城市園林自動修剪機器人動力學(xué)仿真研究

李名地

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著社會的不斷進步，城市園林的發(fā)展日益更新。園林修整與管理的機器設(shè)備具有可操作性強、運動精度可控及工作效率高等優(yōu)點，目前在園林發(fā)展與建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。近年來，根據(jù)園林建設(shè)的整體美觀與協(xié)調(diào)，為充分提高園林修剪機器人的自動化程度，多位學(xué)者從修剪機器的機構(gòu)與控制角度出發(fā)，分別利用多種理論對機器性能最優(yōu)化進行研究改進，筆者在借鑒前人學(xué)者研究思路與理論的基礎(chǔ)上，對城市園林修剪機器人的自動化程度進行分析，通過動力學(xué)理論模型建立與進行仿真試驗，對自動修剪機器人展開研究。

1 整機原理及參數(shù)

園林修剪機器人是一種代替人工進行園林枝葉修整與去除的有效作業(yè)機器，主要包括控制部件、攀爬部件、姿態(tài)調(diào)整部件、回轉(zhuǎn)機構(gòu)及末端執(zhí)行器等，其主要工作參數(shù)為機械臂的作業(yè)閾值、自由度及定位精度等，作業(yè)閾值通過有效銜接各個肢體關(guān)節(jié)的長度與行程問題確定。

針對機器人自由度問題，必須在合理的坐標系之下建立各關(guān)節(jié)的空間結(jié)構(gòu)從而掌握機械人修剪末端執(zhí)行器的軌跡與定位；定位精度則由修剪機器人的自動化程度決定，通過編入指定的程序，在控制指令作用下，通過感知、傳遞、調(diào)節(jié)與執(zhí)行環(huán)節(jié)完成末端執(zhí)行器的合理運動與精準定位環(huán)節(jié)。表1給出自動修剪機器人的D-H參數(shù)設(shè)計，定義了機器人各修剪作業(yè)關(guān)節(jié)的角度及長度，以確保各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)作業(yè)。

表1 自動修剪機器人D-H參數(shù)設(shè)計

2 動力學(xué)分析

2.1 工作空間

修剪機器人動力學(xué)工作空間作業(yè)決定機器人整機修剪效率，為避免機器人在作業(yè)過程中死點及作業(yè)死區(qū)缺陷，通過力學(xué)分析形成機器人的運動正、逆運動學(xué)程序及各關(guān)節(jié)角度的變化。園林自動修剪機器人工作空間流程簡圖如圖1所示。

2.2 動力學(xué)模型

根據(jù)園林農(nóng)藝特點及修剪機器人作業(yè)要求，建立修剪機器人在作業(yè)過程中的位移、速度、加速度及相關(guān)動力學(xué)模型，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中θd—機器人的位移；

Kp—動力學(xué)模型對角正定矩陣比例調(diào)節(jié)；

Kd—動力學(xué)模型對角正定矩陣比例調(diào)節(jié)；

H—動力學(xué)模型實際值計算矩陣；

N—動力學(xué)模型實際值計算矩陣。

修剪機器人穩(wěn)定性分析選用函數(shù)為

(5)

(6)

圖1 園林自動修剪機器人工作空間流程簡圖

依照理論模型，建立機器人作業(yè)關(guān)節(jié)流程，如圖2所示。修剪作業(yè)時，經(jīng)視覺單元采集與傳遞，末端執(zhí)行單元在控制系統(tǒng)的作用下依次進行初步靠近與精細調(diào)整，最終到達修剪部位進行持續(xù)作業(yè)，此過程利用PD控制調(diào)節(jié)。

圖2 園林自動修剪機器人作業(yè)關(guān)節(jié)流程簡圖

2.3 驅(qū)動控制

修剪機器人驅(qū)動控制設(shè)計與應(yīng)用應(yīng)根據(jù)作業(yè)需求，利用函數(shù)控制關(guān)系(7)進行作業(yè)控制，建立控制網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，實時對機器人修整作業(yè)的動作輸入、輸出進行接收、調(diào)整與反饋。

y=WTσ(x) (x∈Rn,y∈Rm)

