植物工廠物流搬運裝備關(guān)鍵部件的設計與試驗 眭 旸 毛罕平 徐海波 邢高勇 江蘇大學 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與技術(shù)教育部重點實驗室 江蘇 鎮(zhèn)江 212013 摘 要 針對我國立體栽培式植物工廠相關(guān)的物流搬運裝備方面的研究尚少及現(xiàn)有的裝備存在著移動靈活性 差 定位精度低等問題 以植物工廠內(nèi)部栽培板的物流搬運任務為出發(fā)點 對植物工廠物流搬運裝備的 AGV Au tomated Guided Vehicle 移動底盤和搬運機械臂等關(guān)鍵部件進行了結(jié)構(gòu)設計 并對搬運機械臂進行了運動學仿真 分析 在 0 4 1 2 2 0 2 8m4 個作業(yè)高度下對搬運機械臂進行定位誤差試驗 結(jié)果表明 最大誤差值在機械臂 整體運動誤差所允許的范圍之內(nèi) 且方差分析證明了作業(yè)高度對定位誤差有顯著影響 即隨著作業(yè)高度的增加 定位精度隨之降低 關(guān)鍵詞 植物工廠 物流搬運裝備 AGV 底盤 機械臂 中圖分類號 S237 文獻標識碼 A 文章編號 1003 188X 2020 11 0111 06 0 引言 植物工廠是一種通過計算機對設施內(nèi)的溫度 濕 度 光照 二氧化碳濃度及營養(yǎng)液等環(huán)境因素進行高 精度自動控制 從而創(chuàng)造適宜作物生長發(fā)育的外界環(huán) 境 進而可以實現(xiàn)作物周年高效可持續(xù)生長且生產(chǎn)過 程為自動化作業(yè)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng) 也是一種不受或很少受 外界自然條件制約的技術(shù)高度密集型 資源高效利用 型生產(chǎn)方式 1 但是 植物工廠也存在著勞動生產(chǎn)力 增大的問題 因此加快植物工廠生產(chǎn)的自動化進程以 降低成本是發(fā)展植物工廠的必經(jīng)之路 2 3 國內(nèi)外的設施農(nóng)業(yè)物流裝備普遍應用于解決溫室 內(nèi)大面積苗床或種植槽的物流搬運問題 而有關(guān)植物 工廠自動化生產(chǎn)的裝備研究尚少 日本神內(nèi)植物工 廠的移栽收獲機器人可在栽培車間上方軌道上行走 和定位 通過光電傳感器進行精確定位 定位精度較 高 但靈活性較差 4 江蘇大學周亞波等開發(fā)了一套 植物工廠栽培板搬運系統(tǒng) 由動軌 靜軌 電動小車和 機械手組成 與神內(nèi)植物工廠的機器人相比 該系統(tǒng) 的定位靈活性更好 但由于剪叉式升降機構(gòu)的約束不 足導致機械手定位誤差較大 5 收稿日期 2019 05 27 基金項目 國家重點研發(fā)計劃項目 2018YFF0213601 國家自然科學 基金項目 61771224 31671584 江蘇省高等學校自然科 學研究項目 18KJA416001 作者簡介 眭 旸 1993 男 山西陽泉人 碩士研究生 E mail 522812770 qq com 通訊作者 毛罕平 1961 男 浙江寧波人 教授 博士生導師 E mail maohp ujs edu cn 針對以上問題 以江蘇大學植物工廠為背景 對 其物流系統(tǒng)的 AGV 移動底盤和機械臂進行了結(jié)構(gòu)設 計 運動學仿真和試驗研究 以提高物流搬運裝備的 柔性 靈活性和定位精度等性能 1 AGV 移動底盤結(jié)構(gòu)設計 1 1 驅(qū)動單元 為了盡量減小整個底盤的定位誤差 提高位姿糾 偏能力 基于狹長型底盤的外形限制 設計的底盤機 構(gòu)如圖 1 所示 1 萬向輪 2 驅(qū)動輪 3 霍爾傳感器 4 頂升機構(gòu) 5 懸掛系統(tǒng) 6 無刷直流電機 圖 1 底盤結(jié)構(gòu)示意圖 Fig 1 Chassis structure diagram 底盤上的前后兩個驅(qū)動單元分別負責前后部分的 移動和糾偏 每個驅(qū)動單元包括 2 個驅(qū)動輪 2 個無 刷直流電機及電機驅(qū)動 4 個萬向輪 1 套懸架系統(tǒng)和 1 個霍爾傳感器 兩個驅(qū)動單元之間的鋼材殼體負責 111 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 DOI 10 13427 ki njyi 2020 11 020 承載系統(tǒng)的電源和底盤控制組件的安裝 驅(qū)動輪的直徑為 120mm 