發(fā)布時間：2019-06-12所屬分類：工程師職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要:為了保證地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機器人在農(nóng)田中行走時具有良好的穩(wěn)定性和較強的環(huán)境適應(yīng)性，建立了輪胎-土壤力學(xué)模型，針對其靜止和行走兩種狀態(tài)添加了不同的載荷，并利用有限元仿真分析原理對不同載荷下的模型進行了求解，分別得到輪胎和土壤的應(yīng)力、位
摘要:為了保證地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機器人在農(nóng)田中行走時具有良好的穩(wěn)定性和較強的環(huán)境適應(yīng)性，建立了輪胎-土壤力學(xué)模型，針對其靜止和行走兩種狀態(tài)添加了不同的載荷，并利用有限元仿真分析原理對不同載荷下的模型進行了求解，分別得到輪胎和土壤的應(yīng)力、位移和應(yīng)變的值。建立了行走機構(gòu)前懸架模型，并對模型施加了一個正弦激勵，對其輪胎定位參數(shù)進行了動力學(xué)仿真分析，得到了各輪胎定位參數(shù)的變化量。結(jié)果表明:采用雙橫臂獨立式懸架結(jié)構(gòu)，不但提高了機器人的環(huán)境適應(yīng)性，使其行走時輪胎不會陷入土壤中，而且遇到?jīng)_擊載荷時保證了機器人的輪胎定位參數(shù)在合理范圍內(nèi)，使其具備良好的行走穩(wěn)定性，為地空兩用機器人的研究提供可靠的依據(jù)。
關(guān)鍵詞:機器人;農(nóng)業(yè)信息;行走機構(gòu);有限元分析;動力學(xué)分析
0引言
地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機器人作為一種新型農(nóng)業(yè)信息采集裝備，同時具備飛行、行走兩種運動方式。行走機構(gòu)作為整個機器人硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，既要實現(xiàn)機器人的行走功能，又要對飛行機構(gòu)起到支撐定位的作用進而保證機器人在地形較為復(fù)雜的農(nóng)田中起飛、降落的平穩(wěn)。行走機構(gòu)性能的優(yōu)劣直接影響了機器人采集信息的能力。機器人行走的穩(wěn)定性和環(huán)境適應(yīng)性是考察其行走性能的重要指標(biāo)。
目前，針對行走性能的分析問題，主要借助于計算機仿真分析技術(shù)。西北農(nóng)林科技大學(xué)的薛雪利用有限元分析的原理建立了輪胎與土壤接觸的三維有限元模型，對輪胎變形量和土壤下陷量進行了研究，為車輛性能改進提供了可靠依據(jù)[1]。
西北農(nóng)林科技大學(xué)的倫佳琪利用輪胎-土壤的有限元模型，對不同工況下二者接觸區(qū)域的變化進行了研究，得到了胎壓與載荷的關(guān)系[2]。南昌大學(xué)的黃杰文利用柔性多體動力學(xué)仿真原理對雙橫臂懸架仿真模型進行了分析，驗證了仿真模型的動特性與樣車懸架動特性的一致性[3]。
廣東工業(yè)大學(xué)的王行利用機械系統(tǒng)動力學(xué)仿真技術(shù)對方程式賽車的輪胎定位參數(shù)進行了研究，使前懸架的運動特性得到有效的提升[4]。地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機器人的工作環(huán)境是在地形較為復(fù)雜的農(nóng)田中，因此在行走時極易受到溝壑引起的沖擊載荷。沖擊載荷會引起懸架結(jié)構(gòu)的變形，輪胎定位參數(shù)也隨之變化，從而影響到機器人在農(nóng)田中行走的穩(wěn)定性。
機器人具備行走和飛行兩種運動方式，同時還要搭載信息采集系統(tǒng)，因此機器人本體質(zhì)量比較大。又由于農(nóng)田土壤土質(zhì)較為松軟，輪胎極易陷入土壤中，進而使機器人的環(huán)境適應(yīng)性降低。針對以上兩個對機器人行走性能產(chǎn)生負面影響的因素，建立了輪胎-土壤力學(xué)模型及機器人前懸架動力學(xué)仿真分析模型，并分別進行了有限元仿真分析和動力學(xué)仿真分析。
1機器人整體結(jié)構(gòu)
地空兩用農(nóng)業(yè)信息采集機器人主要包括行走機構(gòu)、飛行機構(gòu)、計算機控制系統(tǒng)及信息采集系統(tǒng)4個部分。
2輪胎-土壤相互作用有限元仿真分析
