丘陵山地动力底盘发展现状与展望.pdf

第 卷 第 期 年 月林 业 机 械 与 木 工 设 备 .综 述丘陵山地动力底盘发展现状与展望向文博 汤晶宇 范志远 杨 兰 张丽平 王 东 寇 欣(.国家林业和草原局哈尔滨林业机械研究所黑龙江 哈尔滨.国家林业和草原局林业机电工程重点实验室黑龙江 哈尔滨.国家林业和草原局林业装备工程技术研究中心黑龙江 哈尔滨)摘 要:动力底盘是丘陵山地移动式动力机械的重要组成部分是决定丘陵山地机械化装备技术发展的关键 按底盘行走方式分类阐述了几种底盘的结构和性能特点提出了丘陵山地动力底盘与地面耦合机理、多功能轻量化、智能化和信息化的发展研究方向关键词:丘陵山地动力底盘研究现状发展趋势中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):.:收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目“油茶等木本油料轻简栽培和高效采收装备”()国家林业和草原局应急科技项目“油茶采收机械研发”()第一作者简介:向文博硕士研究生主要从事营林机械技术装备研究:.通讯作者:汤晶宇研究员硕士研究生导师硕士主要从事营林技术装备基础研究与开发:.丘陵是指海拔高度在 以下地面起伏小坡度较缓并且连成片的地区 山地是指海拔高度在 以上相对高度差 以上的高地地面起伏大坡度陡峭多以脉状分布 我国丘陵山地面积.亿 占国土总面积的.全国有 个省份(包括中国台湾地区)以上的地域是丘陵山地 丘陵山地动力底盘是指用于丘陵山地环境下的农林生产具有较好的爬坡和越障能力以及较第 期向文博等:丘陵山地动力底盘发展现状与展望高的行驶稳定性和平顺性的作业装备 我国的耕地主要集中在丘陵山区、高原据有关资料统计山区粮食产量及油料作物的产量占全国总产量的 左右 由于丘陵山地地形复杂高低起伏地面凹凸不平坡度大所以目前适合丘陵山地使用的农林机械较少主要依靠人工作业劳动强度大成本高效率低机械化程度与当前发展需求不匹配 因此实现丘陵山地机械化作业的前提是实现装备的“上山入林”解决装备底盘问题是发展丘陵山地作业装备的基础是实现装备顺利上山入林的关键底盘的好坏制约着丘陵山地机械化作业的发展丘陵山地动力底盘有多种不同的分类方式 按作业环境可分为果园、田间和设施动力底盘 果园作业底盘包括栽植抚育、喷药除草、采收运输等田间作业底盘包括播种施肥、除草浇水、采收运输等设施作业底盘包括森林灭火、林间巡检、信息收集等按行走方式的不同可分为轮式、履带式、轮履结合式和仿生式 本文按照行走方式的不同阐述了国内外丘陵山地动力底盘的研究现状结合不同环境分析了底盘的特点与适用场景在我国现阶段发展基础上对未来的发展方向进行展望为其发展提供参考 丘陵山地轮式动力底盘轮式动力底盘是以轮胎作为行走装置的移动平台是最常见的底盘形式之一具有结构简单、速度快、机动性强、质量轻的特点轮胎的刚度与地面相比较低对地表的破坏较小被广泛应用于拖拉机、林间抚育机、采收运输机等 轮式底盘可分为轮桥式和轮摆式共同点是都有折腰转向结构和轮式行走系统 轮桥式底盘按照轮胎数量不同又分为四轮、六轮和八轮三种 丘陵山地地形复杂、道路崎岖不平四轮底盘难以适应复杂的路况相关的应用和研究较少 