機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)研究

李　敏，方建軍北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院

機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)研究

李敏，方建軍
北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院

為了研究機(jī)械手采摘黃瓜后移動(dòng)到采摘筐過(guò)程中黃瓜的振動(dòng)情況，用proe建立采摘黃瓜機(jī)器人的簡(jiǎn)化三維模型，然后導(dǎo)入Adams仿真軟件中將黃瓜進(jìn)行柔性化處理，并且用不同的加速度和黃瓜質(zhì)量進(jìn)行仿真分析，最后通過(guò)選取10組不同的華南型黃瓜在一維數(shù)控滑臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用WK10控制軟件控制機(jī)械臂的加速度，并通過(guò)位移傳感器記錄黃瓜的振動(dòng)情況。通過(guò)比較驗(yàn)證得出用Adams仿真軟件可以較精確的反映黃瓜的振動(dòng)情況。加速度是影響黃瓜的主要因素，且加速度越大黃瓜的振幅越大。

黃瓜采摘；振動(dòng)；Adams仿真；一維數(shù)控滑臺(tái)

1　緒論

黃瓜種植廣泛，是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ?jiàn)的蔬菜之一，其采摘主要是靠人工采摘，采摘強(qiáng)度大、效率低、成本高。

2011年中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研發(fā)了我國(guó)第一臺(tái)黃瓜采摘機(jī)器人[1]。目前國(guó)內(nèi)對(duì)黃瓜采摘機(jī)器人的研究還處于不成熟階段，紀(jì)超等研究了溫室黃瓜采摘機(jī)器人系統(tǒng)研制及性能分析[2]，馮青春等研究了黃瓜采摘機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)分析[3]，兩人只研究了黃瓜采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)。李永強(qiáng)等研究了基于Adams的釀酒葡萄植株受迫振動(dòng)的仿真研究[4]，對(duì)機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)仿真具有指導(dǎo)意義，但是釀酒葡萄與黃瓜在植株結(jié)構(gòu)、栽培模式、個(gè)體參數(shù)及采摘的方式都存在很大差異，因此需要獨(dú)立研究機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)。

機(jī)械手采摘黃瓜后，由于機(jī)械手加速度的影響，黃瓜會(huì)發(fā)生振動(dòng)，如果振動(dòng)過(guò)大就會(huì)使黃瓜掉落，并且不能快速準(zhǔn)確的放入采摘筐中，影響黃瓜的采摘效率，因此有必要研究機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)特性。

在Adams仿真軟件中進(jìn)行機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)仿真研究，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分析得出影響機(jī)械手采摘黃瓜振動(dòng)的因素，為下一步做抑制機(jī)械手采摘黃瓜振動(dòng)的控制研究提供參數(shù)。

2　機(jī)械手采摘黃瓜系統(tǒng)振動(dòng)仿真

2.1建立機(jī)械手采摘黃瓜的三維模型

采摘黃瓜的機(jī)器人包括移動(dòng)平臺(tái)、控制顯示器、圖像識(shí)別系統(tǒng)、機(jī)械臂、末端執(zhí)行器、采摘筐等機(jī)構(gòu)[5]，由于機(jī)械手采摘黃瓜的實(shí)際情況復(fù)雜，影響因素眾多，本研究中只研究機(jī)械手采摘黃瓜移動(dòng)過(guò)程中發(fā)生的振動(dòng)，因此簡(jiǎn)化模型，將移動(dòng)平臺(tái)簡(jiǎn)化成一維數(shù)控滑臺(tái)，將機(jī)械臂和末端執(zhí)行器簡(jiǎn)化成在一維數(shù)控滑臺(tái)上移動(dòng)的機(jī)械手。在proe中建立機(jī)械手采摘黃瓜的三維模型，然后導(dǎo)入Ad?ams中[6]。

2.2Adams仿真模型的建立

在機(jī)械手采摘黃瓜系統(tǒng)中，機(jī)械手是剛性體，黃瓜是柔性體，二者通過(guò)剛?cè)狁詈舷噙B接。在Adams中建立機(jī)械手采摘黃瓜的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚7]，進(jìn)行機(jī)械手從摘取到放入采摘筐過(guò)程中黃瓜振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)仿真，研究分析影響黃瓜振動(dòng)的因素[8]。

在Adams中將黃瓜柔性化有三種方式：第一，將黃瓜離散成幾段剛體，然后剛體間用柔性連接；第二，在Adams/View中直接用AutoFlex模塊將黃瓜進(jìn)行網(wǎng)格劃分；第三，在有限元軟件中將黃瓜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成模態(tài)中性文件，然后導(dǎo)入Adams中建立黃瓜的柔性體。本研究采用第二種方法即可很好的反映黃瓜振動(dòng)的特性，因此在Adams/View中直接用AutoFlex模塊將黃瓜進(jìn)行網(wǎng)格劃分建立其柔性模型[9]。

添加約束和驅(qū)動(dòng)建立機(jī)械手采摘黃瓜的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚10]?；_(tái)與地面之間添加固定副，機(jī)械臂與滑臺(tái)之間添加移動(dòng)副，黃瓜與機(jī)械臂之間采用固定連接Fixed連接，最后用AutoFlex模塊將黃瓜進(jìn)行網(wǎng)格劃分，完成機(jī)械手采摘黃瓜的剛?cè)狁詈辖?。在機(jī)械臂與滑臺(tái)之間的移動(dòng)副上添加驅(qū)動(dòng)。

