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植物工厂物流搬运装备关键部件的设计与试验 眭 旸 毛罕平 徐海波 邢高勇 江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室 江苏 镇江 212013 摘 要 针对我国立体栽培式植物工厂相关的物流搬运装备方面的研究尚少及现有的装备存在着移动灵活性 差 定位精度低等问题 以植物工厂内部栽培板的物流搬运任务为出发点 对植物工厂物流搬运装备的 AGV Au tomated Guided Vehicle 移动底盘和搬运机械臂等关键部件进行了结构设计 并对搬运机械臂进行了运动学仿真 分析 在 0 4 1 2 2 0 2 8m4 个作业高度下对搬运机械臂进行定位误差试验 结果表明 最大误差值在机械臂 整体运动误差所允许的范围之内 且方差分析证明了作业高度对定位误差有显著影响 即随着作业高度的增加 定位精度随之降低 关键词 植物工厂 物流搬运装备 AGV 底盘 机械臂 中图分类号 S237 文献标识码 A 文章编号 1003 188X 2020 11 0111 06 0 引言 植物工厂是一种通过计算机对设施内的温度 湿 度 光照 二氧化碳浓度及营养液等环境因素进行高 精度自动控制 从而创造适宜作物生长发育的外界环 境 进而可以实现作物周年高效可持续生长且生产过 程为自动化作业的农业系统 也是一种不受或很少受 外界自然条件制约的技术高度密集型 资源高效利用 型生产方式 1 但是 植物工厂也存在着劳动生产力 增大的问题 因此加快植物工厂生产的自动化进程以 降低成本是发展植物工厂的必经之路 2 3 国内外的设施农业物流装备普遍应用于解决温室 内大面积苗床或种植槽的物流搬运问题 而有关植物 工厂自动化生产的装备研究尚少 日本神内植物工 厂的移栽收获机器人可在栽培车间上方轨道上行走 和定位 通过光电传感器进行精确定位 定位精度较 高 但灵活性较差 4 江苏大学周亚波等开发了一套 植物工厂栽培板搬运系统 由动轨 静轨 电动小车和 机械手组成 与神内植物工厂的机器人相比 该系统 的定位灵活性更好 但由于剪叉式升降机构的约束不 足导致机械手定位误差较大 5 收稿日期 2019 05 27 基金项目 国家重点研发计划项目 2018YFF0213601 国家自然科学 基金项目 61771224 31671584 江苏省高等学校自然科 学研究项目 18KJA416001 作者简介 眭 旸 1993 男 山西阳泉人 硕士研究生 E mail 522812770 qq com 通讯作者 毛罕平 1961 男 浙江宁波人 教授 博士生导师 E mail maohp ujs edu cn 针对以上问题 以江苏大学植物工厂为背景 对 其物流系统的 AGV 移动底盘和机械臂进行了结构设 计 运动学仿真和试验研究 以提高物流搬运装备的 柔性 灵活性和定位精度等性能 1 AGV 移动底盘结构设计 1 1 驱动单元 为了尽量减小整个底盘的定位误差 提高位姿纠 偏能力 基于狭长型底盘的外形限制 设计的底盘机 构如图 1 所示 1 万向轮 2 驱动轮 3 霍尔传感器 4 顶升机构 5 悬挂系统 6 无刷直流电机 图 1 底盘结构示意图 Fig 1 Chassis structure diagram 底盘上的前后两个驱动单元分别负责前后部分的 移动和纠偏 每个驱动单元包括 2 个驱动轮 2 个无 刷直流电机及电机驱动 4 个万向轮 1 套悬架系统和 1 个霍尔传感器 两个驱动单元之间的钢材壳体负责 111 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 020 承载系统的电源和底盘控制组件的安装 驱动轮的直径为 120mm 材质为聚氨酯 该材料 有利于增加轮子与地面之间的摩擦力 两轮分别由两 个电机独立驱动 安装于同一个悬挂系统上 悬挂系 统通过减震机构与车架相连 6 驱动单元的 4 个角 安装有 4 个高强度尼龙材质的万向从动轮 可实现底 盘的无障碍转向 单轮可载重 300kg 前后驱动单元 靠外的位置分别装有一个霍尔传感器 负责底盘导航 路径的跟踪 1 2 减震机构 为了小车底盘在路面不平整的情况下保持车身稳 定 即实现 4 个驱动轮和 8 个万向轮所组成的 12 轮 AGV 与地面形成有效接触 需利用驱动轮的减震特 性 基于以上考虑 设计了如图 2 所示的减震机构 1 顶升盖 2 安装板 3 弹簧套筒 4 直线轴承 5 弹簧 6 悬架 7 驱动轮 图 2 减震机构 Fig 2 Damping mechanism 在底盘装配时 将驱动轮的安装高度稍低于周围 的万向轮的安装高度 使在 12 个轮子共同着地的情 况下减震弹簧处于被压缩状态 为驱动轮提供足够的 摩擦力 在一个驱动单元中 两个驱动轮安装在同一 个悬架上 共用一个减震弹簧 弹簧上方是顶升盖 顶 升盖与悬架之间装有导向杆保持机构垂直运动 当 一个驱动轮被抬高时 另一个驱动轮仍可在弹簧的压 力下与地面保持接触 当两个驱动轮同时被抬高时 整个减震机构可以同步升起 所以 减震机构的设计 既可以实现两个驱动轮独立减震 也可以实现整个机 构整体减震 7 2 机械臂结构设计 2 1 升降装置结构设计 升降装置包括三级升降机构和滚珠丝杆升降机 构 如图 3 所示 1 电动推杆 2 丝杆电机 3 第一级升降机构 4 第二级升降机构 5 第三级升降机构 6 滚珠丝杆升降机构 7 同步带 图 3 升降装置 Fig 3 Lifting device 第一级升降机构固定在底盘上 第二级升降机构 在电动推杆的推动下 从第一级升降机构框体内部升 起至作业行程 此时电动推杆停止运动 在第二级升 降机构上升的同时 带动同步带运动 同步带拉动第 三级升降机构实现同时启动 