樹木養(yǎng)護多功能機修剪系統(tǒng)仿真分析

尼姝麗，薛國磊，戴佳銘，王述洋

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

樹木養(yǎng)護多功能機修剪系統(tǒng)仿真分析

尼姝麗，薛國磊，戴佳銘，王述洋

(東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對目前道路綠化樹木養(yǎng)護困難、工作繁重、人工操作等問題，設計一種樹木養(yǎng)護多功能機，并設計滿足高大樹木修剪的系統(tǒng).通過ADAMS仿真軟件對修剪系統(tǒng)進行運動學仿真分析，模擬修剪系統(tǒng)運動情況，得到末端修剪刀具的位置曲線及各個關節(jié)的角度、角速度、角加速度變化曲線.仿真結果表明修剪系統(tǒng)滿足設計要求.

樹木養(yǎng)護多功能機； 修剪系統(tǒng)； 運動學； ADAMS仿真

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展和城市化建設步伐的加快，道路和城區(qū)綠化建設越來越受到人們的重視，特別是綠化樹木成為道路基礎設施建設的重要組成部分.道路綠化樹木不僅保護生態(tài)平衡、改善城市氣候、豐富城市藝術形象，而且可以凈化空氣、保護環(huán)境衛(wèi)生、提高人們生活文化品位，對行駛車輛增加一道安全天然屏障[1 - 2].

道路綠化樹木需要定期進行修剪、噴藥等養(yǎng)護工作，且工作內(nèi)容隨季節(jié)性變化，勞動強度大[3].為實現(xiàn)綠化樹木不同位置修剪、自動化作業(yè)、減輕工人作業(yè)強度，本文設計一種結構緊湊、功能齊全、低成本，包括修剪、噴藥、削片等多個功能的道路綠化樹木養(yǎng)護多功能機，并對其修剪系統(tǒng)進行設計與仿真分析.

1 樹木養(yǎng)護多功能機設計總體結構 設計

樹木養(yǎng)護多功能機總體結構如圖1所示，主要由汽車底盤、修剪系統(tǒng)、發(fā)電機組、液壓泵、液壓油箱、儲物箱、控制系統(tǒng)、削片裝置、液泵、噴霧裝置等組成，能夠實現(xiàn)修剪、削片、噴霧等多個功能，可以通過修剪系統(tǒng)進行不同高度的綠化樹木的修剪和噴藥，同時可將修剪后的枝椏材通過小型削片機進行削片處理.由于綠化樹木養(yǎng)護是隨季節(jié)變化，所以在多功能機在非工作期間，可將各工作裝置拆卸下來，使車輛底盤保持運輸作業(yè)功能，真正實現(xiàn)一機多用的優(yōu)越性[4].

1—示燈；2—車架；3—控制箱；4—修剪系統(tǒng)；5—旋轉底座；6—液壓油箱；7—儲物箱；8—木片輸送管道； 9—削片機；10—尾警示燈；11—發(fā)電機；12—液壓泵；13—離合帶輪；14—分動箱；15—液泵；16—工具箱圖1 道路綠化樹木養(yǎng)護多功能機的總體結構Fig.1 The overall structure of road greening trees maintenance multifunction machine

1.1 修剪系統(tǒng)結構

修剪系統(tǒng)是樹木養(yǎng)護多功能機的關鍵部位，需要完成高大樹木、綠籬和綠地修剪，其主要由修剪刀具、執(zhí)行機構、旋轉底座、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，總體結構如圖2所示.

1—舉升液壓缸二； 2—伸縮臂；3—翻轉液壓缸；4—修剪刀具；5—腕部旋轉總成；6—腕部連接件； 7—視覺攝像機；8—基本臂；9—舉升液壓缸一；10—基座；11—旋轉底座圖2 修剪系統(tǒng)總體結構Fig.2 The overall structure of pruning system

修剪系統(tǒng)通過折疊伸縮六自由度機械臂來快速調(diào)節(jié)修剪姿態(tài)，以實現(xiàn)不同高度、角度和距離的綠化樹木和綠籬修剪，在機械臂末端搭載有修剪刀具，修剪刀具能夠針對不同的修剪對象快速地更換修剪刀，實現(xiàn)不同對象的修剪作業(yè).