2.3Adams仿真結(jié)果與分析

if(time-0.5:step(time,0,0,0.5,500),500,step(time,0.5,500,1,0))

if(time-0.5:step(time,0,0,0.5,1000),1000,step(time,0.5,1000,1,0))

if(time-0.5:step(time,0,0,0.5,1500),1500,step(time,0.5,1500,1,0))

其仿真結(jié)果如下圖：

由圖分析知，黃瓜在機(jī)械臂移動(dòng)的過(guò)程中受加速度的影響，且加速度越大黃瓜振動(dòng)的振幅越大。

取三組黃瓜質(zhì)量為89g、200g、300g的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，加速度都為，其仿真結(jié)果如下圖：

由圖分析知，黃瓜的質(zhì)量對(duì)黃瓜的振動(dòng)影響較小。

綜上分析知，機(jī)械臂的加速度是影響黃瓜振動(dòng)的主要因素，且加速度越大振幅越大。

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1黃瓜的相關(guān)參數(shù)

選取10根幾何形狀不同的華南型黃瓜，測(cè)量黃瓜的質(zhì)量、長(zhǎng)度，利用實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備測(cè)量黃瓜的彈性模量為25.4MPa[11],泊松比為0.4。

3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本文主要研究機(jī)械臂采摘黃瓜后移動(dòng)放入采摘筐過(guò)程時(shí)黃瓜的振動(dòng)情況，因此簡(jiǎn)化采摘黃瓜機(jī)器人，采用一維數(shù)控滑臺(tái)進(jìn)行研究?；_(tái)長(zhǎng)1500mm，用86步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)械臂隨滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)在滑臺(tái)上移動(dòng)。電腦通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接WK10運(yùn)動(dòng)控制器在電腦上通過(guò)WK10的操作界面控制86電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而可以控制機(jī)械臂移動(dòng)的速度和加速度。在黃瓜上放置貼片式位移傳感器記錄黃瓜的振動(dòng)情況[12]。

將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與Adams仿真結(jié)果相比較，如上圖所示，由上圖分析比較知Adams仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出的黃瓜的振動(dòng)趨勢(shì)、振幅及減振時(shí)長(zhǎng)大致相同。

4　總結(jié)

通過(guò)Adams仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分析得出用Adams仿真軟件進(jìn)行黃瓜的振動(dòng)分析可以較準(zhǔn)確的得出黃瓜振動(dòng)的趨勢(shì)、振幅以及減振時(shí)長(zhǎng)。加速度是影響黃瓜振動(dòng)的主要因素，且加速度越大黃瓜的振幅也越大，以后可以用Adams進(jìn)行這方面的研究分析，這樣可以減少建模的時(shí)間以及實(shí)驗(yàn)成本，此外研究得出的數(shù)據(jù)為下一步做抑制機(jī)械手采摘黃瓜振動(dòng)的控制研究提供參考。實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化了黃瓜采摘機(jī)器人和采摘的環(huán)境，由于黃瓜采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及采摘環(huán)境也會(huì)影響黃瓜的振動(dòng)情況，因此還需完善理論模型且在實(shí)際的黃瓜采摘環(huán)境中進(jìn)行分析研究。

[1]劉長(zhǎng)林,張鐵中,楊麗.果蔬采摘機(jī)器人研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2008,36(13)：5394-5397

[2]紀(jì)超,馮青春,袁挺,等.溫室黃瓜采摘機(jī)器人系統(tǒng)研制及性能分析[J].機(jī)器人.2011(06)：726-730

[3]馮青春,紀(jì)超,張俊雄,等.黃瓜采摘機(jī)械臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)分析[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2010(41增刊)：244-248.

[4]李永強(qiáng)，楊學(xué)軍，王俊，等.基于Adams的釀酒葡萄植株受迫振動(dòng)仿真研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué).2015,43（27）：220-224

[5]葛宜元，吳慶越，李瞳，等.黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)研究[M].農(nóng)機(jī)使用與維修.2016(01).

[6]霍鵬飛，楊潔明，任錫義，等.基于PRO/E和ADAMS的直線振動(dòng)篩動(dòng)力學(xué)仿真[M].煤礦機(jī)電.2010(03)：14-16

[7]陳立平等編著.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析及ADAMS應(yīng)用教程[M].清華大學(xué)出版社,2005

[8]李軍等編.ADAMS實(shí)例教程[M].北京理工大學(xué)出版社,2002

[9]張愛(ài)蓮,陳書(shū)劍.ADAMS柔性體建模技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械.2011,32(6)：95-97

[10]石珍強(qiáng),徐培民.ADAMS剛?cè)狁詈隙囿w系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2007,24(01)：43-45

[11]任述光，吳明亮，謝方平，等.油菜莖稈彈性模量的測(cè)定[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2015,34（1）：38-41

[12]姚天曙,丁為民.機(jī)械手采摘黃瓜的振動(dòng)特性試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào).2006,22(9)：250-253

李敏（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹现鷼埣彝シ?wù)型機(jī)器人。