第3期桂林等 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析1 9 1 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 2 7 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 桂林1 古勁1 張賓1 李傳軍2 陳度1 張亞偉1 1 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京市 1 0 0 0 8 3 2 天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 天津市 3 0 0 3 5 0 摘要 為滿足多樣化景觀綠籬修剪造型對修剪機(jī)器人工作空間 結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的需求 設(shè)計一種用于園林綠植的五自由 度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu) 首先采用D H法對機(jī)器人進(jìn)行建模與運動學(xué)分析 利用蒙特卡洛法得到機(jī)器人的工作空間 然后 以球形綠籬為修剪目標(biāo) 基于機(jī)器人有效空間體積比和速度全域性能指標(biāo) 確定機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)主要桿件的尺寸 最后對 臂架結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)和振動模態(tài)仿真分析 仿真結(jié)果表明 當(dāng)大臂尺寸為8 0 0 m m 小臂尺寸為9 0 0 m m 腕臂尺寸 為3 5 0 m m時 該機(jī)器人垂直修剪作業(yè)范圍為0 2 0 0 0 m m 水平修剪作業(yè)范圍為 1 3 0 0 1 3 0 0 m m 工作空間可滿足園 林綠籬的修剪需求 臂架結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為3 4 2 4 5 M P a 最大變形為1 8 9 7 1 m m 剛度和強(qiáng)度均滿足技術(shù)指標(biāo)的要 求 且其固有頻率可有效避開外界頻率 避免共振現(xiàn)象 本研究為景觀綠籬修剪機(jī)器人研制提供機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計方法與方 案 具有一定的應(yīng)用價值 關(guān)鍵詞 修剪機(jī)器人 運動學(xué)分析 有效空間 全域性能指標(biāo) 有限元分析 中圖分類號 T P 2 4 2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 1 9 1 0 8 桂林 古勁 張賓 等 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析 J 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 2 0 2 3 4 4 3 1 9 1 1 9 8 G u i L i n G u J i n Z h a n g B i n e t a l S t r u c t u r a l d e s i g n a n d a n a l y s i s o f a 5 D O F p r u n i n g r o b o t J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 3 1 9 1 1 9 8 收稿日期 2 0 2 1年1 1月3日 修回日期 2 0 2 2年3月2 1日 基金項目 煙臺市校地融合發(fā)展項目 2 0 2 1 X D R H X M P T 2 9 天津市科技計劃項目 2 0 Y D T P J C 0 0 9 9 0 第一作者 桂林 男 1 9 9 6年生 湖北襄陽人 碩士研究生 研究方向為農(nóng)業(yè)機(jī)器人 E m a i l g u i l i n w o r k 1 6 3 c o m 通訊作者 張亞偉 女 1 9 8 8年生 河北石家莊人 博士 講師 研究方向為農(nóng)業(yè)裝備智能化 E m a i l z y w c a u c a u e d u c n Structuraldesignandanalysisofa5 DOFpruningrobot GuiLin1 GuJin1 ZhangBin1 LiChuanjun2 ChenDu1 ZhangYawei1 1 CollegeofEngineering ChinaAgriculturalUniversity Beijing 1 0 0 0 8 3 China 2 CollegeofMechanicalEngineering TianjinSino GermanUniversityofAppliedSciences Tianjin 3 0 0 3 5 0 China Abstract I n o r d e r t o m e e t t h e n e e d s o f t h e d i v e r s i f i e d l a n d s c a p e h e d g e t r i m m i n g m o d e l f o r t h e w o r k i n g s p a c e s t r u c t u r a l r i g i d i t y a n d s t r e n g t h o f t