同步上升 同时停止 停 止后 滚珠丝杆升降机构底部电机开始运行 丝杆转 动 带动丝杆螺母向上运动 螺母上的安装板连同左 右两侧的滑块随之向上运动 固定在机械臂末端的拉 绳位移传感器将位移变化转换成电压量输入控制器 控制器经过比较后输出脉冲控制丝杆电机调整升降 位移以实现升降机构的精准定位 机械臂平移装置装载工作结束后 升降装置需完 成下降动作 首先 滚珠丝杆升降机构上的电机反 转 丝杆反转 带动丝杆螺母向下运动 螺母上的安装 板连同左右两侧的滑块随之向下运动直到零位时停 止 随后 电动推杆开始回位 带动第二级升降机构完 成回位 同步带拉动第三级同时完成回位 2 2 平移装置的结构设计 平移装置共分为三级平移机构和翻叉机构 如图 4 所示 211 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 1 升降装置 2 第一级平移机构 3 1 号滑轨 4 齿条 5 1 号电机 6 双面齿同步带 7 单面齿同步带 8 2 号滑轨 9 翻转电机壳 10 第二级平移机构 11 第三级平移机构 12 2 号电机 13 翻叉机构 图 4 平移装置 Fig 4 Translation device 平移装置未开始作业时 三级平移机构堆叠组 合 均处于初始工位 升降装置上升至任务高度后 平移装置需要进行伸出动作完成取件作业 首先 1 号步进电机工作 带动双面齿同步带在第一级平移机 构的齿条上平移 第二级平移机构随之向右移动 满 足行程要求后停止运动 然后 2 号步进电机工作 带 动单面同步带围绕第二级平移机构转动 固定在同步 带上的翻转电机壳随之在 1 号滑轨上向右平行移动 直到拉绳传感器检测到位移已达到参考值时 停止运 动 此时两只翻叉伸入栽培板上安装的铝环中 最后 丝杆电机工作带动整个平移装置向上移动 翻叉将栽 培板抬起脱离栽培槽 栽培板取件过程如图 5 所示 装载栽培板结束后 需要完成回位动作 首先 2 号步进电机反转 带动单面同步带顺时针转动 使得 翻转电机壳在 2 号滑轨上向左移动至初始位置 随 后 1 号步进电机反转 带动双面齿同步带顺时针转 动 实现第二级平移机构在第一级平移机构表面的齿 条上向左移动回初始位置 图 5 栽培板取件示意图 Fig 5 Schematic diagram of picking up cultivation board 2 3 机械臂的运动学分析 前文已经介绍过通过 SolidWorks 建立的物流机械 臂的三维模型 为避免增加工作量造成冗余约束 需 对该模型进行简化 把没有运动关系的零部件删除 将没有运动关系且材质相同的部件进行合并处理 将模型导入 ADAMS 中 添加约束 驱动函数和力 得 到负载状态下机械臂的运动学仿真 通过仿真得到 了机械臂作业过程中各机构的位移 速度和加速度等 运动参数 通过 AMDAS 的运动学仿真 得到了末端执行器 翻叉机构 的位移与速度变化曲线 如图 6 和图 7 所 示 图 6 翻叉机构位移变化曲线 Fig 6 eversible fork mechanism displacement curve 311 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 图 7 翻叉机构速度变化曲线 Fig 7 eversible fork mechanism speed curve 由图 6 图 7 可知 A B 表示第二级 第三级升降 机构同时上升 B C 表示丝杆升降机构上升 C D 对应的 I J 表示第二级 第三级平移机构依次右移使 翻叉伸入栽培板铝环 D E 表示丝杆升降机构抬起 栽培板 E F 对应的 K L 表示第三级 第二级平移 机构依次左移回位 F G 表示丝杆升降机构下降回 位 G H 表示第三级 第二级升降机构同时下降回 位 由以上分析可知 翻叉机构在运动过程中 z 方向 的位移在 0 2650mm 之间变化 初始位置和位移范围 均符合第二章的设计要求 机械臂速度在 60 60 mm s 之间变化 整个运动过程中没有加速度突变 波 动稳定 符合运动规律 有利于翻叉机构的稳定装载 验证了机械臂运动方案的可行性 3 机械臂定位试验 3 1 试验设计 为了评价机械臂设计方案的可行性和工况下的定 位精度 通过测量搬运机械臂在作业时的运动误差 分析其运动特性 实际搬运作业中 物流系统的搬运 机械臂是沿着栽培架上的不同高度的栽培槽进行定 位 所以试验模拟了系统在不同目标高度下的机械臂 定位精度测试 试验步骤如下 1 栽培架坐标系 如图 8 所示 以第二列栽培 架第一层栽培槽第二个栽培板为起始工位 通过手动 对准的方式将机械臂的翻叉机构对作业高度 h 分别 为 0 4 1 2 2 0 2 8m 时的 4 个栽培板上的叉取铝环 中心实现对准定位 分别将 4 个高度下手动对准时拉绳 位移传感器在 xyz3 个方向上的位移记录下来 并以此 作为试验中校验测量误差的参考位移值 图 8 栽培架坐标系 Fig 8 Cultivation rack coordinate system 2 将机械臂回位 首先 令其自动定位到作业高 度 h 为 0 4m 的栽培板的铝环中心 然后 记录此时 xyz3 个方向上位移传感器的实测位移值 令机械臂回 位 随后 令机械臂按顺序分别定位到作业高度 h 为 1 2 2 0 2 8m 的栽培板的铝环中心 记录 xyz3 个方 向上位移传感器的实测位移值 每次测量之前都要使 机械臂回位至初始位置再开始 3 将步骤 2 重复进行 20 次 即对机械臂进行 20 次 4 个作业高度下的定位测量试验 试验如图 9 所 示 3 2 试验结果与分析 试验过程中 通过手动调整机械臂得到了 4 个作 业高度下的 3 个方向的参考位移与采集到的 20 次实 测位移 结果参数如表 1 所示 411 