螺旋式平仓机器人

一、选题意义及研究现状

1.1 选题意义

在仓储体系中，粮食仓储环节规模持续扩张，对平仓作业的效率、精度和安全性提出了更高要求。粮面平整好坏对规范化管理和科技储粮新技术的 。传统人工平仓作业模式，主要依赖工人手持工具进行操作，这一方式不仅需要工人 其低下，而且作业环境往往粉尘弥漫、噪声嘈杂，存在坍塌等安全风险，对工人的身体健康 和生命安全构成严重威胁。长此以往，不仅容易引发尘肺病等职业疾病，降低工人生活质量，还会因人员流动频繁导致企业招聘与培训成本增加。与此同时，在《粮食储存安全要素分析及储粮技术发展现状》中更体现出来粮食储存的重要性［2］。

随着产业规模的不断扩大，对平仓作业的速度和质量要求愈发严格，传统人工方式已难以满足大规模现代化作业的需要。科技的高速发展，机器人技术、自动化控制技术以及传感器技术取得了重大突破。螺旋平仓机器人作为解决散料平仓难题的创新方案应运而生，其借助先进的自动化装置与智能控制系统，能够精准、高效地完成平仓任务，有效避免人工操作的诸多弊端。这一技术的出现，不仅契合行业自动化发展的趋势，更有望为粮食储存行业带来全新的发展契机，因此逐渐成为行业关注的焦点。

1.2 本项目所涉及问题的国内外研究现状

1.2.1 国内研究现状

众多高校和科研机构积极投身螺旋平仓机器人的研发。中国农业机械化科学研究院研发的一款应用于粮食仓储领域的螺旋平仓机器人，具备自动化程度高、作业效率稳定的特点。电子科技大学的杨耀明提出了一种两台全向轮机器人合作推动平粮装置平整粮食的方法［3］。滨州渤海活塞有限公司展示如何有效地整合这些技术来提升智能搬运机器人的性能［4］。

1.2.2 国外研究现状

为解决粮仓作业的高危险性和高强度问题，国外研发出多款粮仓管理机器人。布拉斯加大学两位大学生发明的 Grain weevil 机器人，凭借两个螺旋钻和 重力平整谷物、分解结块，还能检测粮食质量。它总重 30 磅，便于携带，且具备防水、防尘功能，即 被掩埋也能实现自救。另有部分机器人配备照明系统与摄像头，方便工作人员在粮仓外监测粮食状况，不仅能提前发现害虫或霉菌侵袭区域，还可对粮堆进行平整度检测。

二、机器人原理及设计方案

2.1 整体结构设计

机器人由四大系统组成推进系统，监测系统，控制系统，信息系统。推进系统由双螺旋叶片组成两叶片由独立电机驱动，监测系统由搭载的温湿度传感器，烟雾传感器等传感器组成传感器的类型可根据实际情况的不同搭载不同的传感器。控制系统通过单片机控制两侧电机转速制作转速差实现转向，同时支持远程操作。信息系统监测系统搜集的数据通过2.4G 无线模块实现无线传输，同时存储在自身的数据硬盘留作记录。

2.2 关键部件设计

螺旋式平仓机器人的推进系统以螺旋叶片轮为核心驱动单元，搭配独立的动力电机与螺旋传动轴。每个螺旋叶片轮由独立电机驱动，通过传动轴将动力传递至叶片轮，实现高速旋转。当螺旋叶片轮转动时，其螺旋状结构会向后拨动粮堆中的粮食颗粒。根据牛顿第三定律，粮食颗粒对叶片轮产生反向推力，推动机器人向前运动。这种推进方式利用了粮面的松散特性，通过叶片与粮食的相互作用实现无滑动的高效驱动。同时与其他两种机器人进行分析对比。

轮式 / 履带式机器人：在硬地行驶稳定，但在松软粮面易打滑、下陷，通过性差。固定式导轨机器人：依赖粮仓顶部轨道，灵活性低，适用场景有限。螺旋推进技术已成功应用于沙地、沼泽等松软环境，其低接地压强（5. 7^～8.5kpa) 和强抓地力特性为粮仓作业提供了新思路。螺旋叶片采用变距设计，增强排粮效率；运动原理：电机驱动螺旋轮旋转，通过拨动粮食颗粒产生反作用力推进；通过性优化：相比轮式 / 履带式，螺旋轮在松软粮面的附着力提升 40%，爬坡能力达 25^∘ 。