1.2 作業(yè)空間計算

修剪系統(tǒng)的作業(yè)空間不僅受到修剪系統(tǒng)自由度的影響，同時與修剪系統(tǒng)各構件的尺寸、汽車底盤、液壓缸規(guī)格相關.AutoCAD中對六自由度修剪系統(tǒng)進行簡單工作空間分析，采用圖譜法將最高和最低修剪狀態(tài)表示出來，如圖3所示，根據(jù)多功能機整體結構要求，可以初步給定汽車底盤和旋轉支架高度H0、修剪幅度R、修剪高度H等參數(shù)，按照具體作業(yè)空間設計機構參數(shù)值.

圖3 修剪系統(tǒng)極限位置尺寸Fig.3 Size limit position of the pruning system

整機修剪的高度可達10 m，修剪幅度可達1.2 m.圖3中汽車底盤和旋轉支架的高度H0為1 950 mm，為避免修剪樹枝砸到車輛，由底盤寬度可知高空修剪時其幅度R至少為1 100 mm， 修剪的高度H為300～10 000 mm.設末端修剪刀具的坐標P(x，y，z)為修剪系統(tǒng)參考點，則可以得到末端位置坐標關系:

x=0

(1)

y=-l1cos θ1+l2cos θ2+l3cos θ3

(2)

z=H0+l1sin θ1+l2sin θ2+l3sin θ3

(3)

其中:y為修剪幅度R；z為修剪高度H； l1為基本臂長度； l2為伸縮臂長度； l3為腕部連接件長度；θ1為基本臂舉升角度；θ2為伸縮臂舉升角度；θ3為腕部翻轉角度.

查閱高空作業(yè)車的相關設計，初步選擇θ1為85°，θ2為165°，θ3為90°.根據(jù)整機布局要求，基本臂長度l1最大可以為2 800 mm，伸縮臂長度l2為5 240 mm，腕部連接件長度l3的長度為200 mm.將上述數(shù)據(jù)代入式(2)和(3)中，可以求得當修剪高度H為10 000.97 mm，修剪幅度R為1 120 mm.

2 修剪系統(tǒng)正向運動學分析

修剪系統(tǒng)是由六自由度的機械臂組成，當修剪系統(tǒng)的結構參數(shù)確定后，需要對修剪系統(tǒng)進行運動學分析，確定各傳動部件與末端修剪刀具的位姿之間關系.建立修剪系統(tǒng)簡化模型如圖4所示，將參考坐標系Ox0y0z0做為固定坐標系，即在運動分析中將其作為笛卡爾坐標系[5].

圖4 修剪系統(tǒng)運動模型簡化Fig.4 Simplified model of the pruning system

通過修剪模型的簡化獲得各傳動部件之間的運動關系，其Devavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)如表1所示.

表1 修剪系統(tǒng)的D-H參數(shù)

利用D -H矩陣求各關節(jié)變化矩陣運動方程為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

故修剪刀具坐標系相對于機座坐標系的變換矩陣T為

(9)

式中: Ci=cos θi；Si=sin θi；C12…i=cos(θ0+θ1+…+θi)；S12…i=sin(θ0+θ1+…+θi)；i=0, 1, 2, …； s為伸縮臂的伸縮量.

(10)

根據(jù)機械手末端在基坐標系下的位置和姿態(tài)的矩陣T，由式(9)和(10)將修剪系統(tǒng)運動學方程拆解為

(11)

3 修剪系統(tǒng)仿真分析

3.1 建立系統(tǒng)仿真模型

在SolidWorks中設置圖形坐標系和單位(MMK-mm， kg， N， s， deg)，將樹木養(yǎng)護多功能機三維模型另存為Parasolid-tst格式輸出[6]，然后進入ADAMS環(huán)境中，點開file， 單擊import， 打開已保存的模型文件，單擊OK按鈕，完成模型導入如圖5所示.