h e t r i m m i n g r o b o t a f i v e d e g r e e o f f r e e d o m t r i m m i n g r o b o t s t r u c t u r e f o r g a r d e n g r e e n p l a n t s w a s d e s i g n e d F i r s t t h e D H m e t h o d w a s u s e d t o m o d e l a n d k i n e m a t i c s a n a l y s i s o f t h e r o b o t a n d t h e M o n t e C a r l o m e t h o d w a s u s e d t o o b t a i n t h e r o b o t s w o r k i n g s p a c e T h e n w i t h s p h e r i c a l h e d g e s a s t h e p r u n i n g t a r g e t t h e d i m e n s i o n s o f t h e m a i n r o d s o f t h e r o b o t a r m s t r u c t u r e w e r e d e t e r m i n e d b a s e d o n t h e r o b o t s e f f e c t i v e s p a t i a l v o l u m e r a t i o a n d v e l o c i t y f u l l d o m a i n p e r f o r m a n c e i n d e x e s F i n a l l y t h e f i n i t e e l e m e n t s t a t i c a n d v i b r a t i o n m o d a l s i m u l a t i o n s w e r e p e r f o r m e d f o r t h e b o o m s t r u c t u r e T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t w h e n t h e s i z e o f t h e b i g a r m w a s 8 0 0 m m t h e s i z e o f t h e f o r e a r m w a s 9 0 0 m m a n d t h e s i z e o f t h e w r i s t a r m w a s 3 5 0 m m t h e v e r t i c a l t r i m m i n g r a n g e o f t h e r o b o t w a s 0 2 0 0 0 m m a n d t h e h o r i z o n t a l t r i m m i n g r a n g e w a s f r o m 1 3 0 0 m m t o 1 3 0 0 m m a n d t h e w o r k i n g s p a c e c o u l d m e e t t h e d e m a n d o f g a r d e n h e d g e p r u n i n g T h e m a x i m u m e q u i v a l e n t s t r e s s o f t h e b o o m s t r u c t u r e w a s 3 4 2 4 5 M P a a n d t h e m a x i m u m d e f o r m a t i o n w a s 1 8 9 7 1 m m T h e r i g i d i t y a n d s t r e n g t h c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t e c h n i c a l i n d i c a t o r s a n d i t s n a t u r a l f r e q u e n c y c a n e f f e c t i v e l y a v o i d e x t e r n a l f r e q u e n c i e s a n d a v o i d r e s o n a n c e T h i s r e s e a r c h p r o v i d e s a m e c h a n i c a l s t r u c t u r e d e s i g n m e t h o d a n d s c h e m e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a l a n d s c a p e h e d g e t r i m m i n g r o b o t w h i c h h a s c e r t a i n a p p l i c a t i o n v a l u e Keywords p r u n i n g r o b o t k i n e m a t i c a n a l y s i s e f f e c t i v e s p a c e g l o b a l p e r f o r m a n c e i n d e x f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 第4 4卷 第3期 2 0 2 3年3月 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 