3WP-200型智能植保机器人行走参数设计

张义胜， 侯心爱， 宫玉敏， 张希峰， 巩 彬， 王 维

(淄博市农业机械研究所，山东 淄博 255086)

我国丘陵山区地带占国土面积的10%[1]，广大的山区或丘陵地区，种植地块面积小，道路狭窄，大型植保机械不方便进入土地作业，因此，作为一个农业生产大国，小型智能植保机器人的研发，具有广阔的市场前景。

我国是果树种植大国，水果是我国主要的特色经济作物，其田间管理过程中存在作业环节多、用工量大、生产成本高等突出问题[2-4]，尤其果园植保机械发展较晚，机械化程度低[5]，发展还不完善，与欧美等发达国家相比还存在一定差距[6-7]。

为满足丘陵山区市场需求，立项研制3WP-200型智能植保机器人，该机型尺寸小，遥控自走式，四轮驱动，前进、倒退、转弯作业灵活，具有良好的地形适应性和通过性，容易进入丘陵山区狭小的地块作业。该机既适合丘陵山区果树农药喷洒作业，又适合大田农药喷洒作业。

由于丘陵山区地形不平、坡度大，植保机器人经常需要爬坡运行，爬坡能力成为考核植保机器人性能的重要指标。

针对植保机器人四轮驱动机构行走系统，对其行走速度、行走阻力、爬坡能力、驱动轮电机参数等进行了设计计算。

1 机器人行走系统简介

根据项目任务书的要求，3WP-200型智能植保机器人，其行走技术指标为：遥控自走式；四轮驱动；行进速度：2.4～9.6 km/h。

3WP-200型智能植保机器人，其行走系统由四轮驱动机构和转向机构组成。四个行走轮均安装有驱动电机，完成植保机器人的行走工作。四个行走轮上方均安装转向电机，完成植保机器人的转向工作。

植保机器人遥控操作，控制系统可控制前二轮或后二轮单独转向，也可控制四轮同时转向。轮胎可原地转动90°，转弯作业灵活。

2 机器人行走阻力计算

植保机器人空载质量G1=250 kg，即2 450 N。植保机器人满载质量G=450 kg，即4 410 N。

植保机器人上坡状态如图1所示，当植保机器人匀速行驶在角度为β的坡上。植保机器人满(空)载质量分解为对路面的正压力N和下滑力F。

N=Gcosβ

(1)

F=Gsinβ

(2)

轮胎与地面产生的摩擦力f：

f=Nμ=Gcosβμ

(3)

式中：μ为轮胎与土地面的摩擦系数，其数值为0.1～0.15[8]，这里按照0.14计算。

植保机器人匀速上坡行走，需克服阻力FZ：

FZ=F+f=Gsinβ+Gcosβμ

(4)

不同的上坡角度时，植保机器人行走阻力计算结果见表1。

表1 行走阻力计算结果

3 驱动轮所需驱动扭矩计算

植保机器人上坡运行时，驱动轮上需要的驱动扭矩为：

T=FZR

(5)

式中：T为驱动轮扭矩，nm；R为驱动轮半径，m；FZ为行走阻力，N。

不同的上坡角度时，植保机器人驱动轮上需要的驱动扭矩计算结果见表2。

表2 驱动扭矩计算结果

4 驱动轮电机参数设计

驱动轮转速为：

(6)

式中：v为行走速度，km/h；d为驱动轮直径，m；n为驱动轮转速，rpm。

根据项目任务书的要求，植保机器人的行进速度为2.4～9.6 km/h。这里按照植保机器人空载平地最高运行速度9.6 km/h计算。

根据式(6)计算得，驱动轮转速n=127.32 rpm。此时，植保机器人四个轮胎驱动电机运行需要的总功率W为：

(7)

式中：v为行走速度，km/h；W为电机总功率，W；FZ为行走阻力，N。

根据式(7)计算得，植保机器人四个轮胎驱动电机运行需要的总功率为915 W。单个轮胎驱动电机功率为229 W。

考虑到传动效率的影响，单个轮胎驱动电机功率设计为240 W，即四个轮胎驱动电机总功率设计为960 W。

由以上计算可知，驱动轮最高转速为127.32 rpm。

本次设计选用直流驱动电机，工作电压60 V。电机额定转速选用800 rpm左右，选用行星减速机，减速机减速比为6.3左右，其输出转速值符合满足驱动轮转速要求。

5 机器人行走速度计算

机器人最大行走速度v为：

(8)

式中：v为行走速度，km/h；W为电机总功率，960 W；FZ为行走阻力，N。

不同的上坡角度β时，植保机器人行走最大速度计算结果见表3。

表3 行走速度计算结果

6 轮胎驱动力计算

6.1 有关计算公式

6.1.1 驱动轮扭矩计算公式

驱动轮的扭矩为：

(9)

式中：T为驱动轮输出扭矩，nm；P为驱动轮输入功率，kW；n为驱动轮转速，rpm。

6.1.2 驱动轮驱动力计算公式

驱动轮驱动力为：

(10)

式中：F1为驱动轮驱动力，N；T为驱动轮输出扭矩，nm；R为驱动轮半径，m。

6.2 满载平地运行驱动力计算

由表3可以看出，植保机器人满载平地最高运行速度是5.5 km/h，根据式6计算得，驱动轮转速n=72.94 rpm。

根据式(9)计算得，驱动轮输出扭矩T=31.41 nm。

根据式(10)计算得，传递到单个驱动轮外园上的驱动力F1=157 N。传递到四个驱动轮外园上的总驱动力为628 N。

6.3 满载爬坡运行驱动力计算

由表3可以看出，当坡度为30°时，植保机器人满载最高运行速度是1.26 km/h，根据式(6)计算得，驱动轮转速n=16.71 rpm。

根据式(9)计算得，驱动轮输出扭矩T=137.15 nm。

根据式(10)计算得，传递到单个驱动轮外园上的驱动力F1=685.75 N。传递到四个驱动轮外园上的总驱动力为2 743 N。

6.4 空载平地运行驱动力计算

由表3可以看出，植保机器人空载平地最高运行速度是10 km/h，根据式(6)计算得，驱动轮转速n=132.63 rpm。

根据式(9)计算得，驱动轮输出扭矩T=17.28 nm。

根据式(10)计算得，传递到单个驱动轮外园上的驱动力F1=86.4 N。传递到四个驱动轮外园上的总驱动力为345.6n。

由以上设计计算可知，植保机器人坡上匀速运行时，驱动轮驱动力大于行走阻力，满足运行要求。

7 结论

(1)当轮胎与地面的摩擦系数较低时，可适当提高植保机器人的运行速度，反之应适当降低运行速度。当植保机器人处于非满载状态运行时，可适当提高运行速度，反之应适当降低运行速度。

(2)单纯从驱动力克服行走阻力的角度设计计算，植保机器人满载爬坡的行驶速度为1.26 km/h时，最大爬坡角度要低于30度；植保机器人器人满载的行驶速度为5.5 km/h时，最大爬坡角度为0°，即只能平地行走。

植保机器人空载爬坡，当坡度为0°时，即平地行走，最高行驶速度10 km/h；当坡度为30°时，最高行驶速度2.27 km/h。

考虑到上下坡稳定性要求，植保机器人实际爬坡角度要小于上述设计计算值。

(3)设计计算结果表明，各项参数的设计值符合项目任务书的要求。