气动仿生农业机器人的设计与实现.pdf

ZENG Jing-zhiHydraulics Pneumatics&Seals/No.3.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.03.015气动仿生农业机器人的设计与实现曾敬植（电子科技大学机械与电气工程学院,四川成都6 117 3 0）摘要：基于第十届全国大学生机械创新设计大赛（慧鱼组），介绍了一种基于气动控制系统简单、高效等特点的用于农业领域的气动仿虾蚓运动的农业机器人设计方案，包括机械结构设计、气动回路设计和远程监控系统设计，最后对该机器人进行了调试与实现。其具备的多功能让其具有一定的推广应用价值。关键词：气压驱动系统；农业机器人；仿生机械中图分类号：TH138Design and Implementation of Pneumatic Bionic Agricultural Robot(School of Mechanical and Electrical Engineering,University of Electronic Science and Technology,Abstract:Based on the 1Oth National College Mechanical Innovation Competition(Fischertechnik Group),this paper introduces a designscheme of a pneumatic earthworm like agricultural robot for agricultural field based on the characteristics of simple and efficient pneumaticcontrol system,including mechanical structure design,pneumatic loop design and remote monitoring system design.Finally,the robot isdebugged and realized.Its multi-function makes it have certain promotion and application value.Key words:pneumatic drive system;agricultural robot;bio-simulation machinery0引言农业技术是国民经济发展的基础，农业发展水平直接影响到国民经济的发展和社会运行的稳定 1。进人2 1世纪以来，随着科学技术的进步和发展,机器人也逐渐开始走向“农田”，各种为农业设计的机器人开始出现在田野中，从而实现农业的智能化,逐渐解放农民的双手。农业机器人在降低农民劳动强度，改善农民劳动环境和提高作业效率等方面具有重要意义 2 。运用农业机器人可全部或部分替代人或辅助人高效、便捷、安全、可靠地完成特定的、复杂的农业生产任务，降低劳动强度，提高劳动效率 3 。基于第十届全国大学生机械创新设计大赛（慧鱼组)主题要求一一仿生机械,本研究介绍了一款基于气动仿生蚯蚓的农业机器人 4-7 蚯蚓机器人。机械仿生是通过机械结构模拟生物形态与控制原收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 4作者简介：曾敬植（2 0 0 2-）,男,广东阳江人，本科生,研究方向为电气工程及其自动化。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 3-0 0 8 3-0 6Chengdu 611730,China)理,并对某些生物特征进行机械强化的制造工业中的热点问题 8 1。目前，仿生机械学的研究和运用从所取得的成果看，利用生物界的许多有益构思来发展技术是未来的发展方向，因此机械智能化必将是机构工程的发展方向之一。近几年来，各类仿生机械机器人不断涌现。但是关于仿生蚯蚓机器人的研究却较少。刘亭羽研究的仿生气动软体蠕动机器人 ，王立军等关于蜥蚓运动特征仿生筛筛上玉米脱出物运动特性的研究 10 ,姚久元基于蚯蚓波纹润滑体表的仿生开沟器优化的研究 以及何子瀚等研究的仿蚯蚓移动机器人 12 1是近几年来为数不多的关于蚯蚓的研究。现有的蚯蚓机器人以及大多数仿生机械都是采用电路驱动元件实现驱动功能，辅以电路控制实现特定的功能。传统的运动部件采用电机驱动,往往操作复杂,维护难度大,同时对使用人员的要求较高。此外传统采用电机驱动的方式，对环境的要求较高，适应性较差。