多功能園藝修枝機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)與特性分析

康積龍　侯衛(wèi)萍　李晨穎　傅業(yè)琳　李志遠(yuǎn)　丁在興

摘?要：針對(duì)國(guó)內(nèi)修枝機(jī)械作業(yè)方式比較原始，修枝勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低的問(wèn)題，對(duì)傳統(tǒng)修枝機(jī)械的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)一款具有多功能的園藝修枝機(jī)械臂。多功能園藝修枝臂的研究主要從作業(yè)原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化和模型構(gòu)建等方面進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)多功能園藝修枝臂的三維模型構(gòu)建和力學(xué)的受力分析，保證所設(shè)計(jì)的多功能園藝修枝機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的自由度、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度符合要求，滿足機(jī)械在實(shí)際作業(yè)中的工作要求。多功能園藝修枝機(jī)械臂集修枝和集材于一體，可實(shí)現(xiàn)修枝作業(yè)的機(jī)械化，提高作業(yè)效率。修枝機(jī)械臂在工作時(shí)，能夠一步實(shí)現(xiàn)枝條的修剪和收集，解決采用人工修枝費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，彌補(bǔ)傳統(tǒng)修枝工藝的不足，推動(dòng)園藝修枝機(jī)械的發(fā)展。該機(jī)械臂功能齊全，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于操作，能夠適應(yīng)復(fù)雜的林業(yè)機(jī)械作業(yè)的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：修枝機(jī)械;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化;模型構(gòu)建

中圖分類號(hào)：S776?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A???文章編號(hào)：1006-8023（2019）04-0082-07

Design and Characteristic Analysis of Multifunctional Gardening

Pruning Mechanical Arm

KANG Jilong， HOU Weiping*， LI Chenying， FU Yelin， LI Zhiyuan， DING Zaixing

（College of Engineering and Technology， Northeast Forest University， Harbin 150040）

Abstract：In view of the fact that the domestic pruning machinery operation mode is relatively primitive， the pruning labor intensity is high， and the efficiency is low， the structure and function of the traditional pruning machine are optimized， and a multifunctional gardening pruning robot arm is designed. The research of multifunctional gardening pruning arm is mainly analyzed from the aspects of operation principle， structural design and optimization， and model construction. Through the three-dimensional model construction and mechanical force analysis of the multi-functional gardening pruning arm， the freedom， structural strength and rigidity of the designed multi-functional gardening pruning arm structure are guaranteed to meet the requirements， and the mechanical work in the actual operation can be satisfied. The multi-functional gardening and pruning robotic arm integrates pruning and collecting functions， which can realize mechanization of pruning operations and improve work efficiency. When the pruning arm is working， it can realize the pruning and collecting of the branches in one step， solve the problem of time and laborious use of artificial pruning， make up for the deficiency of the traditional pruning process， and promote the development of the gardening pruning machine. The mechanical arm is fully functional， simple in structure， easy to operate， and can adapt to complex forestry machinery operations.

Keywords：Pruning machinery; structure design and optimization; model construction

0?引言

樹(shù)木修枝是森林撫育的主要措施，對(duì)樹(shù)木生長(zhǎng)、成材有非常積極的意義[1]。行道樹(shù)的合理修枝可以促進(jìn)樹(shù)木的成長(zhǎng)，提高樹(shù)木的通直度、抗彎強(qiáng)度，增強(qiáng)上部光合作用;同時(shí)對(duì)行道樹(shù)修枝可以提高道路通行的安全，對(duì)于行道樹(shù)中冠幅大、重心偏、枝條低的樹(shù)枝進(jìn)行修剪，使其盡可能的減少樹(shù)木在惡劣天氣發(fā)生倒伏的現(xiàn)象。國(guó)外機(jī)械化修枝技術(shù)起步較早，配套齊全[2]，低于8 m的樹(shù)枝可直接采用修枝鉗和伸縮臂完成修枝作業(yè)，但8 m 以上側(cè)枝修剪缺乏適用機(jī)械[3]。目前國(guó)內(nèi)在修枝機(jī)械方面也取得了一定的成果，但依舊處于半機(jī)械化狀態(tài)，主要以華南熱帶作物機(jī)械研究所設(shè)計(jì)并試制成功的3SG-8型全液壓修枝整形機(jī)為典型[4]，但該機(jī)械工作臺(tái)最大起升高度為8.5 m，且需要操作員在操作臺(tái)上進(jìn)行人工修枝作業(yè)。因此，現(xiàn)在仍然迫切需要開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種通過(guò)操作員在地面平臺(tái)操作即可實(shí)現(xiàn)作業(yè)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的新型多功能修枝機(jī)械。