2.1輪胎-土壤力學(xué)模型建立及參數(shù)確定
2.2輪胎-土壤相互作用有限元分析
打開SolidWorks/Simulation插件，建立新算例。添加約束時，在土壤模型底面和輪胎模型輪轂處添加固定鉸鏈約束。采用實體網(wǎng)格劃分，為了使仿真分析精度提高，選擇高品質(zhì)網(wǎng)格。由于輪胎與土壤接觸部位容易產(chǎn)生較大應(yīng)力設(shè)置較大密度網(wǎng)格，其余部分設(shè)置較小密度網(wǎng)格，這樣不但可以提高仿真分析精度，而且可以控制計算規(guī)模，減少仿真分析時間。機器人在農(nóng)田中工作時，如果機器人輪胎對土壤的載荷超過土壤的屈服強度，易使輪胎陷入土壤中無法進行正常工作，因此選擇土壤的屈服強度10MPa作為有限元分析邊界條件。
2.2.1靜止時輪胎-土壤相互作用有限元分析
靜止?fàn)顟B(tài)下，由于機器人本體質(zhì)量。機器人同時具備飛行、行走兩種運動方式，本體質(zhì)量較大，因此靜止?fàn)顟B(tài)下輪胎向土壤施加的壓力確定為40N。利用Simulation插件對模型進行有限元分析，應(yīng)力的主要分布區(qū)域為輪胎與土壤接觸的區(qū)域，最大的應(yīng)力為0.054MPa。輪胎位移和土壤位移都集中在兩者接觸的區(qū)域，并隨著離接觸區(qū)的距離增大逐漸減小，最大位移為5.12mm。
2.2.2行進過程中輪胎-土壤相互作用有限元分析
行進瞬時狀態(tài)下，由輸出軸給輪胎的轉(zhuǎn)矩、輪胎向土壤施加載。機器人在農(nóng)田中行走時需要克服較大的地面阻力，因此輪胎向土壤施加的轉(zhuǎn)矩確定為25N/m。利用Simulation插件對模型進行有限元分析，其應(yīng)力分布、位移分布情況可以看出:輪胎前進方向一側(cè)土壤應(yīng)力較大，最大的應(yīng)力為1.12MPa;輪胎前進方向一側(cè)土壤位移較大，最大位移為10.63mm。
2.3有限元仿真結(jié)果分析
通過以上有限元仿真分析，可以得到不同載荷下輪胎-土壤相互作用的應(yīng)力、位移值。通過比較機器人靜止、行進時的應(yīng)力值及位移值，可以看出:當(dāng)重力為40N、扭矩為25N/m時，土壤應(yīng)力值最大為1.12MPa，小于土壤的屈服強度10MPa。因此，輪胎不會陷入土壤中，使機器人具有較高的環(huán)境適應(yīng)性。
3樣機行走試驗
為了保證行走機構(gòu)搭載飛行機構(gòu)和各種傳感器后，依然可以具備良好的行走性能和跨越溝壑的能力，進行了智能溫室田間行走能力測試。結(jié)果表明:負載后的行走機構(gòu)依然具有良好的行走性能，可以滿足整機實現(xiàn)田間行走的所有功能要求。
4結(jié)論
1)通過對輪胎-土壤的相互作用力學(xué)模型進行有限元仿真分析可以看出:無論機器人處于靜止?fàn)顟B(tài)，還是行走狀態(tài)，其輪胎都不會陷入土壤中。
2)對機器人行走機構(gòu)前懸架模型進行動力學(xué)仿真分析可以看出:在機器人受到不平路面引起的沖擊載荷時，采用雙橫臂獨立式懸架結(jié)構(gòu)可以減小機器人行走機構(gòu)的輪胎定位參數(shù)的變化，從而提高了機器人在農(nóng)田中行走的穩(wěn)定性。
參考文獻:
[1]薛雪.車輛輪胎與土壤接觸變形的有限元分析[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016.
[2]倫佳琪.基于輪胎沉陷量的輪胎與土壤接觸試驗及有限元分析[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2016.
[3]黃杰文，黃菊花.利用ADAMS/car對雙橫臂懸架的動態(tài)仿真與分析[J].現(xiàn)代制造工程，2010(3):127-131.
[4]王行，陽林，彭仁杰.基于ADAMS的FSAE賽車前懸架優(yōu)化設(shè)計[J].廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013(3):105-108.
[5]李軍，邢俊文，覃文潔，等.ADAMS實例教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2002.
[6]陳鋒華.ADAMS2012虛擬樣機技術(shù)從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社，2013.
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