而本研究采用气动作为驱动方式，气力驱动结构简单,并且具有缓冲功能，成本低廉、速度快、无污染，同时还可适应雨雪等恶劣天气环境 13 ，从而很好地避免了电机驱动的缺点。83液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期1方案设计本研究的方案设计包括机械部分、气压驱动部分和环境变量采集部分三大部分。1.1机械结构设计方案本研究的机械结构设计包括尾部结构设计、转向装置设计、头部装置设计和松土机构设计。1）尾部结构设计研究的尾部结构依托真空吸盘、真空发生器、尾部气缸等元件构成。尾部装置上安装有第一真空发生器，第一真空发生器与第一真空吸盘气路相连。尾部气缸的活塞杆上套设有尾部气缸弹簧，尾部气缸弹簧位于尾部气缸的缸体内，活塞杆伸出时能够对尾部气缸弹簧进行压缩,活塞杆缩回则靠弹簧复位。通过第一连杆和第二连杆之间的相对运动,从而使得尾部装置和转向装置之间进行对应的运动。头部装置转向装置弹簧转向装置第一气缸图1车转向装置原理示意图2）转向装置设计图1所示为研究转向装置原理示意图。转向装置采用弹簧和气缸结合的方式，实现躯体的气动转弯功第二真空发转向装置转向装置生器尾部/气缸第二真空吸盘6YA第一真空发生器能。转向装置包括转向装置主体、转向装置第一气缸和转向装置第二气缸,转向装置第一气缸和转向装置第二气缸安装在转向装置主体内。3）头部装置设计头部装置上设有头部气缸和头部装置连杆，头部装置连杆包括互相铰接的头部装置第一连杆和头部装置第二连杆，头部装置第一连杆的端部与头部装置相连。此外，头部装置还安装有指示灯。当头部下降，松开行程开关，电路导通，指示灯亮。4）松土机构设计松土机构包括松土电机和松土刀，松土刀与松土电机的转轴相连，松土电机工作时带动松土刀转动。1.2气压驱动系统设计虾蚓机器人气压驱动系统的采用Visio设计原理图如图2 所示，控制尾部气缸工作的电磁阀代号为1YA,控制转向装置第一气缸工作的电磁阀代号为2YA,控制转向装置第二气缸工作的电磁阀代号为3YA，控制头部气缸工作的电磁阀代号为4YA、5 YA，控制第二真空发生器工作的电磁阀代号为6 YA，控制第一真空发生器工作的电磁阀代号为7 YA。根据图2 的气压驱动系统设计，使用软件转向装置FluidSim-P进行仿真检查。仿真中采用单作用缸替代第二气缸实际使用的双作用缸,从而代替转向装置弹簧的效果。经检验仿真结果无误，即所设计的气压驱动系统回路无误，能够达到理想中的运动状态。仿真气动回路以及气缸在机器人处于不同状态时的工作状态图如图3、图4所示。头部第一气缸第二气缸气缸第一真空吸盘1YA7YA天工Y4YAYMLW图2 气压驱动系统设计84Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.20242尾部气缸转向装置第一气缸车转向装置第二气缸头部气缸真空发生器223YA1白322IYAZILM2YAZILIM白331第二真空吸盘M真空发生器224YAZIWSYAZILIW白3白32第一真空吸盘图3 气动回路图2）气压驱动转向装置工作原理元件描述单作用缸尾部气缸25mm50m双作用缸头部气缸25Fmm50单作用缸转向装置25F第一气缸mm50单作用缸转向装置25第二气缸mm图4气缸在机器人处于不同状态时的工作状态图1）气压驱动前行工作原理蚓机器人要向前蠕动时，电磁阀7 YA通电，打开第一真空发生器。第一真空吸盘在真空发生器的作用下产生真空吸附力，通过真空吸附力，第一真空吸盘紧紧吸附地面。第一真空吸盘吸附地面后,控制相应电磁阀通电开关，控制尾部气缸开始通气，尾部气缸的活塞杆向前伸出，从而推动尾部气缸前面的机构整体向前移动。当尾部气缸的活塞杆往前伸出后，位于前部的第二真空吸盘经过第二真空发生器的工作产生真空吸附力进行吸附地面，第二真空吸盘吸附地面后,实现前面机构的固定。控制第一真空发生器停止工作，使得第一真空吸盘停止吸附地面，连接尾部气缸的电磁阀也开始停止工作,在弹簧弹性势能的作用下,后部的躯体被带动向前移动，从而实现整体的向前移动。标识0105020304050在进行转向时，首先电磁阀7 YA通电,第一真空吸盘开始工作,紧紧吸住地面。若要向右转（左转）,则控制连接着转向装置第一气缸（转向装置第二气缸)气缸的电磁阀2 YA（电磁阀3 YA），对应气缸开始通气从而牵动中间弹簧,实现前面躯体的右转（左转）。电磁阀6YA通电，第二真空吸盘开始工作吸附地面，电磁阀7YA断电，第一真空吸盘停止工作。转弯处气缸排气，弹簧恢复原状时产生的拉力将会带动后部分向右前（左前)方向移动,从而实现了转向装置的转弯功能。3）松土工作原理当本研究到达指定位置后，第一真空吸盘和第二真空吸盘开始工作，实现本研究的固定支撑。