié)果

6 輪胎驅(qū)動力計算

6.1 有關(guān)計算公式

6.1.1 驅(qū)動輪扭矩計算公式

驅(qū)動輪的扭矩為：

(9)

式中：T為驅(qū)動輪輸出扭矩，nm；P為驅(qū)動輪輸入功率，kW；n為驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速，rpm。

6.1.2 驅(qū)動輪驅(qū)動力計算公式

驅(qū)動輪驅(qū)動力為：

(10)

式中：F1為驅(qū)動輪驅(qū)動力，N；T為驅(qū)動輪輸出扭矩，nm；R為驅(qū)動輪半徑，m。

6.2 滿載平地運行驅(qū)動力計算

由表3可以看出，植保機器人滿載平地最高運行速度是5.5 km/h，根據(jù)式6計算得，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n=72.94 rpm。

根據(jù)式(9)計算得，驅(qū)動輪輸出扭矩T=31.41 nm。

根據(jù)式(10)計算得，傳遞到單個驅(qū)動輪外園上的驅(qū)動力F1=157 N。傳遞到四個驅(qū)動輪外園上的總驅(qū)動力為628 N。

6.3 滿載爬坡運行驅(qū)動力計算

由表3可以看出，當(dāng)坡度為30°時，植保機器人滿載最高運行速度是1.26 km/h，根據(jù)式(6)計算得，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n=16.71 rpm。

根據(jù)式(9)計算得，驅(qū)動輪輸出扭矩T=137.15 nm。

根據(jù)式(10)計算得，傳遞到單個驅(qū)動輪外園上的驅(qū)動力F1=685.75 N。傳遞到四個驅(qū)動輪外園上的總驅(qū)動力為2 743 N。

6.4 空載平地運行驅(qū)動力計算

由表3可以看出，植保機器人空載平地最高運行速度是10 km/h，根據(jù)式(6)計算得，驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速n=132.63 rpm。

根據(jù)式(9)計算得，驅(qū)動輪輸出扭矩T=17.28 nm。

根據(jù)式(10)計算得，傳遞到單個驅(qū)動輪外園上的驅(qū)動力F1=86.4 N。傳遞到四個驅(qū)動輪外園上的總驅(qū)動力為345.6n。

由以上設(shè)計計算可知，植保機器人坡上勻速運行時，驅(qū)動輪驅(qū)動力大于行走阻力，滿足運行要求。

7 結(jié)論

(1)當(dāng)輪胎與地面的摩擦系數(shù)較低時，可適當(dāng)提高植保機器人的運行速度，反之應(yīng)適當(dāng)降低運行速度。當(dāng)植保機器人處于非滿載狀態(tài)運行時，可適當(dāng)提高運行速度，反之應(yīng)適當(dāng)降低運行速度。

(2)單純從驅(qū)動力克服行走阻力的角度設(shè)計計算，植保機器人滿載爬坡的行駛速度為1.26 km/h時，最大爬坡角度要低于30度；植保機器人器人滿載的行駛速度為5.5 km/h時，最大爬坡角度為0°，即只能平地行走。

植保機器人空載爬坡，當(dāng)坡度為0°時，即平地行走，最高行駛速度10 km/h；當(dāng)坡度為30°時，最高行駛速度2.27 km/h。

考慮到上下坡穩(wěn)定性要求，植保機器人實際爬坡角度要小于上述設(shè)計計算值。

(3)設(shè)計計算結(jié)果表明，各項參數(shù)的設(shè)計值符合項目任務(wù)書的要求。