六轮底盘自由度大车桥的左右摆动增加了轮胎与地面的接触面积避免了轮胎悬空造成的侧翻和倾覆增强了底盘的行驶稳定性和通过性八轮底盘结构与六轮类似多自由度的结构特点使得底盘可以根据路面变化情况动态调整车身行驶稳定性和通过性强其整体体积相对较大质量大多应用于林木采伐作业环境 轮摆式底盘是指具有摆臂结构的轮式底盘该结构将底盘上车架通过摆臂结构与轮胎连接在一起具有地形适应性强、动力强劲、通过性与稳定性好的特点孙治博等为提高林区作业机器人的越障平稳性实现智能化越障功能设计了一种主动摆臂六轮腿式底盘(图)底盘由前后两部分组成前半部分由前车架和两组双摆臂轮腿组成后半部分由后车架和两个独立的摆臂轮组成运动时通过轮腿的摆动和折腰转向能够实时调整车身平稳度以及轮胎与地面的接地面积保证了底盘行驶稳定性增强了底盘在林区作业的通过性和安全性图 主动摆臂六轮腿式底盘丁素明等针对丘陵山地果园植保机械通过性低的问题研发了一种低矮型自走式果园喷雾机动力底盘(图)采用液压四轮驱动提高了整车的动力性增强了爬坡和越障能力驾驶室前置发动机后置扩展驾驶员视野的同时保证了整体车辆的行驶稳定性在底盘后部增加了可铰接不同形式的雾化作业装置实现一机多用图 低矮型自走喷雾机底盘 公司生产的 六轮式收获机(图)采用前四后二的布置方式驾驶室置于底盘中部能实现 旋转保证驾驶员获得全方位视图增强作业安全性采用双液压驱动可同时驱动作业臂和末端执行器底盘前后连接采用铰接技术提高了底盘的转向能力增强了车辆灵活性程钰晶等为解决丘陵山地林用六轮摆臂底盘在林区崎岖路况下转向能力差等问题基于旋量理论设计了一种六轮摆臂底盘(图)改变摆臂液压缸的变化量调节底盘的高度和重心高度仿真实验表明整体稳定度提升 有效提高底盘的行走稳定性 王东等设计了振动式油茶果采收机六轮仿形高越障动力底盘解决丘陵山地复杂立地条件下油茶采收机械通过难的问题(图)底盘采用前置摆动仿形轮底盘工作平台安装采摘机械臂驾驶室后置重心后移提高了驾驶的安全性和行驶的稳定性爬坡能力强林业机械与木工设备第 卷图 六轮底盘收获机图 六轮摆臂底盘虚拟样机图 振动式油茶采收机底盘 丘陵山地履带式动力底盘履带式底盘是以履带作为行走装置的底盘主要由传动系、制动系、转向系、履带和回转轮(驱动轮、导向轮、支重轮和张紧轮)等组成 按履带材质的不同可分为橡胶履带底盘和钢制履带底盘按履带数量的不同又可分为双履带底盘和多履带底盘 履带式底盘通常将车架和履带部分焊为一个整体少部分采用前后车架铰接的连接模式 前者作为一体式底盘具有结构紧凑、转向半径小、机动灵活的特点后者与轮式底盘类似可看成是将履带作为轮式底盘的行走装置 履带式底盘具有较好的越障和爬坡能力稳定性好、牵引力大王斌斌等设计了履带自走式风送喷雾机(图)外形尺寸为 行驶速度最高可达./底盘机架与支重轮在中部铰接行驶时支重轮可绕铰接点转动 依据地形实时调整整车行驶状态有效降低行驶过程中受到的震动提高驾驶员舒适性与整车通过性能满足丘陵山地果园的喷雾需求图 自走式果园风送喷雾机杨子增等针对甘蔗在我国丘陵山地的种植特点设计了履带式自走切段收获机(图)履带宽度为.轨距为.满足当前甘蔗农艺种植要求在进行收割机作业的同时不会对其他甘蔗造成破坏 底盘采用“一”字型设计降低整车重心增加该收获机在丘陵山地的作业能力与环境适应性具有转向灵活、转弯半径小对甘蔗根系破坏小等特点图 型甘蔗收获机徐高伟等为解决现有电动式山地果园底盘动力不足的问题设计了一种新型电动自走式履带底盘(图)底盘利用无线遥控进行控制实现无人作业 通过控制两侧电机转速来调节履带行驶速度实现底盘的各种转向省略了差速器装置简化了底盘控制系统结构 最高行驶速度均值为./续航里程可.