材質(zhì)為聚氨酯 該材料 有利于增加輪子與地面之間的摩擦力 兩輪分別由兩 個電機獨立驅(qū)動 安裝于同一個懸掛系統(tǒng)上 懸掛系 統(tǒng)通過減震機構(gòu)與車架相連 6 驅(qū)動單元的 4 個角 安裝有 4 個高強度尼龍材質(zhì)的萬向從動輪 可實現(xiàn)底 盤的無障礙轉(zhuǎn)向 單輪可載重 300kg 前后驅(qū)動單元 靠外的位置分別裝有一個霍爾傳感器 負責底盤導航 路徑的跟蹤 1 2 減震機構(gòu) 為了小車底盤在路面不平整的情況下保持車身穩(wěn) 定 即實現(xiàn) 4 個驅(qū)動輪和 8 個萬向輪所組成的 12 輪 AGV 與地面形成有效接觸 需利用驅(qū)動輪的減震特 性 基于以上考慮 設計了如圖 2 所示的減震機構(gòu) 1 頂升蓋 2 安裝板 3 彈簧套筒 4 直線軸承 5 彈簧 6 懸架 7 驅(qū)動輪 圖 2 減震機構(gòu) Fig 2 Damping mechanism 在底盤裝配時 將驅(qū)動輪的安裝高度稍低于周圍 的萬向輪的安裝高度 使在 12 個輪子共同著地的情 況下減震彈簧處于被壓縮狀態(tài) 為驅(qū)動輪提供足夠的 摩擦力 在一個驅(qū)動單元中 兩個驅(qū)動輪安裝在同一 個懸架上 共用一個減震彈簧 彈簧上方是頂升蓋 頂 升蓋與懸架之間裝有導向桿保持機構(gòu)垂直運動 當 一個驅(qū)動輪被抬高時 另一個驅(qū)動輪仍可在彈簧的壓 力下與地面保持接觸 當兩個驅(qū)動輪同時被抬高時 整個減震機構(gòu)可以同步升起 所以 減震機構(gòu)的設計 既可以實現(xiàn)兩個驅(qū)動輪獨立減震 也可以實現(xiàn)整個機 構(gòu)整體減震 7 2 機械臂結(jié)構(gòu)設計 2 1 升降裝置結(jié)構(gòu)設計 升降裝置包括三級升降機構(gòu)和滾珠絲桿升降機 構(gòu) 如圖 3 所示 1 電動推桿 2 絲桿電機 3 第一級升降機構(gòu) 4 第二級升降機構(gòu) 5 第三級升降機構(gòu) 6 滾珠絲桿升降機構(gòu) 7 同步帶 圖 3 升降裝置 Fig 3 Lifting device 第一級升降機構(gòu)固定在底盤上 第二級升降機構(gòu) 在電動推桿的推動下 從第一級升降機構(gòu)框體內(nèi)部升 起至作業(yè)行程 此時電動推桿停止運動 在第二級升 降機構(gòu)上升的同時 帶動同步帶運動 同步帶拉動第 三級升降機構(gòu)實現(xiàn)同時啟動 同步上升 同時停止 停 止后 滾珠絲桿升降機構(gòu)底部電機開始運行 絲桿轉(zhuǎn) 動 帶動絲桿螺母向上運動 螺母上的安裝板連同左 右兩側(cè)的滑塊隨之向上運動 固定在機械臂末端的拉 繩位移傳感器將位移變化轉(zhuǎn)換成電壓量輸入控制器 控制器經(jīng)過比較后輸出脈沖控制絲桿電機調(diào)整升降 位移以實現(xiàn)升降機構(gòu)的精準定位 機械臂平移裝置裝載工作結(jié)束后 升降裝置需完 成下降動作 首先 滾珠絲桿升降機構(gòu)上的電機反 轉(zhuǎn) 絲桿反轉(zhuǎn) 帶動絲桿螺母向下運動 螺母上的安裝 板連同左右兩側(cè)的滑塊隨之向下運動直到零位時停 止 隨后 電動推桿開始回位 帶動第二級升降機構(gòu)完 成回位 同步帶拉動第三級同時完成回位 2 2 平移裝置的結(jié)構(gòu)設計 平移裝置共分為三級平移機構(gòu)和翻叉機構(gòu) 如圖 4 所示 211 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 1 升降裝置 2 第一級平移機構(gòu) 3 1 號滑軌 4 齒條 5 1 號電機 6 雙面齒同步帶 7 單面齒同步帶 8 2 號滑軌 9 翻轉(zhuǎn)電機殼 10 第二級平移機構(gòu) 11 第三級平移機構(gòu) 12 2 號電機 13 翻叉機構(gòu) 圖 4 平移裝置 Fig 4 Translation device 平移裝置未開始作業(yè)時 三級平移機構(gòu)堆疊組 合 均處于初始工位 升降裝置上升至任務高度后 平移裝置需要進行伸出動作完成取件作業(yè) 首先 1 號步進電機工作 帶動雙面齒同步帶在第一級平移機 構(gòu)的齒條上平移 第二級平移機構(gòu)隨之向右移動 滿 足行程要求后停止運動 然后 2 號步進電機工作 帶 動單面同步帶圍繞第二級平移機構(gòu)轉(zhuǎn)動 固定在同步 帶上的翻轉(zhuǎn)電機殼隨之在 1 號滑軌上向右平行移動 直到拉繩傳感器檢測到位移已達到參考值時 