3 M a r 2 0 2 3 1 9 2 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報2 0 2 3年 0 引言 綠籬作為城市園林綠化的重要組成部分 主要起 分隔空間 凈化空氣以及防護(hù)等作用 1 2 綠籬作為季 節(jié)性生長植物 需要定期修剪養(yǎng)護(hù) 3 4 目前園林修剪 以手工修剪枝杈方式為主 效率低 強(qiáng)度大 質(zhì)量不穩(wěn) 定 復(fù)雜造型對工人技術(shù)要求高 5 因此 一種自動 化 智能化綠植修剪機(jī)器人的研制具有重要意義 在綠籬修剪機(jī)器人領(lǐng)域 國外的研究較早且處于 領(lǐng)先地位 6 如德國某公司研制的H S 2 0園林樹木修 剪機(jī) 在機(jī)械臂末端裝有往復(fù)式切割器 修剪半徑和最 大修剪高度分別達(dá)到2 m和5 9 m 近些年 國內(nèi)也 有諸多針對實現(xiàn)不同功能的綠籬修剪設(shè)備的研究 許 珂等設(shè)計一種以掃路車為載體的綠籬修剪機(jī)器人 通 過更換不同刀具 滿足修剪形狀需求 唐果 7 設(shè)計一 款用于公路綠籬修剪的機(jī)器人 通過控制末端回轉(zhuǎn)式 鋸齒圓盤對綠籬進(jìn)行修剪 王金剛等 8 設(shè)計了一種用 于綠籬隔離帶的修剪裝置 采用雙面刀具同時修剪 提 高了修剪效率 對于形狀復(fù)雜 造型精度要求高的綠 植 由于空間限制 通常根據(jù)特殊的形狀要求被動地進(jìn) 行刀具與軌跡仿形設(shè)計 9 1 0 此方法不具有普適性 針對當(dāng)前綠籬修剪設(shè)備的不足 為滿足修剪末端 執(zhí)行器姿態(tài)靈活性要求 本文設(shè)計了一種用于園林綠 植修剪的五自由度機(jī)器人 并對機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行 相應(yīng)的分析與優(yōu)化 1 園林綠化綠籬園藝特性 城市園林綠化常見的綠籬植物一般由常綠灌木和 小喬木構(gòu)成 4 一般根據(jù)高度不同將綠籬分為矮 中 高三種綠籬 表1列出了常見綠籬的分類及其作用與 適應(yīng)場所 1 1 園林造型綠籬主要由動物景觀造型以 及球形 柱形 方形和錐形等幾何造型 1 2 1 3 對修剪姿 態(tài)的調(diào)整要求較高 綠化帶與公園草坪等平面綠籬主 要修剪為面積較大的平面 本文設(shè)計的修剪機(jī)器人主 要以園林綠化的復(fù)雜景觀造型 綠化帶和園林綠地草 坪為作業(yè)對象 表1 綠籬植物的分類 T a b 1 C l a s s i f i c a t i o n o f h e d g e p l a n t s 綠籬分類高度范圍 m代表植物主要作用適應(yīng)場所 高綠籬1 2 1 6冬青 大葉女貞等分隔空間雕像 藝術(shù)背景等 中綠籬0 6 1 2小葉女貞 火棘等美化景觀 遮擋視線等城市林蔭道 街道綠化帶等 矮綠籬 0 6黃楊 萬年青等固定園地 草坪和花壇的邊飾等庭院 草坪 公園等 2 修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 確定技術(shù)指標(biāo) 根據(jù)市場調(diào)研及相關(guān)園林綠化標(biāo)準(zhǔn) 確定所設(shè)計 的針對園林綠籬的修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與參 數(shù) 如表2所示 表2 修剪機(jī)器人主要設(shè)計指標(biāo) T a b 2 M a i n d e s i g n i n d i c a t o r s o f p r u n i n g r o b o t 參數(shù)數(shù)值 類型 修剪作業(yè)高度區(qū)間 m 0 1 6 修剪作業(yè)寬度區(qū)間 m 0 6 1 2 最大修剪樹枝直徑 c m 3 自由度5 動力驅(qū)動電動 關(guān)節(jié)驅(qū)動方式電動缸 電機(jī) 移動平臺電動底盤車 其中 為保證修剪復(fù)雜造型綠籬時末端姿態(tài)的靈 活性 按照位置和姿態(tài)的耦合及解耦兩種情況分析修 剪機(jī)器人的自由度 1 4 被修剪綠籬在修剪機(jī)器人兩側(cè)時 需要三個自由 度來實現(xiàn)修剪末端的前 后 左 右 上 下移動 實現(xiàn)修 剪刀具移動到指定的空間位置 且需要兩個自由度實 現(xiàn)刀具姿態(tài)的調(diào)整 進(jìn)而保證刀具與綠籬相切的修剪 技術(shù)要求 因此確定本文設(shè)計的修剪機(jī)器人為五自由 度串聯(lián)機(jī)構(gòu) 2 2 總體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計 本文修剪機(jī)器人設(shè)計方案主要由末端修剪裝置 主體臂架結(jié)構(gòu) 移動底盤小車 旋轉(zhuǎn)平臺 各關(guān)節(jié)驅(qū)動 構(gòu)件以及控制系統(tǒng)組成 通過五個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)連 接 工作范圍大 工作空間靈活 可適應(yīng)多種復(fù)雜形狀 造型的綠籬修剪 根據(jù)修剪機(jī)器人設(shè)計的主要技術(shù)指 標(biāo) 設(shè)計出三維模型 如圖1所示 1 末端修剪裝置 修剪刀具一般分為往復(fù)式和 回轉(zhuǎn)式等 往復(fù)式刀具主要是通過電機(jī)驅(qū)動動刀片相 