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 1 AGV 移动底盘 2 升降装置 3 平移装置 4 生菜栽培板 图 9 定位测量试验 Fig 9 Cultivation rack coordinate system 由表 1 可知 当作业高度 h 分别为 0 4 1 2 2 0 2 8m 时 x 方向的位移误差平均值依次为 0 5 0 2 0 7 0 5mm 误差较小的原因是机械臂在 x 方向上无 运动且在结构上有较多约束 存在的少量位移误差是 平移装置的自重导致机构在 x 方向上产生的微小倾斜 而造成的 y 方向的位移误差平均值依次为 1 9 3 7 5 1 5 7mm 误差产生的原因一方面是由于在平移 装置伸出取件的过程中 平移装置的自重和负载导致 了机构在 z 方向形成下弯倾斜 从而导致拉绳位移传 感器的实测位移大于手动对准得到的参考位移 z 方 向的位移误差平均值依次为 4 0 5 9 7 1 8 2mm 误 差产生的原因一方面是由于平移装置在 z 方向形成的 下弯倾斜导致了升降装置需增加位移以补偿倾斜产 生的误差 为了分析作业高度对 3 个方向上的位移误差的影 响 对以上结果进行方差分析 结果如表 2 所示 表 1 不同作业高度下的误差均值和方差 Table 1 Error means and variances at different working heights 作业高度 h m x 位移均值 mm 误差均值 mm 方差 y 位移均值 mm 误差均值 mm 方差 z 位移均值 mm 误差均值 mm 方差 0 4 4 7 0 5 0 182 806 2 1 9 0 294 406 4 4 0 1 065 1 2 6 6 0 2 0 279 808 4 3 7 0 508 1208 8 5 9 1 104 2 0 11 2 0 7 0 252 817 2 5 1 0 890 2017 4 7 1 1 422 2 8 15 91 0 5 0 588 824 17 5 7 1 547 2825 08 8 2 2 683 表 2 不同作业高度下的方差分析 Table 2 Analysis of variance under different working heights 方向 F P value F crit x 5 09 1 02E 03 2 725 y 17 12 5 13E 06 2 725 z 10 14 5 65E 05 2 725 由表 2 可知 xyz 上都存在着 P value 0 01 这意 味着作业高度 h 对 xyz3 个方向上的试验误差的影响 都较为显著 随着作业高度的下降 误差减小 即作业 高度越低 定位精度越高 该结果产生的原因是由于 随着作业高度的上升 定位行程随之增加 导致机械 臂的惯性位移增加 使得定位误差相应增加 4 结论 1 在不同作业高度下 机械臂在 xyz3 个方向上的 定位误差均满足机械臂的运动误差 r 15mm 的要 求 符合机械臂结构设计中的误差控制准则 2 作业高度的变化对误差的影响显著 表现为作 业高度越低 误差越小 定位精度越高 参考文献 1 Kim J W Trend and direction for plant factory system J Journal of Plant Biotechnology 2010 37 4 442 445 2 毛罕平 设施农业的现状与发展 J 农业装备技术 2007 33 5 4 9 3 Kikuchi Y Kanematsu Y Yoshikawa N et al Environ mental and resource use analysis of plant factories with ener gy technology options A case study in Japan J Journal of Cleaner Production 2018 186 703 717 4 杨其长 张成波 植物工厂概论 M 北京 中国农业科 学技术出版社 2005 5 周亚波 毛罕平 胡圣尧 等 植物工厂栽培板自动搬 511 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期 运装置设计及试验 J 农机化研究 2017 39 5 135 139 6 刘娟 磁导式 AGV 导航系统研究与设计 D 广州 华 南理工大学 2017 7 蒋小龙 AGV 差速驱动单元的减震结构设计 J 机械 工程与自动化 2017 1 142 143 Design and Test of Key Components of Logistics Handling Equipment in Plant Factory Sui Yang Mao Hanping Xu Haibo Xing Gaoyong Key Laboratory of Modern Agriculture Equipment and Technology Ministry of Education Jiangsu University Zhenjiang 212013 China Abstract In view of the lack of studies on logistics handling equipments related to three dimensional cultivation plant factories in China the existing equipments have some problems such as poor mobility low positioning accuracy and so on Starting from the logistics