林果業(yè)修剪機械手的設(shè)計與試驗

潘志勇,閆 巖

(1.長春理工大學(xué),長春 130000;2.長春大學(xué),長春 130022)

0 引言

在以往林果業(yè)修剪工作中,通常采用由綠化工作人員,通過手持油鋸或是刀具修剪樹枝的方式,實現(xiàn)對林果業(yè)樹木的修理和修剪,但其工作效率低且質(zhì)量差。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)有專門針對林果業(yè)樹木修剪的機器,常見的有林業(yè)修剪機器人和車載式綠籬修剪機[1]。林業(yè)修剪機器人在應(yīng)用中,修剪具有豎直性,其功能相對單一。此外,有學(xué)者在研究中,針對林果業(yè)樹木開發(fā)了車載式綠籬修剪機[2]。此種修剪機具有豎直修剪性和水平性,對于日后豐富林果業(yè)修剪機械手的研究,奠定了堅實的基礎(chǔ)。自進入信息化時代后,林果業(yè)修剪機械的設(shè)計水平日益提升,林果業(yè)修剪機械手產(chǎn)品日益呈現(xiàn)出人性化、環(huán)保化、自動化與智能化趨勢。為此,本文展開對林果業(yè)修剪機械手的設(shè)計與試驗。

1 總體設(shè)計

通常情況下,總體設(shè)計可以分為總體構(gòu)思及基本方案。在總體構(gòu)思中,要明確修剪機械手的類型,并對不同的類型進行合理選擇[4]。由于林果業(yè)的樹木尺寸相對較大,所以在采用修剪機械手對其進行修剪時,需要遵循工業(yè)機械手應(yīng)用的基本原則,也要注意林果業(yè)修剪的特殊性。一般來說,林果業(yè)修剪機械手可以分為4類。①直角坐標型機械手;②極坐標型機械手;③圓柱坐標型機械手;④關(guān)節(jié)坐標型機械手。在直角坐標型機械手中,主要涵蓋了3個運動方向,3個方向是相互垂直、可移動的關(guān)節(jié),優(yōu)勢體現(xiàn)為控制操作方法簡單、精度較高;缺陷體現(xiàn)為占地面積大且工作空間小。在極坐標型機械手中,主要涵蓋了兩個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和一個移動關(guān)節(jié),優(yōu)勢體現(xiàn)為靈活性較高、能夠在較大的空間范圍內(nèi)活動;缺陷體現(xiàn)為無論是精度還是剛度均相對較弱。在圓柱坐標型機械手中,主要涵蓋了兩個移動關(guān)節(jié)和一個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)為控制操作方法相對簡單快捷,且占用的活動空間較小[5];缺陷較少。在關(guān)節(jié)坐標型機械手中,主要涵蓋了3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),應(yīng)用優(yōu)勢體現(xiàn)為能夠活動的空間范圍較大,且靈活度較高;缺陷體現(xiàn)為對機械手控制系統(tǒng)的實時性要求相對較高,精度性相對不足。

為了能夠使修剪機械手的設(shè)計符合林果業(yè)的修剪要求,需要林果業(yè)修剪機械手具有較好的修剪適應(yīng)能力。在此基礎(chǔ)上,林果業(yè)修剪機械手的具體要求可以概括為以下幾點:一是規(guī)避障礙。林果業(yè)中的樹木形態(tài)較高,苗木中央也可能設(shè)置電線桿或是路牌,且修剪機械手需要深入到綠化帶中進行作業(yè),應(yīng)能夠規(guī)避障礙。二是活動范圍大。林業(yè)或是果業(yè)種植范圍較廣,修剪作業(yè)內(nèi)容多、范圍廣。在此情況下,修剪機械手要能夠在較為廣泛的空間內(nèi)實現(xiàn)對樹木的修剪,機械手活動范圍要大。三是要有過載保護措施[6]。

針對本研究中選擇的林果業(yè),采用具有直角坐標和關(guān)節(jié)坐標為一體的六自由度的綠籬苗木修剪機械手。林果業(yè)修剪機械人員在操作前,要深入分析修剪機械手的主要結(jié)構(gòu),明確各結(jié)構(gòu)的構(gòu)成,對應(yīng)用此種修剪機械手的結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)串聯(lián)結(jié)構(gòu)的選擇原因進行綜合性分析。在此基礎(chǔ)上,探討林果業(yè)修剪機械手的運動特性,主要以修剪機械手的坐標的建立步驟加以闡述,明確如何有效地構(gòu)建合理修剪機械手坐標系。同時,探討林果業(yè)修剪機械手運動的正解和逆解情況,根據(jù)相應(yīng)的參數(shù)計算,針對林果業(yè)修剪機械手設(shè)計仿真軌跡求取方法和仿真效果,展開綜合的敘述。

2 主要結(jié)構(gòu)及運動學(xué)分析

2.1 林果業(yè)修剪機械手的主要結(jié)構(gòu)