停止運 動 此時兩只翻叉伸入栽培板上安裝的鋁環(huán)中 最后 絲桿電機工作帶動整個平移裝置向上移動 翻叉將栽 培板抬起脫離栽培槽 栽培板取件過程如圖 5 所示 裝載栽培板結(jié)束后 需要完成回位動作 首先 2 號步進電機反轉(zhuǎn) 帶動單面同步帶順時針轉(zhuǎn)動 使得 翻轉(zhuǎn)電機殼在 2 號滑軌上向左移動至初始位置 隨 后 1 號步進電機反轉(zhuǎn) 帶動雙面齒同步帶順時針轉(zhuǎn) 動 實現(xiàn)第二級平移機構(gòu)在第一級平移機構(gòu)表面的齒 條上向左移動回初始位置 圖 5 栽培板取件示意圖 Fig 5 Schematic diagram of picking up cultivation board 2 3 機械臂的運動學分析 前文已經(jīng)介紹過通過 SolidWorks 建立的物流機械 臂的三維模型 為避免增加工作量造成冗余約束 需 對該模型進行簡化 把沒有運動關(guān)系的零部件刪除 將沒有運動關(guān)系且材質(zhì)相同的部件進行合并處理 將模型導入 ADAMS 中 添加約束 驅(qū)動函數(shù)和力 得 到負載狀態(tài)下機械臂的運動學仿真 通過仿真得到 了機械臂作業(yè)過程中各機構(gòu)的位移 速度和加速度等 運動參數(shù) 通過 AMDAS 的運動學仿真 得到了末端執(zhí)行器 翻叉機構(gòu) 的位移與速度變化曲線 如圖 6 和圖 7 所 示 圖 6 翻叉機構(gòu)位移變化曲線 Fig 6 eversible fork mechanism displacement curve 311 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 圖 7 翻叉機構(gòu)速度變化曲線 Fig 7 eversible fork mechanism speed curve 由圖 6 圖 7 可知 A B 表示第二級 第三級升降 機構(gòu)同時上升 B C 表示絲桿升降機構(gòu)上升 C D 對應的 I J 表示第二級 第三級平移機構(gòu)依次右移使 翻叉伸入栽培板鋁環(huán) D E 表示絲桿升降機構(gòu)抬起 栽培板 E F 對應的 K L 表示第三級 第二級平移 機構(gòu)依次左移回位 F G 表示絲桿升降機構(gòu)下降回 位 G H 表示第三級 第二級升降機構(gòu)同時下降回 位 由以上分析可知 翻叉機構(gòu)在運動過程中 z 方向 的位移在 0 2650mm 之間變化 初始位置和位移范圍 均符合第二章的設計要求 機械臂速度在 60 60 mm s 之間變化 整個運動過程中沒有加速度突變 波 動穩(wěn)定 符合運動規(guī)律 有利于翻叉機構(gòu)的穩(wěn)定裝載 驗證了機械臂運動方案的可行性 3 機械臂定位試驗 3 1 試驗設計 為了評價機械臂設計方案的可行性和工況下的定 位精度 通過測量搬運機械臂在作業(yè)時的運動誤差 分析其運動特性 實際搬運作業(yè)中 物流系統(tǒng)的搬運 機械臂是沿著栽培架上的不同高度的栽培槽進行定 位 所以試驗模擬了系統(tǒng)在不同目標高度下的機械臂 定位精度測試 試驗步驟如下 1 栽培架坐標系 如圖 8 所示 以第二列栽培 架第一層栽培槽第二個栽培板為起始工位 通過手動 對準的方式將機械臂的翻叉機構(gòu)對作業(yè)高度 h 分別 為 0 4 1 2 2 0 2 8m 時的 4 個栽培板上的叉取鋁環(huán) 中心實現(xiàn)對準定位 分別將 4 個高度下手動對準時拉繩 位移傳感器在 xyz3 個方向上的位移記錄下來 并以此 作為試驗中校驗測量誤差的參考位移值 圖 8 栽培架坐標系 Fig 8 Cultivation rack coordinate system 2 將機械臂回位 首先 令其自動定位到作業(yè)高 度 h 為 0 4m 的栽培板的鋁環(huán)中心 然后 記錄此時 xyz3 個方向上位移傳感器的實測位移值 令機械臂回 位 隨后 令機械臂按順序分別定位到作業(yè)高度 h 為 1 2 2 0 2 8m 的栽培板的鋁環(huán)中心 記錄 xyz3 個方 向上位移傳感器的實測位移值 每次測量之前都要使 機械臂回位至初始位置再開始 3 將步驟 2 重復進行 20 次 即對機械臂進行 20 次 4 個作業(yè)高度下的定位測量試驗 試驗如圖 9 所 示 3 2 試驗結(jié)果與分析 試驗過程中 通過手動調(diào)整機械臂得到了 4 個作 業(yè)高度下的 3 個方向的參考位移與采集到的 20 次實 測位移 