園藝修枝機(jī)械的作業(yè)環(huán)境特殊，作業(yè)對(duì)象復(fù)雜[5]，對(duì)園藝修枝機(jī)械手臂的機(jī)構(gòu)和功能相對(duì)較高。針對(duì)以上所提到的情況，本文根據(jù)城市道路兩旁行道樹(shù)的修枝工藝特征和工作特性，在分析其作業(yè)環(huán)境和功能的前提下，對(duì)園藝修枝機(jī)械手臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，并進(jìn)行三維模型的構(gòu)建和受力分析，使修枝機(jī)械臂滿足實(shí)際修枝作業(yè)的要求。

1?多功能園藝修枝機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1?多功能修枝機(jī)械手臂的總體設(shè)計(jì)與工作原理

多功能修枝機(jī)械手臂由夾持及修枝部分、承載部分和驅(qū)動(dòng)控制等3個(gè)部分組成。夾持及修枝部分由機(jī)械臂前端的電鋸和機(jī)械爪等工作構(gòu)件組成。承載部分為多功能園藝修枝機(jī)械手臂最基礎(chǔ)的組成部分，根據(jù)承載結(jié)構(gòu)的不同，該部分分為可固定的水平承載臺(tái)和運(yùn)動(dòng)伸縮的承載臂。園藝修枝機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)控制是通過(guò)液壓氣驅(qū)動(dòng)為機(jī)械臂的工作部分提供動(dòng)力，通過(guò)液壓桿為機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力，同時(shí)在園藝修枝機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)處用插銷板對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行輔助的點(diǎn)控制，用編程控制器和計(jì)算機(jī)來(lái)控制進(jìn)行機(jī)械臂的整體控制和工作記錄。多功能修枝機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

在實(shí)際工作中用修枝機(jī)械進(jìn)行修枝時(shí)樹(shù)枝的位置是不可確定的，而且實(shí)際修枝過(guò)程中樹(shù)枝沒(méi)有對(duì)應(yīng)固定空間坐標(biāo)，因此無(wú)法在修枝前直接得到樹(shù)枝的空間坐標(biāo)（x，y，z）進(jìn)行樹(shù)枝的修剪。修枝機(jī)械臂是通過(guò)系統(tǒng)硬件、支撐臂和功能臂系統(tǒng)硬件、電鋸和機(jī)械爪系統(tǒng)硬件發(fā)送指令，進(jìn)而控制轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)、電鋸、機(jī)械爪和修枝臂，與同類機(jī)械相比具有更高的相對(duì)定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和鋸切作業(yè)[6]。本機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)樹(shù)枝的空間定位的方法是：首先將修枝臂調(diào)整到某一空間位置，通過(guò)計(jì)算機(jī)掃描測(cè)算樹(shù)枝距離工作臂的相對(duì)位置;然后通過(guò)對(duì)機(jī)械臂和下方旋轉(zhuǎn)臺(tái)的控制將機(jī)械爪運(yùn)動(dòng)到被修樹(shù)枝，機(jī)械爪抓取樹(shù)枝后啟動(dòng)修枝電鋸修剪樹(shù)枝;最后機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)收集樹(shù)枝，從而完成修枝作業(yè)。在機(jī)械手臂完成修枝作業(yè)后，工作人員通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整機(jī)械臂回到初始位置，并關(guān)閉機(jī)械動(dòng)力系統(tǒng)，修枝臂就完成一個(gè)工作循環(huán)[7]。修枝機(jī)械修枝流程如圖2所示。

1.2?機(jī)械手臂驅(qū)動(dòng)原理

多功能修枝機(jī)械手臂的控制系統(tǒng)是通過(guò)主控制單元和工業(yè)CAN總線相互配合共同構(gòu)成各機(jī)械臂的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，而修枝機(jī)械臂的每一節(jié)臂是網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中的一個(gè)控制單元。各節(jié)臂上的控制單元搭接在CAN總線上，實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸送。每個(gè)節(jié)臂上的控制單元又間接的搭接在主控制單元上，因此在主控制單元發(fā)出控制信號(hào)后，各節(jié)臂能夠快速的接收總線傳輸?shù)目刂菩盘?hào)。各節(jié)臂上的控制單元根據(jù)接收的信號(hào)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制并進(jìn)行信息反饋，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)園藝修枝機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)控制和監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)修枝作業(yè)功能。同時(shí)，各關(guān)節(jié)也會(huì)將修枝機(jī)械手臂的動(dòng)作信息實(shí)時(shí)通過(guò)CAN接口發(fā)送到主控制單元，從而實(shí)現(xiàn)完整的閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具體的驅(qū)動(dòng)控制原理如圖3所示。