能满足果园作业动力与续航需求陈继清等为解决现有的以轮式拖拉机和卡车为承载车的绿篱修剪装备环境适应性差等问题第 期向文博等:丘陵山地动力底盘发展现状与展望图 电动自走式履带底盘设计了一款以履带底盘为承载结构的小型绿篱修剪机(图)通过试验得出结论:建立的底盘模型最大爬坡角 最大跨越壕沟宽度 最大翻越垂直壁高度 与轮式相比履带式底盘在狭窄、高低起伏不平等复杂路面有较好的通过性行驶稳定性、爬坡和越障能力都有所增强图 小型绿篱修剪机履带底盘孙术发等通过对第一代消防车履带底盘进行优 化 改 造 设 计 了 一 台 大 型 履 带 式 消 防 车()(图)履带底盘在结构上采用 个支重轮增大了轴间距与轨距增加了排障器装置在动力上将发动机功率提高到.改进后的履带式底盘有更高的行驶稳定性发动机动力的增强提高了底盘的爬坡和越障能力行进时能实时清除杂草、碎石等路障使得消防车能更快到达火灾现场图 履带式消防车韩振浩等为提高山地果园运输车在不同复杂地形下的通过性与适应性基于重心位置变化对运输机械作业性能的影响规律设计了重心自适应调控的山地果园运输车(图)通过控制可移动载物台的相对位置从而对底盘的重心位置进行实时调节使得整车最大牵引力、极限侧翻角、最大越障高度与跨越壕沟宽度均不同程度增加提高了果园山地运输车在复杂路况下的环境适应性图 重心自适应调控山地果园运输车祝露等设计了履带式林间草带收割机(图)采用履带底盘使得整机在林木间距小、地形狭窄、地表不平的路况下仍然有较好的通过性 使用旋转式切割器相较于往复式切割器对长势茂盛的硬质杂草具有更好的适应性同时提升了整机的适用性图 履带式林间草带收割机杜小强等设计了集采收于一体的履带式高地隙油茶果振动采收机(图)整机尺寸为 四个液压驱动三角履带轮为行走装置 设备动力强劲具有较好的行驶稳定性与通过性 丘陵山地轮履结合式动力底盘传统的轮式底盘具有机动灵活、速度快的特点适用于路况良好的地面可在相对崎岖、凹凸不平的路面通过履带式底盘能适应复杂路况在障碍和泥泞道路通过性高、越障能力强对地面原有结构有相林业机械与木工设备第 卷图 履带式高地隙油茶果采收机对破坏 针对两者在使用工况上的局限性和单一性国内外研究学者将两者结合研发出了轮履结合式移动底盘 根据结构不同轮履结合式底盘分为两类:一类是同时安装轮胎和履带两种行走装置第二类是采用轮履复合变形方式 轮履结合式底盘既有轮式底盘的高机动性和灵活性同时也具有履带式底盘较强的越障能力和稳定性的特点给未来林用动力底盘的发展提供了新的方向陈铭等结合轮式和履带式底盘在林业应用中的优缺点设计了轮履复合可变换底盘(图)由可变履带轮与车轮组成在以林地为主要作业环境时采用履带式行走模式当使用环境为正常地面时可以切换为轮式行走模式 通过地形的变换切换适宜的行走模式提高了底盘在不同路况下的环境适应性提高了整车的通过性图 轮履可变换底盘.履带张紧轮.前支撑架.履带支撑轮.中间支撑架.变形调节下杆.履带支撑轮.后支撑杆.车轮.车轮支撑杆.履带驱动轮.驱动轮支撑杆.变形调节上杆.铰接点.机架.