三、运动原理分析

3.1 运动原理直线运动

当两侧螺旋叶片轮的驱动电机以相同功率、相同方向运转时，机器人受到对称的反作用力，实现稳定的直线前进或后退。后退时，电机反转，叶片轮反向拨动粮食，反作用力方向改变，推动机器人向后移动。

转向运动

差速转向：通过调节两侧电机的转速差实现转向。例如，向左转向时，左侧电机功率降低（转速减慢），右侧电机保持高功率运转，右侧叶片轮产生的推力大于左侧，机器人向左侧偏转。

原地转向：当两侧叶片轮以相同功率、相反方向转动时，叶片轮对粮食的拨动方向相反，产生大小相等、方向相反的反作用力，使机器人实现零半径原地转向，适应狭小空间作业。

3.2 复杂环境适应性设计松软路面通过性优化

与传统轮式、履带式推进方式相比，螺旋叶片轮在松软粮面具有显著

低接地压比：螺旋推进车辆接地压比仅为 5.7\~8.5kPa（轮式车辆 90\~250kPa，履带式 34.3\~68.6kPa），极大减少对粮面的压实和下陷，避免打滑。

流变特性适配：粮面与沙地、沼泽类似，具有流变特性，螺旋叶片的螺旋升力可有效分解颗粒阻力，提升在松散介质中的驱动力和稳定性。

地形适应能力

螺旋叶片轮的连续螺旋结构可在爬坡时提供持续的推进力，通过调整电机功率和叶片角度，机器人能适应一定坡度的粮堆地形，避免传统轮式车辆因抓地力不足导致的爬坡失效问题。

四、运动控制与协同机制控制系统协同

远程控制：通过无线遥控器或内置控制模块，实时调节电机转速和转向策略，实现精准操作。

传感器反馈：结合监测系统（如温湿度、气体浓度传感器）获取的粮面状态数据，控制系统可动态调整推进参数，适应不同粮堆密度和湿度环境。

能耗与效率优化

螺旋式推进结构简化了传统机器人的传动部件（如差速器、复杂履带机构），降低机械损耗，提升能源利用效率。同时，轻量化设计（质量轻）进一步减少能耗，延长作业时间。

五、对比传统平仓方式的优势

螺旋式平仓机器人通过反作用力驱动、差速转向控制、低接地压比设计，突破了传统平粮机械在松软粮面的运动瓶颈，实现了高效、稳定的作业性能。在工作效率上螺旋机器人平仓的推进系统采用螺旋叶片轮，通过拨动粮食颗粒获得反作用力实现运动。相比传统人工平仓，其作业速度快，能在短时间内完成大面积粮面的平整工作。而且，它可以持续稳定作业，无需休息，极大地提高了平仓效率。为粮仓储粮自动化提供了创新解决方案。

六、结语

螺旋平仓机器人作为推动散料仓储与物流行业智能化转型的关键设备，国内外已围绕其开展大量深入研究。国外凭借先发优势，在螺旋输送装置的理论研究、机器人在复杂场景下的应用，以及智能化技术的探索上，积累了丰富的经验，研发出诸多先进设备，为行业发展提供了重要参考。国内虽起步较晚，但发展迅速，在螺旋输送技术优化、机器人研发与实际应用方面取得显著成果，部分技术和产品已达到国际先进水平。随着人工智能、大数据、物联网等新兴技术的不断融合，螺旋平仓机器人将朝着更加智能化、高效化、绿色化的方向发展。国内外的研究成果与实践经验，将为行业持续发展奠定坚实基础，推动螺旋平仓机器人在更多领域的广泛应用与发展。

参考文献

[1]张瑞.粮食储存品质影响因素分析[J].黑龙江粮食,2017,(02):49-50.

[2]尹博,甄行,周振环,等. 粮食储存安全要素分析及储粮技术发展现状 [J]. 粮食加工, 2024, 49 (01):96-101.

[3] 张瑞. 粮食储存品质影响因素分析 [J]. 黑龙江粮食, 2017, (02): 49-50.

[4] 徐东峰. 基于电气自动化的智能搬运机器人控制系统设计与实现 [J]. 电气技术与经济, 2024, (08):91-93+99.

基全项目：2024 年校级大学生创新创业训练计划项目（X202413207082）

作者简介：白冬雨 (2004-) ，男，辽宁人，本科生，研究方向为机制方向。