新形棗果收集裝置的設計及控制系統仿真分析

郭琳，孫銘，辛琳，高帥，劉蒙，王興源

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

梳耙式棗果收集機主要由動力裝置、收集裝置、機械手臂等組成，動力系統為裝置提供動力，通過控制氣壓缸的運動，實現對機械手臂的運動控制，柔性的梳耙將棗果與樹枝分離，分離的棗果由傘狀收集器統一收集。與傳統的人工收集相比，機器收集的效率更高，與震動式收集器相比，梳耙式棗果收集器避免了對樹枝的損傷，故對氣動梳耙式棗果收集器的研究很有價值。

1 整機結構及工作原理

1.1 整機結構

針對于棗果生長的條件,設計了一種梳耙式棗果收集機，主要由氣壓系統、可移動基體、機械手臂、集果裝置、傘狀收集器等組成。整機的氣壓系統為裝置提供動力。基座上帶有車輪，車輪部分采用履帶式，它的優點是越障礙能力突出。集果裝置位于裝有儲氣缸的可移動基座上方，其作用為收集從傘狀收集器收集的棗果。機械手臂和傘狀收集器安裝在集果裝置上方，負責梳耙棗果。兩臺可同時工作的機器中間有一個導向環，工作時它套住樹干，兩機器間的連桿可繞著導向環旋轉。收獲機具體結構如圖1所示。

1.2 工作原理

根據棗果的分布情況，控制機械手臂的運動，完成最優收集。本機器采用的是氣動系統，利用PLC編程來控制氣流閥，空氣推動氣缸的活塞完成氣缸的收縮，從而實現機械手臂的空間運動。當收集完一個位置的棗果時，控制車輪運動，裝置將旋轉至另一個收集位置進行收集。經梳耙爪梳離墜落的棗果會落到傘狀收集裝置處，傘狀收集器收口于收集盒，故棗果會沿著帆布滑落至收集盒內，從而完成棗果的收集。

圖1 梳耙式棗果收獲機機構圖

2 機械手臂的設計分析

2.1 機械手臂的運動學分析

機械手臂的具體工作性能與它的運動和姿態有很大的關系，當對機構的幾何參數初步確定后，就可以對機械手臂的動臂、斗桿、梳耙桿進行必要的運動學分析，簡化計算圖如下圖2所示。

圖2 簡化計算圖

2.1.1 運動學坐標的建立

2.1.2 數學模型的建立

梳耙式機械手臂采摘時，可根據氣缸的長度來得出坐標系之間的姿態角即夾角，再由姿態角得出氣缸的真實長度。

（1）梳耙式機械手臂各點坐標計算。當我們已知工作裝置各點換矩陣可以求得各點在坐標系中的位置，具體的計算方法如下。

坐標系中的點在動態坐標系中的位置可以計算得出為[X,Y,1]=。

坐標系中的點在動態坐標系中的位置可以計算得出為[X,Y,1]=，以此方法同理計算出各點坐標。

（2）機械手臂的運動。通常在考慮機械手臂的運動時，可以利用正運動學和逆運動學。

設動臂的坐標原點相對于的位置向量為和，相對于坐標系原點的位置矢量為。

我們設定速度和角速度分別是角速度，和分別為相對于坐標系。機械手臂的動臂坐標系相對于機座坐標系的線速度和角速度可以分別通過如下計算得到：

坐標系相對于的角速度,棗果采摘手臂中的動臂在坐標系是轉動的，它以為軸相對于斗桿以轉動，因此我們可知：

通過上面公式進行化簡我們可以輕易地得到動臂相對于機械臂中斗桿的線速度和線加速度分別為：

那么動臂相對于的線速度和加速度我們也可得到為：

進行運動學分析，有利于機構的設計優化，而且對實現自動控制也具有非常重要的意義。

2.2 棗果采摘機械手臂位置控制系統的仿真分析

圖3 閉環位置控制系統傳遞函數方框圖

仿真分析是十分必要的。本論文先對棗果采摘機械手臂位置控制系統進行仿真分析，在這里以機械采摘手臂的斗桿裝置作為例子，它的開環傳遞函數可以輕易地得到，圖3為閉環位置控制系統傳遞函數方框圖。

此系統為I型系統，影響動態性能的主要是氣壓缸和比例閥的頻率，開環增益和氣壓缸的阻尼比主要影響系統的快速性和穩定性。現在我們運用MATLAB軟件對系統進行仿真，觀察閉環系統的單位階躍響應曲線能否滿足要求。

由仿真的結果我們可以看到,未調節的系統的峰值時間、調整時間不能夠滿足系統的要求，所以我們必須加入控制器進行調整。經過綜合分析最終我們確定采取PID控制器，取各項系數為Pk=16,Ti=1,Td=0.1。未經調整的系統無超調，且不能達到控制系統快速性的要求。經過引入PID控制器校正后可以得知峰值時間為4.8s,調整時間為3.6s。從單位階躍響應曲線上（如圖4）。兩條曲線對比可知，在引入了PID控制器后，控制系統的響應特性得到了很大的改善，已經符合我們對控制系統的要求。

圖4 閉環系統的單位階躍響應

3 結語

通過建立梳耙機械手臂的數學模型來確定裝置工作時的位置和姿態，機械式梳耙裝置的數學模型可以用于機構的設計以及運動學的分析。通過對位置控制系統的仿真分析，我們引入PID控制器，從而使得控制系統的性能得到改善。

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