圖5 導入修剪系統(tǒng)模型Fig.5 Importing the pruning system model

設置坐標系的x軸為汽車左側，y軸為垂直地面方向上，z軸為汽車行駛方向.設置修剪系統(tǒng)材料屬性如表2所示.

表2 修剪系統(tǒng)材料屬性

3.2 創(chuàng)建運動約束

通過施加約束將不同零部件連接成一個完整的機械系統(tǒng)，創(chuàng)建各關節(jié)及交接點之間的約束如圖6所示.主要將汽車底盤與大地間用固定副連接，油缸和伸縮臂的移動副、各關節(jié)之間和油缸各鉸接點的轉動副、旋轉底座的轉動副、修剪電機和修剪刀具之間采用固定副連接.

圖6 約束后的修剪系統(tǒng)模型Fig.6 Pruning system model after constraint

3.3 驅動函數(shù)設置

修剪系統(tǒng)的仿真分析主要是修剪系統(tǒng)與修剪刀具位姿之間的關系，通過對舉升液壓缸一、舉升液壓缸二、伸縮臂、翻轉液壓缸、腕部旋轉馬達、旋轉底座的運動函數(shù)設置，從而確定整個系統(tǒng)末端相關運動參數(shù)以及各作用缸的受力情況.本次仿真分析采用ADAMS軟件庫函數(shù)里的三次多項式構造階躍函數(shù)作為驅動函數(shù)，其STEP函數(shù)格式[7 - 8]如下:

STEP(A, X0, H0, X1, H1)

(12)

其中:A為函數(shù)的自變量；X0為自變量的初始值；H0為應變量的初始值；X1為自變量的終止值；H1為應變量的終止值.

把液壓缸活塞桿的伸長量定義為時間(t，time)變化的函數(shù)，分別對舉升液壓缸一、舉升液壓缸二、伸縮臂、翻轉液壓缸、腕部旋轉馬達、旋轉底座的運動進行描述.

舉升液壓缸一的STEP函數(shù): step(time, 8, 0, 20, -200)+step(time, 50, 0, 80, -206)；

舉升液壓缸二的STEP函數(shù): step(time, 20, 0, 80, -50)+step(time, 80, 0, 200, -508)；

伸縮臂的STEP函數(shù): step(time, 8, 0, 15, 800)+step(time, 50, 0, 80, -800)+step(time, 150, 0, 200, 2 000)；

翻轉液壓缸的STEP函數(shù): step(time, 100, 0, 210, 200)；

腕部旋轉馬達的STEP函數(shù): step(time, 100, 0, 160, -90)+step(time, 160, 0, 220, 270)；

底盤旋轉的STEP函數(shù): step(time, 0, 0, 20, 90)+step(time, 100, 0, 220, 360).

在進行修剪系統(tǒng)運動和動力學仿真時，要在ADAMS中進行反復參數(shù)設置，包括仿真類型、求解器、仿真步長的選擇.設定各關節(jié)旋轉副最大靜摩擦因數(shù)為0.5，動摩擦因數(shù)為0.09.

3.4 仿真結果及分析

在仿真過程中，不斷調(diào)節(jié)驅動函數(shù)，最終設置運動仿真時間為220 s和步長為2 000，觀察整個修剪過程，并對機構和修剪位姿進行干涉分析，未發(fā)生干涉現(xiàn)象，也不存在“死點”，運動過程順暢.在后處理模塊PostProcessor得到輸出修剪刀具運動曲線.

選取修剪刀具做為參考點，進行x軸(水平方向)、y軸(豎直方向)和z軸(垂直方向)的點對點測量, 如圖7所示. 由圖7可知，修剪刀具在y軸方向能達到最大值為9 821 mm，最小值為300 mm，水平修剪距離在730～3 230 mm，當修剪刀具到達最大位置時，修剪最遠距離為1 200 mm. 結果表明，修剪系統(tǒng)在豎直方向上存在180 mm的距離，相對而言滿足設計需求.