2?機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1?設(shè)計(jì)變量的確定

多功能園藝修枝機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)變量包括主控制臺(tái)高度L1，第一節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L2，第二節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L3，第三節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L4，第四節(jié)伸縮臂臂長(zhǎng)L5，第一、二、三臂的轉(zhuǎn)角范圍為[θ2min，θ2max]，[θ3min，θ3max]，[θ4min，θ4max]。如圖4所示，為簡(jiǎn)化機(jī)械臂優(yōu)化的過(guò)程，根據(jù)地區(qū)樹(shù)木大致高度以及修枝機(jī)械手臂修枝的實(shí)際情況，確定L1=0.6 m。導(dǎo)軌行程與機(jī)械手臂的水平工作空間有關(guān)，綜合考慮，確定L2= L3= L4= L5=3 m。結(jié)合樹(shù)枝修剪區(qū)域情況以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)情況，可取θ2min=0°，θ3min=180°，θ4min=-90°;因此，需要優(yōu)化設(shè)計(jì)的變量為第一節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L2，第二節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L3，第三節(jié)支撐臂臂長(zhǎng)L4，以及機(jī)械臂的轉(zhuǎn)角θ2max，θ3max和θ4max，即

X=[X1，X2，X3，X4]T

=[L2，L3，L4，θ2max，θ3max，θ4max]T 。（1）

2.2?結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化

進(jìn)行機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)定，主要是建立各個(gè)關(guān)節(jié)間的自由度聯(lián)系，確定旋轉(zhuǎn)角度和變化范圍[8]。在滿足修枝要求的前提下，實(shí)現(xiàn)作業(yè)無(wú)效空間最小化[9]。故以其實(shí)際工作空間所圍成的面積為目標(biāo)函數(shù)，并使其在所包含的矩形工作區(qū)間LMNKL條件下為最小值[10]，即

minf（x）=SABCDFGA 。（2）

SABCDFGA=SPABP-SGFE-S△JFG-SAHI

=[r2pA（αβ-αA）-2r2IA（αH-AA）]/2。 （3）

式中：αA、αB、αH為各點(diǎn)的向量角;r為圓弧的半徑。

2.3?修枝機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)于實(shí)際情況中的機(jī)械臂每個(gè)作業(yè)位置都可以通過(guò)調(diào)節(jié)機(jī)械手臂的姿態(tài)與之對(duì)應(yīng)，采用D-H方法對(duì)修剪機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)建模分析[11]。為了使分析和計(jì)算更加便捷，對(duì)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行參數(shù)化，第一、二、三節(jié)臂長(zhǎng)分別為L(zhǎng)2、L3、L4;旋轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)角為θ1;第一、二、三節(jié)臂的轉(zhuǎn)角分別為θ2、θ3、θ4;則修枝機(jī)械臂的齊次變換矩陣為：

修枝機(jī)械臂的修枝動(dòng)作是在各節(jié)臂已知各個(gè)關(guān)節(jié)角的情況下，求修枝機(jī)械臂動(dòng)作時(shí)工作部分的動(dòng)作形式和動(dòng)作位置，即求出齊次變換矩陣15T，即可得到修枝機(jī)械臂作業(yè)時(shí)的姿態(tài)和前端修枝部分的空間位置，變化矩陣為：

變換矩陣中，sinθ23表示sin（θ2+θ3），cosθ23表示cos（θ2+θ3），sinθ234表示sin（θ2+θ3+θ4），cosθ234表示cos（θ2+θ3+θ4）。

3?動(dòng)力學(xué)仿真分析

3.1?建立三維模型

根據(jù)多功能園藝修枝機(jī)械手臂的實(shí)際設(shè)計(jì)要求按2∶1比例在SOLIDWORKS環(huán)境中建立修枝機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真模型[12]，如圖5所示。機(jī)械臂是金屬框架結(jié)構(gòu)，連接處和金屬支撐臂均倒有圓角，在安裝動(dòng)力裝置和傳動(dòng)裝置的地方均有相應(yīng)的安裝空間。為避免部分特征和小結(jié)構(gòu)特征影響網(wǎng)格的質(zhì)量，在實(shí)際建模時(shí)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，從而降低造成分析精度等問(wèn)題。