履带胡军中等针对现有的轮履复合底盘操作复杂结构单一缺乏实用性等问题基于轮履复合技术提出了一种新型轮履变体式结构设计方案(图)轮履复合底盘包括液压驱动机构、伸展机构和变形轮等机构液压驱动机构调节变形履带实现轮履状态的切换 在普通路面上行驶时采用轮式状态在遇到障碍物时收缩在车轮表面的变形履带在伸展轮的拉力作用下延伸至三角履带状态利用履带轮顺利通过障碍物在雪地、泥泞和草地等复杂路面有较好的通过性与机动性图 变体轮整体聂建军等针对丘陵山地狭窄的工作环境设计了弓腰式移动底盘(图)采用前履后轮的布置方式履带轮为驱动轮当遇到无法越过的障碍物时履带轮抬起一定高度带动整车完成爬坡与越障 折腰转向的方式增加了底盘转向的灵活性更有利于在狭小地块工作 底盘上布置了两条传动路线能分别用于耕作与驱动工作图 弓腰式移动底盘.履带牵引驱动装置.发动机.从动车体装置.动力输出装置.车架.转向装置 丘陵山地仿生式动力底盘丘陵山地动力底盘需要在布满沟壑、山石障碍物以及植株的环境中工作地形复杂不确定性大轮式底盘灵活性强地形适应性和爬坡越障能力相对较差履带式底盘在非结构路面下的适应性优于轮式对丘陵山地的复杂地形适应也有局限性 研究人员从自然界中对地形适应能力极强的动物中获得灵感将目标转向仿生类底盘的研究美国波士顿公司设计的 机器人采用的是四足底盘质量为 长度约为.强大的第 期向文博等:丘陵山地动力底盘发展现状与展望平衡能力和环境适应性使得其能在山地行走自如是世界上第一个能在野外行走的机器人(图)年该公司又推出了 四足仿生机器人(图)与大型四足仿生机器人相比更小更轻在崎岖山地的适应能力更强图 波士顿公司仿生机器人 国内的仿生类底盘起步较晚取得了一些突出成果 宇数科技公司推出的一款名为“莱卡狗”四足机器人(图)高.、长.、宽.仅重 瞬时输出功率高达 它能在草地坡度左右的地形自主行走在外力的干扰下也能保持极强的稳定性图 莱卡狗机器人罗红艳等通过摄影机对生物狗运动轨迹的捕捉参考其生物学特征设计了一款仿生四足机器人(图)足端轨迹的 步态、步态分别以直线、多项式的方式规划仿真结果表明该设计能在规划的单一步态下平稳运动可完成快速步态切换张建婷等基于路径规划结合山羊行进步态、迈步顺序、各关节角变化范围等设计了仿山羊步态的林地底盘(图)实验结果表明底盘质心行驶过程中变化稳定偏移程度较小没有发生跳跃或倾翻能有效提升林地作业底盘的行驶稳定性与环境适应性图 仿生四足机器人三维模型与腿部结构.电机.连杆.大腿肢段.连杆.连杆.小腿肢段.足端肢段.髋关节.膝关节.踝关节.腰部图 仿山羊步态的林地底盘 展望目前针对丘陵山地动力底盘研究成果从国内外相关研究来看多处于理论和实验室研究阶段相关基础理论与技术仍需探明和突破与实际应用还有差距难以满足“上山入林”的要求 为促进丘陵山地动力底盘的发展缩短理论与实用差距将从多方面开展研究探索以加速完成其从理论研究到实际应用的转变()底盘与地面作用机理基础研究丘陵山地动力底盘行驶安全性、稳定性、通过林业机械与木工设备第 卷性、平顺性和越障爬坡能力均可受到丘陵山地特殊地形、地貌影响当前国内外专家学者对车辆行驶性能做了较多的研究大都是针对拖拉机、工程机械等大型设备对丘陵山地农林设备研究较少 研究丘陵山地不同路面的动力学响应和路面结构的应变、位移变化等探究丘陵山地地面底盘耦合作用机理明确影响底盘行驶性能的关键因素()底盘多功能模块化和轻量化研究底盘通用化是丘陵山地动力底盘的发展趋势和要求当前我国丘陵山地作业装备的通用性较差作用场景单一 加强通用化研究通过更换行走装置、调整轴/轨距和安装其它功能性附件等方式增强底盘在山区、果园、农田、林间等不同作业环境下的适应性 