對于靜刀片進(jìn)行往復(fù)運動來對綠籬進(jìn)行切割修剪 回 轉(zhuǎn)式刀具由修剪電機(jī)直接驅(qū)動 刀具的齒數(shù) 刀片鋒利 程度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速是影響修剪效果的主要因素 本文 采用的修剪電機(jī)電壓為4 8 V 功率為6 0 0 W 其轉(zhuǎn)速 可達(dá)4 5 0 0 r m i n 與6 0齒 2 5 5 m m直徑的回轉(zhuǎn)式合 金刀片組合使用 表3 刀具安裝簡單 電機(jī)動力強(qiáng) 勁 可滿足多種綠籬植物的修剪作業(yè)動力要求 末端 修剪裝置如圖2所示 第3期桂林等 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析1 9 3 圖1 修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖 F i g 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e p r u n i n g r o b o t 1 球型綠籬 2 修剪電機(jī)及刀具 3 第五關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副 4 腕臂圓筒連接件 5 第四關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副 6 大臂電動缸 7 小臂 8 小臂電動缸 9 大臂 1 0 旋轉(zhuǎn)平臺 1 1 移動底盤小車 1 2 底部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副 表3 修剪裝置參數(shù) T a b 3 P r u n i n g d e v i c e p a r a m e t e r s 參數(shù)數(shù)值 電機(jī)電壓 V 4 8 電機(jī)功率 W 6 0 0 電機(jī)轉(zhuǎn)速 r m i n 1 4 5 0 0 刀片齒數(shù)6 0 刀片外徑 m m 2 5 5 整體重量 k g 1 8 2 a 修剪電機(jī)和刀片 b 修剪裝置連接三維圖 圖2 末端修剪裝置 F i g 2 E n d p r u n i n g d e v i c e 2 臂架結(jié)構(gòu) 臂架結(jié)構(gòu)主要包括旋轉(zhuǎn)平臺 大 臂 小臂和腕臂圓筒連接件以及各個關(guān)節(jié)驅(qū)動構(gòu)件 如 圖3所示 本文采用伺服電動缸和閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)作為 機(jī)械臂關(guān)節(jié)角度的驅(qū)動裝置 其中電動缸與旋轉(zhuǎn)平臺 大臂和小臂進(jìn)行連接 對大臂和小臂進(jìn)行支撐 減少機(jī) 器人末端修剪裝置的重量對臂架結(jié)構(gòu)的影響 增加修 剪機(jī)器人的整體穩(wěn)定性 應(yīng)對修剪過程中的修剪電機(jī) 振動的情況 閉環(huán)步進(jìn)電機(jī)內(nèi)置增量式編碼器 運動精 度高 可避免開環(huán)步進(jìn)電機(jī)丟步現(xiàn)象 提高修剪過程中 的刀具空間位姿的準(zhǔn)確性 回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動副的結(jié)構(gòu)設(shè) 計采用成對角接觸球軸承 通過背對背的安裝方式固 定在軸承軸上 來提高軸抗變形能力 以應(yīng)對回轉(zhuǎn)軸在 對機(jī)構(gòu)進(jìn)行回轉(zhuǎn)支撐過程中受到的軸向與徑向載荷 增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的承載能力和剛度 圖3 修剪機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)樣機(jī) F i g 3 P r u n i n g r o b o t a r m s t r u c t u r e p r o t o t y p e 1 旋轉(zhuǎn)平臺 2 腕臂 3 小臂 4 大臂 5 驅(qū)動電動缸 3 修剪機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)運動學(xué)分析 3 1 臂架結(jié)構(gòu)的運動學(xué)模型 根據(jù)D H法則 1 5 建立圖4所示的各連桿坐標(biāo)系 確定D H連桿參數(shù)表 如表4所示 表4中 a d 分別表示連桿扭角 連桿長度 連桿偏置和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 圖4 修剪機(jī)械臂D H連桿坐標(biāo)系 F i g 4 D H l i n k c o o r d i n a t e s y s t e m o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m 表4 修剪機(jī)械臂D H參數(shù)表 T a b 4 D H p a r a m e t e r t a b l e o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m 連桿序號i i 1 ai 1 m mdi m m i 1 0 0d1 1 2 9 0a1 0 2 3 0a2 0 3 4 1 8 0a3d4 