3.2?確定材料及模型分析劃分

在實(shí)際機(jī)械制造生產(chǎn)中主要使用的材料為鑄鐵和鋼，為選擇出制造機(jī)械臂的最佳材料，將常用的5種金屬材料進(jìn)行材料屬性比較，材料屬性見(jiàn)表1，從材料屬性表可以比較出合金鋼的張力強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度是最高的，且其抗剪模量高、膨脹系數(shù)低，根據(jù)修枝機(jī)械的工作環(huán)境和作業(yè)特性可知合金鋼是制造多功能園藝修枝機(jī)械手臂最優(yōu)選擇。由于機(jī)械手臂尺寸和體積較大，綜合修枝作業(yè)時(shí)機(jī)械臂的受力形式，在對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行三維模型受力分析時(shí)，主要對(duì)園藝修枝機(jī)械臂前部的機(jī)械爪等主要受力部分進(jìn)行受力分析和工作屬性驗(yàn)證，其他非主要受力部分只需滿足受力要求即可。

3.3?添加約束及施加載荷

該修枝機(jī)械手臂在進(jìn)行修剪和集材工作時(shí)，工作部分的機(jī)械爪需夾持所要修剪的樹(shù)枝，并在樹(shù)枝修剪后將其夾持起升和收集。根據(jù)修枝機(jī)械臂的實(shí)際工作情況和受力可知，修枝機(jī)械工作時(shí)作用在修枝作業(yè)部分的載荷為0～6 000 N，由于模型是按2∶1比例構(gòu)建，所以模型所加的外部載荷為0～3 000 N。修枝機(jī)械在實(shí)際修枝作業(yè)時(shí)所承受的力非恒定的，且受外部環(huán)境影響，因此在進(jìn)行仿真分析時(shí)以300 N為增量對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行受力分析，同時(shí)對(duì)修枝機(jī)械在高溫和低溫條件下進(jìn)行受力分析。

在受力分析時(shí)對(duì)第四節(jié)機(jī)械臂前端施加固定約束，對(duì)機(jī)械爪施加外載荷，并進(jìn)行實(shí)體網(wǎng)格化，模擬機(jī)械臂實(shí)際修枝工作情況下的受力分析，具體實(shí)施如圖6所示。

3.4?受力結(jié)果分析

對(duì)修枝機(jī)械臂仿真模型施加約束后，放松其縱向移動(dòng)，在上部工作部分的機(jī)械爪處施加修枝的計(jì)算壓力N，方向?yàn)樗藜魳?shù)枝與機(jī)械爪接觸面的法線方向。通過(guò)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行靜應(yīng)力受力分析和屈曲分析，得出修枝機(jī)械臂仿真模型在不同環(huán)境條件下安全系數(shù)、應(yīng)力、靜態(tài)位移和應(yīng)變的變化曲線圖，見(jiàn)表2、圖7～圖9;機(jī)械臂在正常工作條件下的屈曲分析如圖10所示;以及機(jī)械臂在平均外載荷作用下的受力分析如圖11～圖13所示。由表2、圖7至圖9可以看出機(jī)械臂在不同環(huán)境條件下安全系數(shù)、應(yīng)力、靜態(tài)位移和應(yīng)變雖然都因環(huán)境影響存在差異，但在允許施加的外載荷范圍內(nèi)各影響因素均滿足實(shí)際工作要求，不影響正常修枝作業(yè);由圖10可知修枝臂在修剪額定外載荷內(nèi)的樹(shù)枝時(shí)屈曲特征值均大于等于1，且當(dāng)外載荷超過(guò)修枝機(jī)械的屈服極限后屈曲特征值將趨于穩(wěn)定;由圖11～圖13可以看出當(dāng)對(duì)修枝機(jī)械施加平均外載荷時(shí)工作部分最大受力為機(jī)械爪與樹(shù)枝接觸部分，機(jī)械變形比例為1，最大靜應(yīng)力為1 510.6 N/mm2，最大變形位移為1.094 mm，最大應(yīng)變?yōu)?.005，根據(jù)模擬受力分析和實(shí)際作業(yè)情況相比較可知修枝機(jī)械臂滿足使用要求。

4?結(jié)論

從分析機(jī)械臂的總體機(jī)構(gòu)入手，在深入明確機(jī)械臂修枝作業(yè)原理的前提下，通過(guò)對(duì)各機(jī)械節(jié)臂的參數(shù)分析、選擇和運(yùn)動(dòng)分析，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。在理論模型的指導(dǎo)下，構(gòu)建了多功能園藝修枝機(jī)械的三維模型，通過(guò)對(duì)模型的受力分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的可操作性和安全性。同時(shí)證明了多功能園藝修枝機(jī)械能夠克服園藝修枝中所遇到的諸多困難，能夠?qū)崿F(xiàn)修枝作業(yè)的機(jī)械化，提高作業(yè)效率，解決采用人工修枝費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題。

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