城市園林自動修剪機器人動力學仿真研究

李名地

(廊坊職業技術學院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著社會的不斷進步，城市園林的發展日益更新。園林修整與管理的機器設備具有可操作性強、運動精度可控及工作效率高等優點，目前在園林發展與建設中被廣泛應用。近年來，根據園林建設的整體美觀與協調，為充分提高園林修剪機器人的自動化程度，多位學者從修剪機器的機構與控制角度出發，分別利用多種理論對機器性能最優化進行研究改進，筆者在借鑒前人學者研究思路與理論的基礎上，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

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機器，主要包括控制部件、攀爬部件、姿態調整部件、回轉機構及末端執行器等，其主要工作參數為機械臂的作業閾值、自由度及定位精度等，作業閾值通過有效銜接各個肢體關節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節的空間結構從而掌握機械人修剪末端執行器的軌跡與定位；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、調節與執行環節完成末端執行器的合理運動與精準定位環節。表1給出自動修剪機器人的D-H參數設計，定義了機器人各修剪作業關節的角度及長度，以確保各關節協調作業。

表1 自動修剪機器人D-H參數設計

2 動力學分析

2.1 工作空間

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

2.2 動力學模型

根據園林農藝特點及修剪機器人作業要求，建立修剪機器人在作業過程中的位移、速度、加速度及相關動力學模型，即

(1)

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(4)

式中θd—機器人的位移；

Kp—動力學模型對角正定矩陣比例調節；

Kd—動力學模型對角正定矩陣比例調節；

H—動力學模型實際值計算矩陣；

N—動力學模型實際值計算矩陣。

修剪機器人穩定性分析選用函數為

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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，建立機器人作業關節流程，如圖2所示。修剪作業時，經視覺單元采集與傳遞，末端執行單元在控制系統的作用下依次進行初步靠近與精細調整，最終到達修剪部位進行持續作業，此過程利用PD控制調節。

圖2 園林自動修剪機器人作業關節流程簡圖

2.3 驅動控制

修剪機器人驅動控制設計與應用應根據作業需求，利用函數控制關系(7)進行作業控制，建立控制網絡輸入與輸出之間的對應關系，實時對機器人修整作業的動作輸入、輸出進行接收、調整與反饋。

y=WTσ(x) (x∈Rn,y∈Rm)

(7)

式中x—控制網絡輸入；

y—控制網絡輸出；

W—核心權值矩陣；

σ(x)—激活函數矢量。

表2 自動修剪機器人驅動控制函數

依據機器人關節運動規律，給出驅動控制函數詳細代碼(見表2)，并結合自動修剪機器人控制系統結構簡圖(見圖3)，通過驅動控制與下位機程序控制，開關量輸出至修剪機器人各運動執行部件開展修剪作業；各個關節加裝智能傳感器應用裝置，保證傳遞數據及信號的準確性與及時性，且可進行遠程調控。

圖3 城市園林自動修剪機器人控制系統結構簡圖

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

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同時，建立模型并通過剛度與性能指標綜合求解，通過多次優化要素及調整參數，建立近似優化模型，進而給出經多目標函數優化的理論參數范圍，即

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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要求下所需匹配的控制電機性能，仿真試驗設定修剪高度作為變化參數，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：在廣泛應用的修剪高度變化400～500mm范圍時，電機各項參數能夠較好地保持穩定性能，轉動角度在可控可達閾值內，電控裝置仿真表現良好。

表3 自動修剪機器人不同修剪高度對應控制電機參數

續表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整，結果如表4所示。由表4的10組數據可看出：初始定位的實際作業修剪位置，經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。

經試驗并不斷變化參數驗證，記錄與分析繪制特征參數曲線。圖4為機器人仿真試驗主關節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據記錄

續表4

圖5 自動修剪機器人扭矩仿真曲線

4 結論

1)在自動修剪機器人整機的結構及修整原理的基礎上，通過分析機械人各修剪部位的動力學運動規律，加入驅動智能控制，使得修剪機器人各關節協調運動良好。

2)經多次目標函數優化，獲取自動修剪機器人的運動參數，并利用機構的運動定位與補償功能，實現修剪機器人各關節作業定位的準確性，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計進行修剪，效果良好。

3)結合運動學規律，對城市園林自動修剪機器人的動力學進行仿真試驗，記錄了各關節臂的運動角度與作業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與改進。