handling task of cultivation boards in plant factory this paper designs the key components of the AGV Automated Guided Vehicle mobile chassis and the handling robotic arm of the logistics handling equipment in plant factory and carries out the kinematics simulation analysis of the handling robotic arm The positioning error test of the handling robotic arm is carried out at four operating heights of 0 4 1 2 2 0 and 2 8m The results show that the maximum error is within the allowable range of the overall motion error of the robotic arm The analysis of variance proves that the operating height has a significant influence on the positioning error that is with the increase of the operating height the positioning accuracy decreases accordingly Key words plant factory logistics handling equipment AGV chassis robotic arm 上接第 110 页 16 田素博 邱立春 张诗 基于 PLC 的 5 盘苗移栽机械手 控制系统设计 J 沈阳农业大学学报 2007 38 1 122 124 17 史增芳 姜岩蕾 基于 PLC 监测系统和远程控制的玉米 播种机设计 J 农机化研究 2016 38 9 126 130 Abstract ID 1003 188X 2020 11 0108 EA Design and Experiment of ice Machinery Seeding Control System Based on PLC Gong Minkun Guangxi Industrial Vocational and Technical College Nanning 530001 China Abstract The traditional rice planting is mainly based on sowing and seedling transplanting and the transplanting process takes a lot of manpower In recent years the loss of agricultural labor population has been severe leading to a shortage of labor in the traditional rice cultivation model ice mechanical live broadcast has higher production efficien cy saves labor costs and achieves higher yields At present the variety of rice live broadcast machinery is complete but there is a widespread problem that it is impossible to detect the missed broadcast and accurately adjust the seeding a mount In this paper a seeding quantity control system is designed with PLC as the core The actual seeding amount is calculated according to the mechanical driving speed and the seed falling signal After comparing with the set value a control command is generated to adjust the size of the hole on the seeding wheel and at the same time the seed box An alarm is issued for emptying or clogging of the pilot tube In field trials PLCs showed higher control accuracy than manu al controls The control system can promptly and accurately alarm all faults which is conducive to the mechanized preci sion sowing of rice and finally achieve high yield Key words precision seeding PLC seeding rice 611 2020 年 11 月 农 机 化 研 究 第 11 期