4 5 9 0 0d5 5 末端p9 0 0dp0 由D H參數(shù)和坐標(biāo)系平移和旋轉(zhuǎn)齊次變換式 1 計算兩相鄰連桿坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換關(guān)系i 1iT i 1 2 5 1 9 4 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報2 0 2 3年 i 1iT Rot x i 1 Trans x ai 1 Rot z i Trans z di c o s i s i n i0ai 1 s i n ic o s i 1 c o s ic o s i 1 s i n i 1 dis i n i 1 s i n is i n i 1 c o s is i n i 1 c o s i 1dic o s i 1 0 0 0 1 1 得到從原點o到末端p點 相鄰兩連桿坐標(biāo)系的變換公式 如式 2 所示 o 1T c o s 1 s i n 1 0 0 s i n 1 c o s 1 0 0 0 0 1d1 0 0 0 1 12T c o s 2 s i n 2 0a1 0 0 1 0 s i n 2 c o s 2 0 0 0 0 0 1 23T c o s 3 s i n 3 0a2 s i n 3 c o s 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 3 4T c o s 4 s i n 4 0a3 s i n 4 c o s 4 0 0 0 0 1 d4 0 0 0 1 45T c o s 5 s i n 5 0 0 0 0 1 d5 s i n 5 c o s 5 0 0 0 0 0 1 5pT 1 0 0 0 0 0 1 dp 0 1 0 0 0 0 0 1 2 將各連桿齊次變換矩陣相乘 得末端執(zhí)行器p點 相對于基坐標(biāo)的位姿矩陣 p oT 1 oT 2 1T 3 2T 4 3T 5 4T p 5T nxoxaxpx nyoyaypy nzozazpz 0 0 0 1 3 3 2 機(jī)器人臂架工作空間分析 根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)特點 機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)運動方式以 及修剪對象的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù) 確定臂架結(jié)構(gòu)尺寸 參數(shù)和關(guān)節(jié)運動范圍 根據(jù)旋轉(zhuǎn)平臺確定 a1 2 4 5 m m 旋轉(zhuǎn)平臺距地 面的高度即小車移動平臺高度d1 6 0 0 m m 末端旋轉(zhuǎn) 電機(jī)安裝在腕臂側(cè)邊偏移距離d4 6 5 m m 由修剪電 機(jī)安裝位置決定 dp 8 0 m m 臂架結(jié)構(gòu)尺寸直接影響機(jī)器人的工作空間及修剪 效果 為滿足機(jī)構(gòu)修剪作業(yè)高度與寬度等設(shè)計技術(shù)指 標(biāo)要求 綜合考慮機(jī)械臂運動性能 設(shè)定取值范圍a2 7 0 0 1 0 0 0 m m a3 9 0 0 1 2 0 0 m m d5 3 0 0 5 0 0 m m 關(guān)節(jié)運動范圍的確定 旋轉(zhuǎn)平臺轉(zhuǎn)角 1 根據(jù)修 剪范圍的要求與移動底盤的限制 1的范圍為 1 5 0 1 5 0 2與 3分別由其對應(yīng)驅(qū)動的電動缸行 程決定 關(guān)節(jié)變化范圍分別為 7 7 1 1 6 和 8 0 1 3 0 為保證修剪刀具不與小臂碰撞 限制 4范圍為 3 0 2 1 0 5無限制 范圍為 1 8 0 1 8 0 本文選擇蒙特卡洛法 1 6 求解機(jī)械臂的工作空間 再通過M A T L A B仿真 生成機(jī)械臂末端執(zhí)行器的工 作空間點云圖如圖5所示 a 工作空間三維圖 b 空間y z平面投影圖 c 空間x z平面投影圖 d 空間x y平面投影圖 圖5 機(jī)械臂工作空間 F i g 5 R o b o t i c a r m w o r k s p a c e 1 通過正運動學(xué)分析 求解末端執(zhí)行器相對于基 坐標(biāo)系的位姿 2 利用隨機(jī)函數(shù)r a n d函數(shù) 對各個關(guān)節(jié)范圍隨機(jī) 取值 i im i n im a x im i n rand N 1 i 1 2 5 4 3 將步驟2中的 i帶入機(jī)器人正解表達(dá)式 求得 末端執(zhí)行器的位置坐標(biāo) 4 設(shè)置隨機(jī)數(shù)N 編寫算法程序 繪制N個狀態(tài) 下末端執(zhí)行器的位置點 組合成工作空間點云圖 第3期桂林等 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析1 9 5 由蒙特卡洛法求解步驟可以看出 影響機(jī)械臂工 作空間的因素有 機(jī)械臂尺寸參數(shù)即正運動學(xué)方程 關(guān) 節(jié)運動范圍和隨機(jī)數(shù)N值的大小 N值越大 越能反 應(yīng)機(jī)械臂工作空間的準(zhǔn)確性 本文取N 1 0 0 0 0 由圖5可以看出 修剪機(jī)器人的工作空間關(guān)于 x z平面對稱 近似于帶有空腔的球體 可以看成在 y z平面的截面繞旋轉(zhuǎn)平臺旋轉(zhuǎn) 1組成 將 1限制在 