由于果园农作物等作物栽植面积大、间距小、杂草丛生等导致留给林间作业设备的可用空间小加强底盘轻量化研究通过选用轻质材料、采用先进的制造工艺和优化底盘结构设计等使得底盘整体机构紧凑降低质量减少对地面和农林作物的破坏()底盘智能化和信息化研究随着物联网、无人驾驶、卫星导航等技术的快速发展丘陵山地动力底盘作为移动式丘陵山地动力机械的“双腿”也将会朝着智能化和信息化方向发展 通过智能化控制技术、信息化技术与传统底盘结构设计的融合突破底盘行走系统、制动系统、转向系统和传动系统与环境感知机理等技术建立底盘内外智能调控系统实现底盘的智能感知、决策、驱动、作业等技术和功能参考文献:高巧明 潘栋 张星 等.全履带模块化无人农用动力底盘设计与仿真.农业机械学报():.宋建武 刘恒新.加快突破丘陵山区农业机械化的发展瓶颈.中国农机化():.张小明.我国丘陵山地农业机械化的现状与发展:全国丘陵山地农机化技术发展高层论坛论文集.贵州:中国农业机械化发展论坛.张小明 王芳莉 肖宏儒.丘陵山地小型农机具技术研究与示范.贵州农机化():.孙治博.六轮摆臂林用底盘稳定性分析与防倾翻研究.北京:北京林业大学.孙治博 刘晋浩 于春战 等.变幅轮腿机器人智能越障步态规划与平稳性分析.农业工程学报():.丁素明 傅锡敏 薛新宇 等.低矮型自走式果园喷雾机动力底盘设计.农业机械学报():.程钰晶 王典 刘晋浩 等.林用六轮摆臂底盘转向稳定性分析与控制策略.林业机械与木工设备():.王东 汤晶宇 范志远 等.振动式油茶青果采收机设计及试验.林业机械与木工设备():.鲁鸣.电动履带式果园管理机动力平台设计.南京:南京农业大学.王斌斌 岳丹丹 陈中武 等.型自走式果园风送喷雾机设计.南方农机():.杨子增 曾伯胜 陆愈天 等.型甘蔗收获机的设计与试验.现代农业装备():.徐高伟 宋裕民 邱绪云 等.果园电动自走式履带底盘动力系统匹配设计与试验.农机化研究():.陈继清 黄仁智 莫荣现 等.基于 小型绿篱修剪机履带底盘越障性能分析与仿真.中国农机化学报():.孙术发 任春龙 李涛 等.基于履带式底盘的改进型森林消防车通过性.农业工程学报():.韩振浩 朱立成 苑严伟 等.基于重心自适应调控的山地果园运输车设计与试验.农业机械学报():.祝露 王德成 尤泳 等.履带式林间草带收割机设计与试验.农业机械学报():.杜小强 宁晨 贺磊盈 等.履带式高地隙油茶果振动采收机设计与试验.农业机械学报():.芮宏斌 曹伟 李路路.基于变位齿轮的轮履复合变形轮结构设计与越障能力分析.机械设计():.汤晶宇 寇欣 徐克生 等.丘陵地区经济林内动力底盘研究现状分析.林业机械与木工设备():.陈铭 李耀翔 刘世国.林用轮履复合底盘变形机构参数分析.木材加工机械():.胡军中 黄林 康少华 等.轮履复合变体轮的结构设计与动力学仿真分析.中国工程机械学报():.聂建军 闫修鹏 马宗正 等.新型弓腰式移动底盘的设计及通过性分析.吉林大学学报(工学版)():.杨钧杰 孙浩 王常虹 等.四足机器人研究综述.导航定位与授时():.罗红艳 魏莉 李彰 等.仿生四足机器人运动规划与步态转换.数字制造科学():.张建婷 刘晋浩 黄青青 等.仿山羊步态的林地底盘设计及仿真.北京林业大学学报():.曲振兴 向文博 胡景阳 等.林业复杂地形动力底盘性能主要影响因素分析.林业机械与木工设备():.殷楚晴.丘陵山区履带式电动底盘的研制.长沙:湖南农业大学.