(7)

式中x—控制網(wǎng)絡(luò)輸入；

y—控制網(wǎng)絡(luò)輸出；

W—核心權(quán)值矩陣；

σ(x)—激活函數(shù)矢量。

表2 自動修剪機器人驅(qū)動控制函數(shù)

依據(jù)機器人關(guān)節(jié)運動規(guī)律，給出驅(qū)動控制函數(shù)詳細代碼(見表2)，并結(jié)合自動修剪機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖(見圖3)，通過驅(qū)動控制與下位機程序控制，開關(guān)量輸出至修剪機器人各運動執(zhí)行部件開展修剪作業(yè)；各個關(guān)節(jié)加裝智能傳感器應(yīng)用裝置，保證傳遞數(shù)據(jù)及信號的準確性與及時性，且可進行遠程調(diào)控。

圖3 城市園林自動修剪機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 仿真試驗

3.1 試驗前置要求

對修剪機器人運動軌跡進行仿真試驗，分別考慮直線修剪與圓弧修剪，均建立在X0-Z0平面，軌跡方程分別為

(8)

同時，建立模型并通過剛度與性能指標綜合求解，通過多次優(yōu)化要素及調(diào)整參數(shù)，建立近似優(yōu)化模型，進而給出經(jīng)多目標函數(shù)優(yōu)化的理論參數(shù)范圍，即

(10)

(11)

3.2 試驗分析

為深入了解自動修剪機器人在不同修剪高度作業(yè)要求下所需匹配的控制電機性能，仿真試驗設(shè)定修剪高度作為變化參數(shù)，從而記錄控制電機的功率與角度變化情況，如表3所示。由表3可知：在廣泛應(yīng)用的修剪高度變化400～500mm范圍時，電機各項參數(shù)能夠較好地保持穩(wěn)定性能，轉(zhuǎn)動角度在可控可達閾值內(nèi)，電控裝置仿真表現(xiàn)良好。

表3 自動修剪機器人不同修剪高度對應(yīng)控制電機參數(shù)

續(xù)表3

為進一步提升自動修剪機器人的定位及補償功能，在仿真試驗加入定位及補償裝置，同時編入補償程序進行控制與調(diào)整，結(jié)果如表4所示。由表4的10組數(shù)據(jù)可看出：初始定位的實際作業(yè)修剪位置，經(jīng)定位補償器修正后的位置坐標更為準確，誤差控制在6%左右。

經(jīng)試驗并不斷變化參數(shù)驗證，記錄與分析繪制特征參數(shù)曲線。圖4為機器人仿真試驗主關(guān)節(jié)1的角度運動變化曲線，圖5給出自動修剪機器人扭矩變化仿真曲線。由曲線變化可知：左右方位變化角度互補且扭矩配合一致性較好，試驗效果良好。

圖4 自動修剪機器人角度仿真曲線

表4 自動修剪機器人定位及補償試驗數(shù)據(jù)記錄

續(xù)表4

圖5 自動修剪機器人扭矩仿真曲線

4 結(jié)論

1)在自動修剪機器人整機的結(jié)構(gòu)及修整原理的基礎(chǔ)上，通過分析機械人各修剪部位的動力學(xué)運動規(guī)律，加入驅(qū)動智能控制，使得修剪機器人各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動良好。

2)經(jīng)多次目標函數(shù)優(yōu)化，獲取自動修剪機器人的運動參數(shù)，并利用機構(gòu)的運動定位與補償功能，實現(xiàn)修剪機器人各關(guān)節(jié)作業(yè)定位的準確性，定位誤差控制在6%左右，使得園林修剪機器人按照既定的設(shè)計進行修剪，效果良好。

3)結(jié)合運動學(xué)規(guī)律，對城市園林自動修剪機器人的動力學(xué)進行仿真試驗，記錄了各關(guān)節(jié)臂的運動角度與作業(yè)過程中的扭矩變化情況，為解修剪部件的承載力與實際運動軌跡跟蹤提供一定的理論參考，有利于相似修剪機器人的開發(fā)與改進。