0 通過M A T L A B仿真得到工作空間在x z平面上 的截面投影圖如圖6所示 圖6 工作空間在x z平面上的投影 F i g 6 S p a c e p r o j e c t i o n o n t h ex zp l a n e 4 機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)尺寸分析 4 1 速度全域性能指標(biāo) 機(jī)器人運動學(xué)性能直接影響其運動效果 采用基 于工作空間的全局性能指標(biāo) 1 7 作為評價機(jī)器人運動 學(xué)性能依據(jù) 對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析 使機(jī)器人獲 得更好的工作性能 J W 1 KJ dW WdW 5 式中 J 機(jī)械臂的全域性能度量指標(biāo) W 機(jī)械臂的可達(dá)工作空間 KJ J a c o b i a n矩陣的條件數(shù) 機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)待定的機(jī)構(gòu)尺寸主要有大臂a2 小臂a3和腕臂d5 利用式 5 計算大臂小臂以1 0 0 m m 為步長 腕臂以5 0 m m為步長改變機(jī)構(gòu)參數(shù)值而得到 的8 0個不同尺寸下機(jī)構(gòu)的速度全域性能指標(biāo)值 然 后兩兩組合分成三組 根據(jù)每組的性能指標(biāo) J值 繪制 其全域性能圖譜 如圖7所示 由圖8可以看出 在給定范圍內(nèi)全域性能指標(biāo)與 大臂尺寸a2成正比 與小臂a3和腕臂d5成反比 當(dāng) a2 8 5 0 1 0 0 0 m m a3 9 0 0 1 0 5 0 m m d5 3 0 0 4 4 0 m m時 修剪機(jī)器人機(jī)構(gòu) J值較大 在工作空間內(nèi) 運動的速度輸出誤差較小 為修剪機(jī)器人尺寸參數(shù)的 優(yōu)化設(shè)計與選擇提供了理論依據(jù) a 大臂 腕臂速度全域性能圖譜 b 小臂 腕臂速度全域性能圖譜 c 大臂 小臂速度全域性能圖譜 圖7 速度全域性能圖譜 F i g 7 S p e e d g l o b a l p e r f o r m a n c e m a p 4 2 有效工作空間指標(biāo) 機(jī)械臂的可達(dá)工作空間為末端執(zhí)行器能夠達(dá)到的所 有空間點的集合 但在機(jī)械臂實際修剪工作中 需要末端 執(zhí)行器與綠植相切的姿態(tài)進(jìn)行修剪 使末端執(zhí)行器以工 作要求的姿態(tài)到達(dá)所有點的集合稱為有效工作空間 本文以球形綠籬為例 分析機(jī)械臂的有效工作空 間 并以有效工作空間體積比相對最大為目標(biāo) 優(yōu)化機(jī) 器人臂架結(jié)構(gòu)尺寸選擇范圍 通過簡化分析有效工作 空間球在x z平面上的有效圓投影 由圖6設(shè)圓心坐 標(biāo)為M x y z 即 M x y z X z m i n x z m a x 2 d4 zm a x zm i n 2 6 1 9 6 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報2 0 2 3年 式中 xzm i n xzm a x 在圓心高度為z時工作空間x方 向上的最小值與最大值 zm a x zm i n 工作空間在x z平面上的最大值 與最小值 通過M A T L A B編程 求取最大有效空間球 如圖 8所示 a 三維空間圖 b x z平面投影圖 c x y平面投影圖 d y z平面投影圖 圖8 有效空間球投影 F i g 8 P r o j e c t i o n o f t h e e f f e c t i v e s p a c e 以大臂a2和小臂a3為變量 采用點云包絡(luò)的方法 求取可達(dá)工作空間的體積 通過求得最大有效空間球 半徑與可達(dá)工作空間體積 計算球體積與可達(dá)空間的 體積比 繪制大臂和小臂在不同尺寸下對有效工作空 間體積比的影響曲線 如圖9所示 圖9 大臂 小臂對有效工作空間體積比影響曲線 F i g 9 B i g a r m a n d s m a l l a r m i n f l u e n c e c u r v e o n t h e e f f e c t i v e w o r k i n g s p a c e v o l u m e r a t i o 由圖9可知 有效工作空間體積比與小臂a3的變化 成負(fù)相關(guān) 與大臂a2成正相關(guān) 在保證工作空間最高點 和最低點要求的基礎(chǔ)上 結(jié)合圖7對速度運動性能指標(biāo) 的分析 最終確定機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)大臂 小臂 腕臂的尺 寸分別為8 0 0 m m 9 0 0 m m 3 5 0 m m 以此參數(shù)對機(jī)器 人進(jìn)行工作空間分析 得到修剪機(jī)器人工作空間p點范 圍為px 1 3 0 0 1 1 5 0 m m py 1 3 0 0 1 3 0 0 m m pz 0 2 0 0 0 m m 滿足修剪范圍的設(shè)計要求 5 機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)的仿真分析 5 1 靜力學(xué)分析 利用A N S Y S W o r k b e n c h模塊對修剪機(jī)器人臂架 結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析 