圖7 修剪刀具運動曲線Fig.7 Motion curve of cutting tool

在后處理模塊PostProcessor得到各關節(jié)角度、角速度和角加速度變化曲線如圖8所示，其中關節(jié)1、2、3、4分別為基本臂、伸縮臂、腕部翻轉、修剪刀具旋轉關節(jié).從圖8(a)可知: 關節(jié)1的旋轉角度為0～83°，關節(jié)2的旋轉角度為0～165.5°，關節(jié)3的旋轉角度為0～90°，關節(jié)4的旋轉角度為0～260°，滿足設計要求.由圖8(b)和8(c)可知， 修剪系統(tǒng)的各關節(jié)運動過程比較平穩(wěn)，角速度變化曲線相對來說比較平滑.但是，關節(jié)1角加速度發(fā)生突變，由于基本臂在短時間內(nèi)快速啟停導致.修剪系統(tǒng)各連桿之間不存在干涉情況，從而也說明連桿參數(shù)設計的合理性和正運動學算法的準確性.

(a) 角度

(b) 角速度

(c) 角加速度圖8 各關節(jié)角度、角速度和角加速度變化曲線Fig.8 The angle, angular velocity and angular acceleration curves of the joint

4 結 語

通過對樹木養(yǎng)護多功能機的設計，將修剪和削片有機組合在一起，實現(xiàn)一機多用.主要對修剪系統(tǒng)進行模型簡化和正向運動學分析，通過仿真分析模擬出機構中各零部件之間的運動情況，而且得到修剪系統(tǒng)末端位移、各關節(jié)角、角速度、角加速度的變化曲線.通過分析可知，該修剪系統(tǒng)可以修剪300～9 821 mm高的綠化樹木，水平修剪距離為730～3 230 mm，驗證了修剪系統(tǒng)設計的可行性和可靠性，為修剪系統(tǒng)動力學仿真奠定基礎.

[1] 張錚.哈爾濱市道路綠化結構與改善小氣候功能的研究[D].哈爾濱: 東北林業(yè)大學機電工程學院, 2007.

[2] YING H K, EAN O L, RIPIN Z M.The design and development of suspended handles for reducing hand-arm vibration in petrol driven grass trimmer [J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2011, 41(5): 459-470.

[3] 尼姝麗, 薛國磊, 王述洋, 等.道路綠化樹木修剪及剩余物制片

聯(lián)合機的研究與分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學, 2014(2): 501-502.

[4] 于盛通.大型車載式枝椏粉碎機設計與仿真研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學機電工程學院, 2013.

[5] 趙志強.采伐作業(yè)聯(lián)合機機械手的運動學動力學分析[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學機電工程學院, 2010.

[6] SARING Y. Robotics of fruit harvesting: A sate of the art review[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1993, 54(4): 465-280.

[7] 薛峰.基于ADAMS 的破碎錘工作裝置動態(tài)仿真分析[D].西安: 西安建筑科技大學環(huán)境與市政工程學院, 2007.

[8] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機技術入門與提高[M].北京: 機械工業(yè)出版社, 2005: 48-134.

Analysis and Simulation of Pruning System of Tree Maintenance Multifunction Machine

NIShu-li,XUEGuo-lei,DAIJia-ming,WANGShu-yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University， Harbin 150040，China)

In view of the present road greening trees maintenance difficulties, hard work, manual operation, a tree maintenance multifunctional machine and a meet high-altitude tree pruning system were designed. Kinematics simulation analysis of the pruning system was carried out via ADAMS simulation software, simulating the pruning system motion. Then the position curves of the ends of the tool and change curves of each joint angle, angular velocity and angular acceleration were got. The simulation results show that the pruning system meets the design requirements.

tree maintenance multifunctional machine; pruning system; kinematics; ADAMS simulation

1671-0444 (2016)04-0587-06

2015-03-24

尼姝麗(1963—)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，研究方向為機械制造及其自動化. E-mail: nishuli2004@163.com

TP 243.1

A