結(jié)果參數(shù)如表 1 所示 411 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 1 AGV 移動底盤 2 升降裝置 3 平移裝置 4 生菜栽培板 圖 9 定位測量試驗 Fig 9 Cultivation rack coordinate system 由表 1 可知 當作業(yè)高度 h 分別為 0 4 1 2 2 0 2 8m 時 x 方向的位移誤差平均值依次為 0 5 0 2 0 7 0 5mm 誤差較小的原因是機械臂在 x 方向上無 運動且在結(jié)構(gòu)上有較多約束 存在的少量位移誤差是 平移裝置的自重導致機構(gòu)在 x 方向上產(chǎn)生的微小傾斜 而造成的 y 方向的位移誤差平均值依次為 1 9 3 7 5 1 5 7mm 誤差產(chǎn)生的原因一方面是由于在平移 裝置伸出取件的過程中 平移裝置的自重和負載導致 了機構(gòu)在 z 方向形成下彎傾斜 從而導致拉繩位移傳 感器的實測位移大于手動對準得到的參考位移 z 方 向的位移誤差平均值依次為 4 0 5 9 7 1 8 2mm 誤 差產(chǎn)生的原因一方面是由于平移裝置在 z 方向形成的 下彎傾斜導致了升降裝置需增加位移以補償傾斜產(chǎn) 生的誤差 為了分析作業(yè)高度對 3 個方向上的位移誤差的影 響 對以上結(jié)果進行方差分析 結(jié)果如表 2 所示 表 1 不同作業(yè)高度下的誤差均值和方差 Table 1 Error means and variances at different working heights 作業(yè)高度 h m x 位移均值 mm 誤差均值 mm 方差 y 位移均值 mm 誤差均值 mm 方差 z 位移均值 mm 誤差均值 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 不同作業(yè)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 上都存在著 P value 0 01 這意 味著作業(yè)高度 h 對 xyz3 個方向上的試驗誤差的影響 都較為顯著 隨著作業(yè)高度的下降 誤差減小 即作業(yè) 高度越低 定位精度越高 該結(jié)果產(chǎn)生的原因是由于 隨著作業(yè)高度的上升 定位行程隨之增加 導致機械 臂的慣性位移增加 使得定位誤差相應增加 4 結(jié)論 1 在不同作業(yè)高度下 機械臂在 xyz3 個方向上的 定位誤差均滿足機械臂的運動誤差 r 15mm 的要 求 符合機械臂結(jié)構(gòu)設計中的誤差控制準則 2 作業(yè)高度的變化對誤差的影響顯著 表現(xiàn)為作 業(yè)高度越低 誤差越小 定位精度越高 參考文獻 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 設施農(nóng)業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展 J 農(nóng)業(yè)裝備技術(shù) 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 楊其長 張成波 植物工廠概論 M 北京 中國農(nóng)業(yè)科 學技術(shù)出版社 2005 5 周亞波 毛罕平 胡圣堯 等 植物工廠栽培板自動搬 511 2020 年 11 月 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期 運裝置設計及試驗 J 農(nóng)機化研究 2017 39 5 135 139 6 劉娟 磁導式 AGV 導航系統(tǒng)研究與設計 D 廣州 華 南理工大學 2017 7 蔣小龍 AGV 差速驅(qū)動單元的減震結(jié)構(gòu)設計 J 機械 工程與自動化 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 頁 16 田素博 邱立春 張詩 基于 PLC 的 5 盤苗移栽機械手 控制系統(tǒng)設計 J 沈陽農(nóng)業(yè)大學學報 2007 38 1 122 124 17 史增芳 姜巖蕾 基于 PLC 監(jiān)測系統(tǒng)和遠程控制的玉米 播種機設計 J 農(nóng)機化研究 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 農(nóng) 機 化 研 究 第 11 期