對工況載荷下機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu) 的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行驗證 為提高有限元仿真分析計算 效率 先對臂架三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理 臂架結(jié)構(gòu) 采用材料6 0 6 3 T 5 G B 鋁型材和Q 3 4 5結(jié)構(gòu)鋼 其 材料屬性見表5 表5 機(jī)器人臂架的材料屬性 T a b 5 M a t e r i a l p r o p e r t i e s o f t h e r o b o t a r m 主要 部件材料 彈性模量 G P a泊松比 質(zhì)量密度 k g m 3 屈服強(qiáng)度 M P a 大臂小 臂腕臂 6 0 6 3 T 5 G B 6 9 0 3 3 2 7 0 0 1 4 5 連接件Q 3 4 5 2 0 6 0 2 8 7 8 5 0 3 4 5 以5 m m為網(wǎng)格單元平均尺寸進(jìn)行網(wǎng)格劃分 共得 到網(wǎng)格單元2 4 4 0 8 6個 節(jié)點7 8 7 2 3 3個 修剪機(jī)器人 在工作時 臂架結(jié)構(gòu)主要承受自重載荷和外部切割阻力 載荷 其中切割阻力載荷為6 0 0 N 1 8 1 9 在施加載荷與約 束后 得到機(jī)器人臂架靜力學(xué)分析云圖 如圖1 0所示 a 機(jī)器人臂架等效應(yīng)力云圖 b 機(jī)器人臂架應(yīng)變云圖 c 機(jī)器人臂架總變形云圖 圖10 機(jī)器人臂架靜力學(xué)分析云圖 F i g 1 0 C l o u d d i a g r a m o f s t a t i c s a n a l y s i s o f p r u n i n g r o b o t a r m 第3期桂林等 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析1 9 7 由圖1 0可知 修剪機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力主要 分布在小臂與腕部電機(jī)連接件的接觸部分 其最大等 效應(yīng)力值為3 4 2 4 5 M P a 小于材料的屈服強(qiáng)度 其強(qiáng) 度符合設(shè)計要求 修剪機(jī)器人工作過程中最大變形為 1 8 9 7 1 m m 主要是臂架結(jié)構(gòu)受自重載荷和修剪阻力 引起的變形 主要表現(xiàn)為修剪刀具末端的位移變形 變 形量在綠籬修剪作業(yè)的要求范圍內(nèi) 因此臂架結(jié)構(gòu)的 剛度滿足設(shè)計要求 5 2 模態(tài)分析 利用A N S Y S W o r k b e n c h中的M o d a l模塊對修剪機(jī) 器人臂架結(jié)構(gòu)振動模態(tài)進(jìn)行仿真分析 確保修剪機(jī)器人 的固有頻率避開外界的頻率 防止共振 模態(tài)振型云圖 如圖1 1所示 前6階固有頻率及振幅數(shù)據(jù)如表6所示 修剪機(jī)器人在工作工程中的振動來源主要為刀盤轉(zhuǎn)動 引起的激振頻率6 5 H z以及路面的激振頻率3 H z 由圖1 1和表6可以看出 臂架結(jié)構(gòu)的一階固有頻 率為1 1 9 5 9 H z 大于路面激振頻率 在前六階模態(tài)分 析中 臂架結(jié)構(gòu)的固有頻率隨著階數(shù)的遞增而平穩(wěn)增 加 且與刀盤轉(zhuǎn)動引起的激振頻率不相同 因此不會產(chǎn) 生共振 a 一階振型圖 b 二階振型圖 c 三階振型圖 d 四階振型圖 e 五階振型圖 f 六階振型圖 圖11 修剪機(jī)器人臂架模態(tài)分析云圖 F i g 1 1 M o d a l a n a l y s i s c l o u d d i a g r a m o f p r u n i n g r o b o t a r m 表6 修剪機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)分析值 T a b 6 F i r s t s i x o r d e r m o d a l a n a l y s i s v a l u e s o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m s t r u c t u r e 模態(tài)階數(shù)固有頻率 H z振幅 m m 1 1 1 9 5 9 7 1 4 7 5 2 1 7 7 9 5 8 0 9 1 6 3 3 0 0 7 2 8 8 5 5 4 4 4 7 4 4 4 8 2 3 2 6 5 7 5 5 9 4 1 0 4 7 6 1 0 2 3 9 7 6 6 4 8 6 結(jié)論 1 本文通過市場調(diào)研和查閱相關(guān)園林綠化標(biāo)準(zhǔn) 根據(jù)設(shè)定的修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)參數(shù)與技術(shù)指標(biāo) 提出了 一種五自由度修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計方案 2 采用有效工作空間比指標(biāo) 速度全域性能指標(biāo) 