機械手采摘黃瓜的振動研究

李　敏，方建軍北方工業(yè)大學機械與材料工程學院

機械手采摘黃瓜的振動研究

李敏，方建軍
北方工業(yè)大學機械與材料工程學院

為了研究機械手采摘黃瓜后移動到采摘筐過程中黃瓜的振動情況，用proe建立采摘黃瓜機器人的簡化三維模型，然后導(dǎo)入Adams仿真軟件中將黃瓜進行柔性化處理，并且用不同的加速度和黃瓜質(zhì)量進行仿真分析，最后通過選取10組不同的華南型黃瓜在一維數(shù)控滑臺上進行實驗，用WK10控制軟件控制機械臂的加速度，并通過位移傳感器記錄黃瓜的振動情況。通過比較驗證得出用Adams仿真軟件可以較精確的反映黃瓜的振動情況。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；Adams仿真；一維數(shù)控滑臺

1　緒論

黃瓜種植廣泛，是人們?nèi)粘Ｉ钪凶畛Ｒ姷氖卟酥?，其采摘主要是靠人工采摘，采摘強度大、效率低、成本高?/p>

2011年中國農(nóng)業(yè)大學研發(fā)了我國第一臺黃瓜采摘機器人[1]。目前國內(nèi)對黃瓜采摘機器人的研究還處于不成熟階段，紀超等研究了溫室黃瓜采摘機器人系統(tǒng)研制及性能分析[2]，馮青春等研究了黃瓜采摘機械臂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與運動分析[3]，兩人只研究了黃瓜采摘機器人的結(jié)構(gòu)。李永強等研究了基于Adams的釀酒葡萄植株受迫振動的仿真研究[4]，對機械手采摘黃瓜的振動仿真具有指導(dǎo)意義，但是釀酒葡萄與黃瓜在植株結(jié)構(gòu)、栽培模式、個體參數(shù)及采摘的方式都存在很大差異，因此需要獨立研究機械手采摘黃瓜的振動。

機械手采摘黃瓜后，由于機械手加速度的影響，黃瓜會發(fā)生振動，如果振動過大就會使黃瓜掉落，并且不能快速準確的放入采摘筐中，影響黃瓜的采摘效率，因此有必要研究機械手采摘黃瓜的振動特性。

在Adams仿真軟件中進行機械手采摘黃瓜的振動仿真研究，然后通過實驗驗證，分析得出影響機械手采摘黃瓜振動的因素，為下一步做抑制機械手采摘黃瓜振動的控制研究提供參數(shù)。

2　機械手采摘黃瓜系統(tǒng)振動仿真

2.1建立機械手采摘黃瓜的三維模型

采摘黃瓜的機器人包括移動平臺、控制顯示器、圖像識別系統(tǒng)、機械臂、末端執(zhí)行器、采摘筐等機構(gòu)[5]，由于機械手采摘黃瓜的實際情況復(fù)雜，影響因素眾多，本研究中只研究機械手采摘黃瓜移動過程中發(fā)生的振動，因此簡化模型，將移動平臺簡化成一維數(shù)控滑臺，將機械臂和末端執(zhí)行器簡化成在一維數(shù)控滑臺上移動的機械手。在proe中建立機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

在機械手采摘黃瓜系統(tǒng)中，機械手是剛性體，黃瓜是柔性體，二者通過剛?cè)狁詈舷噙B接。在Adams中建立機械手采摘黃瓜的剛?cè)狁詈夏Ｐ蚚7]，進行機械手從摘取到放入采摘筐過程中黃瓜振動的運動及動力學仿真，研究分析影響黃瓜振動的因素[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模塊將黃瓜進行網(wǎng)格劃分；第三，在有限元軟件中將黃瓜進行網(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的特性，因此在Adams/View中直接用AutoFlex模塊將黃瓜進行網(wǎng)格劃分建立其柔性模型[9]。

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

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，黃瓜在機械臂移動的過程中受加速度的影響，且加速度越大黃瓜振動的振幅越大。

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

由圖分析知，黃瓜的質(zhì)量對黃瓜的振動影響較小。

綜上分析知，機械臂的加速度是影響黃瓜振動的主要因素，且加速度越大振幅越大。

3　實驗驗證

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，測量黃瓜的質(zhì)量、長度，利用實驗室的設(shè)備測量黃瓜的彈性模量為25.4MPa[11],泊松比為0.4。

3.2實驗設(shè)備

本文主要研究機械臂采摘黃瓜后移動放入采摘筐過程時黃瓜的振動情況，因此簡化采摘黃瓜機器人，采用一維數(shù)控滑臺進行研究?；_長1500mm，用86步進電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，機械臂隨滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動在滑臺上移動。電腦通過USB數(shù)據(jù)線連接WK10運動控制器在電腦上通過WK10的操作界面控制86電機的轉(zhuǎn)速，從而可以控制機械臂移動的速度和加速度。在黃瓜上放置貼片式位移傳感器記錄黃瓜的振動情況[12]。

將實驗結(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仿真和實驗結(jié)果分析得出的黃瓜的振動趨勢、振幅及減振時長大致相同。

4　總結(jié)

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

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李敏（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為助老助殘家庭服務(wù)型機器人。