头部气缸在电磁阀4YA通电的作用下通气，从而使得头部下降，松开行程开关，电路导通，指示灯亮，松土电机开始工作。松土电机开始工作后，松土电机带动松土刀工作，从而模仿蚯蚓的松土动作。当松土完成后，头部气缸在电磁阀4YA断电、电磁阀5 YA通电的作用下排气，从而使得松土机构上升。松土机构上升后触发行程开关，电路断路，松土电机停止工作。根据以上气压驱动系统设计原理，得出电磁阀与运动状态控制表如表1所示。1.3王环境变量采集装置设计环境变量数据采集模块和无线通信模块安装在尾部装置上，其采集数据后传输到可视化设备中，整个数据传输流程如图5 所示。环境变量数据采集模块包括温湿度传感器和单片机，单片机的主控芯片和无线通85液压气动与密封/2 0 2 4年第3 期信模块相连，环境变量数据采集模块将温湿度传感器所采集到的数据经过单片机的主控芯片处理后由无线通信模块上传到阿里云服务器中。表1电磁阀与运动状态逻辑控制表1YA2YA3YA4YA5YA6YAYA后部吸盘工作+向前行进+头部吸盘工作+后部吸盘停止工作+收缩向右转头向左转头低头拾头服务器NB-IoT基站图5远程监测系统的原理图根据以上设计方案，研究的设计整体外观图如图6所示。仿菱形连杆机构无线通信模块头部气缸品一松土刀T第一真空吸盘尾部气缸转向装置第二真空吸盘图6 研究的原理图由以上设计方案，结合相关参考文献后进行调试与实现，最终做出的研究实物如图7 所示。2数据分析2.1真空发生器参数本研究所采用的真空发生器为SMC卡爪型高真空86型ZU05S,标准供给压力为0.45MPa,最高供给压力为0.6MPa,在标准供给压力时的相关参数如表2 所示。+十+可视化环境变量数据采集模块无线通信模块NB-IoT芯片天线SIM卡图7研究的实物图表2真空发生器参数供气压力最大真空度最大真空流量空气消耗量+MPa+0.45+主控芯片单片机STM32指示灯松土电机kPa-852.2真空吸盘参数本研究所采用的真空吸盘为硕维PBK-15,直径为15mm，吸附面积约为1.7 7 cm。真空吸盘吸力可近似计算为4 式中,F吸盘吸力，NP吸盘内真空度,PaD吸盘直径,mn一吸盘数量ki 安全系数,一般取1.2 2.0k工作情况系数，一般取1.1 2.5ks一方位系数，当吸盘垂直吸附时,ks=1/f,f为摩擦系数研究在运动时采用一个吸盘固定。在本研究中取n=1,p=-85 kPa,D=15 mm,ki=1.2,kz=1.1,ks=4,理论上吸附重量能达到近2.8 N的力量。2.3环境变量采集数据分析由机器人搭载的单片机通过温湿度传感器采集数据后，通过无线通信模块上传到阿里云服务器上，并且能够实时监测当前环境温湿度数据，也能清晰地看到前一时间的数据,图8、图9 为2 4h内的温湿度变化曲线图。通过阿里云服务器的可视化数据，能够得到当前监测环境的温湿度数据，确保了操作者能够及时得到当前环境数据，助力决策的进行。3结论本研究通过上述分析及实践设计出的基于气动仿NL min*17nDp4hki,k2ksNL min19Hydraulics Pneumatics&Seals/No.3.20242022-09-19 07:19:47JI Jiangtao,ZHENG Zhihua,DU Mengmeng,et al.Current80r.value:70604020006:5030F252015105007:47生蚯蚓的农业机器人的机械结构设计、驱动系统设计、远程监控系统设计为智慧农业的实现提供了理论基础和设计思路。一方面本研究通过远程松土解放劳动力，一定程度上提高耕作效率；另一方面能够实时监测环境温湿度数据，从而为农业工作者决策提供相关信息。希望通过介绍能够衍生出更多应用于我国农业的仿生产品，打造我国的智慧农业体系，为我国的智慧农业、智能农业建设添砖加瓦。通过此次比赛，从一开始的选题方向，到开始规划研究、设计研究,再到用慧鱼零件搭建研究、调试研究，设计与仿真气动回路，最后参与比赛。在这个过程中，从实践中提高了个人的动手创造能力、设计能力以及领悟到团队意识，并懂得了如何将理论知识运用到实践当中。在此也非常感谢全国大学生机械创新设计大赛组委会为广大学生提供这样的一个学习平台。相信在未来能够有更多的大学生通过这样的比赛锻炼自己的个人能力，从中学习与成长。参考文献1张琛.农业机器人的研究现状及未来发展方向展望J.农业开发与装备，2 0 2 2（6）：2 6-2 8.ZHANG Chen.Research Status and Future Development ofAgricultural Robots J.Agricultural Development&Equipments,2022(6):26-28.2姬江涛,郑治华,杜蒙蒙，等.