優(yōu)化設(shè)計了五自由度修剪機(jī)器人機(jī)構(gòu)尺寸 當(dāng)大臂 小臂和腕臂的尺寸參數(shù)分別為8 0 0 m m 9 0 0 m m和 3 5 0 m m時 其修剪工作空間的高度范圍為0 2 0 0 0 m m 水平范圍為 1 3 0 0 1 3 0 0 m m 滿足園林 綠籬的修剪空間要求 3 機(jī)器人臂架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析的最大等效應(yīng)力 值為3 4 2 4 5 M P a 最大變形為1 8 9 7 1 m m 滿足修剪 機(jī)器人強(qiáng)度和剛度的設(shè)計要求 模態(tài)分析的一階固有 頻率為1 1 9 5 9 H z 與外界激振頻率不相同 可避免共 振現(xiàn)象的發(fā)生 通過有限元分析 驗證了修剪機(jī)器人 結(jié)構(gòu)方案的可靠性和穩(wěn)定性 為進(jìn)一步實現(xiàn)自動化修 剪技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ) 1 9 8 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報2 0 2 3年 參 考 文 獻(xiàn) 1 金玲 論綠籬造型在葫蘆島市城市綠化中的應(yīng)用 J 江西 農(nóng)業(yè) 2 0 1 6 9 6 3 2 孫秀梅 城市園林綠化工程技術(shù)研究 J 種子科技 2 0 2 1 3 9 1 9 5 9 6 3 陸兆蕾 城市園林植物整形修剪與造型分析 J 現(xiàn)代園 藝 2 0 1 7 2 3 1 8 8 4 郭雪連 園林綠化綠籬種植與養(yǎng)護(hù)技術(shù)探究 J 特種經(jīng)濟(jì) 動植物 2 0 2 1 2 4 8 8 4 8 5 5 武文韜 曹有為 冉玥 等 一種基于機(jī)器視覺識別的智能 綠籬修剪機(jī)設(shè)計 J 林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備 2 0 2 0 4 8 1 1 4 4 4 6 W u W e n t a o C a o Y o u w e i R a n Y u e e t a l D e s i g n o f m a c h i n e v i s i o n r e c o g n i t i o n b a s e d s m a r t h e d g e t r i m m e r J F o r e s t r y M a c h i n e r y W o o d w o r k i n g E q u i p m e n t 2 0 2 0 4 8 1 1 4 4 4 6 6 徐文玉 園林綠化機(jī)械設(shè)備的現(xiàn)狀與趨勢研究 J 四川水 泥 2 0 1 7 4 1 4 1 7 唐果 高速公路綠籬修剪機(jī)器人運動特性研究 D 重慶 重慶交通大學(xué) 2 0 1 8 T a n g G u o R e s e a r c h o n k i n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f e x p r e s s w a y h e d g e r o w p r u n i n g r o b o t D C h o n g q i n g C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y 2 0 1 8 8 王金剛 邢潔勤 趙秋俊 雙面綠籬修剪裝置有限元分析 與優(yōu)化設(shè)計 J 機(jī)械設(shè)計與制造 2 0 2 1 1 9 1 9 5 W a n g J i n g a n g X i n g J i e q i n Z h a o Q i u j u n F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f d o u b l e s i d e d h e d g e t r i m m e r J M a c h i n e r y D e s i g n M a n u f a c t u r e 2 0 2 1 1 9 1 9 5 9 汪群 一種園藝球面造型裁剪機(jī)械裝置 P 中國專利 C N 2 0 6 7 7 6 1 4 6 U 2 0 1 7 1 2 2 2 1 0 丁奕箏 組合式園藝修剪刀具 P 中國專利 C N 1 0 8 6 1 7 3 1 6 A 2 0 1 8 1 0 0 9 1 1 張新陽 回轉(zhuǎn)型綠籬修剪機(jī)設(shè)計及曲面成形關(guān)鍵技術(shù)研 究 D 蕪湖 安徽工程大學(xué) 2 0 2 0 Z h a n g X i n y a n g R e s e a r c h o n t h e d e s i g n a n d k e y t e c h n o l o g y o f t h e r o t a r y h e d g e t r i m m e r D W u h u A n h u i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 2 0 2 0 1 2 卓妙鑾 綠籬的配植與造景 J 現(xiàn)代園藝 2 0 1 7 6 1 2 0 1 2 1 1 3 肖蕾 吳娟 植物造型藝術(shù)在園林景觀設(shè)計中的應(yīng)用 J 現(xiàn)代園藝 2 0 1 7 2 2 7 0 1 4 畢樹生 于靖軍 宗光華 微操作手自由度的選擇 J 中 國機(jī)械工程 2 0 0 3 4