农业机器人的发展现状及趋势J.农机化研究,2 0 14(2)：1-4.Situation and Development Tendency of Agriculture RobotJ.Journal of Agricultural Mechanization Research,2014(2):1-4.3侯方安，祁亚卓，崔敏.农业机器人在我国的发展与趋势J.农机科技推广,2 0 2 1(2)：2 5-2 7,3 3.07:0007:10图8 224h温度变化曲线2022-09-19 01:08:18.value:26LLI11:4715:47图9 2 4h湿度变化曲线07:20/点：分19:4723:47/点：分07:3007:4003:4707:5007:47HOU Fangan,QI Yazhuo,CUI Min.Development andTrend of Agricultural Robots in China J .A g r ic u lt u r eMachinery Technology Extension,2021(2):25-27,33.4 王宁，韩雨晓，王雅萱，等.农业机器人全覆盖作业规划研究进展J.农业机械学报,2 0 2 2,53（s1：119.WANG Ning,HAN Yuxiao,WANG Yaxuan,et al.ResearchProgress of Agricultural Robot Full Coverage OperationPlanning J.T r a n s a c t io n s o f t h e C h in e s e So c ie t y o fAgricultural Machinery,2022,53(s1):1-19.5孙叶丰.农业机器人发展现状及展望J.现代农业研究，2022,28(3):92-94.SUN Yefeng.Development Status and Outlook of AgriculturalRobots J.Modern Agriculture Research,2022,28(3):92-94.6刘成良，贡亮，苑进，等.农业机器人关键技术研究现状与发展趋势J.农业机械学报,2 0 2 2,53（7)：1-2 2,55.LIU Chengliang,GONG Liang,YUAN Jin,et al.CurrentStatus and Development 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Hydraulics&Pneumatics,2005(1):3-4,2.2024年1月工程机械行业主要产品销售快报之一挖掘机据中国工程机械工业协会对挖掘机主要制造企业统计，2 0 2 4年1月销售各类挖掘机12 3 7 6 台，同比增长18.5%，其中国内542 1台，同比增长57.7%；出口6 9 55台，同比下降0.7 3%。2 0 2 4年1月销售电动挖掘机12 台（6 吨级以下1台，18.5至2 8.5吨级11台）。装载机据中国工程机械工业协会对装载机主要制造企业统计，2 0 2 4年1月销售各类装载机7 8 0 2 台，同比增长18.9%。其中国内市场销量3 7 44台，同比增长54.1%；出口销量40 58 台，同比下降1.7 9%。2 0 2 4年1月销售电动装载机3 7 0 台（3 吨6 台，5吨2 7 1台，6 吨9 0 台，7 吨1台，8 吨2 台）。平地机据中国工程机械工业协会对平地机主要制造企业统计，2 0 2 4年1月销售各类平地机57 2 台，同比增长8.95%，其中国内9 2 台，同比增长7 3.6%；出口48 0 台，同比增长1.6 9%。汽车起重机据中国工程机械工业协会对汽车起重机主要制造企业统计，2 0 2 4年1月销售各类汽车起重机16 14台，同比增长3 1%，其中国内8 53 台，同比增长19.5%；出口7 6 1台，同比增长46.9%。履带起重机据中国工程机械工业协会对履带起重机主要制造企业统计，2 0 2 4年1月销售各类履带起重机19 9 台，同比增长13.7%，其中国内6 6 台，同比增长40.4%；出口13 3 台，同比增长3.9 1%。随车起重机据中国工程机械工业协会对随车起重机主要制造企业统计,2 0 2 4年1月销售各类随车起重机2 0 0 1台，同比增长43%，其中国内16 2 8 台，同比增长3 7.4%；出口3 7 3 台，同比增长7 4.3%。摘自中国液压气动密封件工业协会公众号88