通常情況下,修剪機械手采用的結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)串聯(lián)式空間開鏈型結(jié)構(gòu)[7]。分析應(yīng)用此種結(jié)構(gòu)的原因,主要是在修剪綠籬苗木過程中,修剪機械手需要自由、任意帶動刀具進行旋轉(zhuǎn)運動,使其能夠在比較充足的空間范圍內(nèi)活動。林果業(yè)修剪機械手的空間開鏈結(jié)構(gòu)共有6個連桿和6個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),包括旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、大臂、中臂、小臂和轉(zhuǎn)盤,如圖1所示。在小臂前端,安裝了修剪的刀具。在修剪苗木時,通過對大臂、中臂和小臂的調(diào)節(jié),實現(xiàn)對苗木長短和形狀的修剪。該苗木修剪機械手的關(guān)節(jié),均屬于轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié),能夠通過旋轉(zhuǎn)的方式,實現(xiàn)對苗木的自由修剪。轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)包括有肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)等。

圖1 綠籬苗木修剪機械手三維實體模型示意圖

2.2 林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)分析

圖2為綠籬苗木修剪機械手結(jié)構(gòu)簡易示意圖。根據(jù)圖2能夠進行機械手的基本構(gòu)成部分和各關(guān)節(jié)的分析,比較全面地對修剪機械手的具體結(jié)構(gòu)展開綜合研究。

在建立苗木修剪機械手的坐標時,主要采用的是D-H參數(shù)法,對修剪機械手運動學(xué)方程進行建立[8]。在所建立的坐標中,第0連桿,作為坐標的旋轉(zhuǎn)底盤。通常來說,大臂會與旋轉(zhuǎn)底盤進行連接,而與旋轉(zhuǎn)底盤最先連接的大臂,將其看作為第1連桿;根據(jù)此種類推方式,將最后一個與旋轉(zhuǎn)底盤連接的大臂,作為第5連桿,且將該連桿與腕關(guān)節(jié)相連,也將其稱之為修剪刀頭。按照D-H參數(shù)法所建立的坐標系,將綠籬苗木修剪機械手的各桿件坐標系,建立到該坐標軸上,如圖3所示。

圖2 綠籬苗木修剪機械手結(jié)構(gòu)簡易示意圖

圖3 綠籬苗木修剪機械手各連桿坐標系示意圖

根據(jù)圖3所展示的信息能夠了解到:ai-1為在Xi-1軸方向上兩個軸之間的距離,分別是Zi-1軸到Zi軸之間距離;αi-1為旋轉(zhuǎn)角度,主要代表兩個軸圍著Xi-1軸旋轉(zhuǎn)的角度,分別是Zi-1軸到Zi軸的圍繞角度。di-1為在Zi-1軸方向上兩個軸之間的距離,分別是Xi-1軸到Xi軸之間距離;θi為旋轉(zhuǎn)角度,主要代表兩個軸圍著這Zi軸旋轉(zhuǎn)的角度,分別是Xi-1軸到Xi軸的圍繞角度[9]。

根據(jù)D-H參數(shù)法所建立的坐標系,進一步對綠籬苗木修剪機械手各個連桿的D-H參數(shù)和關(guān)節(jié)變量進行綜合確定,如表1所示。由表1可知:當關(guān)節(jié)為1時,連桿夾角為θ1,扭轉(zhuǎn)角為π/2,桿長為α1,偏置和cosα值均為0,此時sinθ值為1;當關(guān)節(jié)為2時,連桿夾角為θ2,扭轉(zhuǎn)角為0,桿長為α2,偏置sinα值為0,此時cosα值為1;當關(guān)節(jié)為6時,連桿夾角為θ6,扭轉(zhuǎn)角、桿長、偏置、sinα值均為0,cosα值為1。

表1 綠籬苗木修剪機械手的D-H參數(shù)表

在林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)中,通常將運動學(xué)分為正解和逆解[10]。運動學(xué)正解,主要是在已知的條件下,求解苗木修剪機械手末端執(zhí)行器的位置和姿態(tài)。一般來說,在建立起連桿的坐標系,確定各個連桿的結(jié)構(gòu)參數(shù)以后,可以通過式(1),完成對苗木修剪機械手各個連桿之間的位置、姿態(tài)的變換,即

(1)

其中,ci=cosθi,si=sinθi,cαi=cosαi,sα=sinαi。根據(jù)該公式,對苗木修剪機械手的正解進行假設(shè),設(shè)cij=cos(θi+θj),sij=sin(θi+θj),cijk=cos(θi+θj+θk),sijk=sin(θi+θj+θk)。在此基礎(chǔ)上,將表1中所示的D-H各項參數(shù),分別代入到式(1)中,則能夠求得苗木修剪機械手相鄰各連桿之間的位置、姿態(tài)矩陣,即

根據(jù)上述6個公式,將各個相鄰的連桿變換矩陣相乘,彼此相乘后能夠得到苗木修剪機械手末端的位置、姿態(tài)矩陣公式,即

(2)

運動學(xué)逆解[11],主要是指掌握苗木修剪機械手的綜合信息下,以修剪機械手各個連桿參數(shù)為主,針對苗木修剪機械手的末端執(zhí)行器,確定苗木修剪機械刀具相對應(yīng)參考坐標系的位置與姿態(tài)。因此,反過來求解得出使苗木修剪機械刀具達到預(yù)期修剪目的和要求的修剪機械手各個關(guān)節(jié)變量情況。通常來說,可以采用反變換方法,對苗木修剪機械手的變量采用逆運動方程完成求解。換句話而言,就是采用位置矩陣的逆變換方法,依次的左乘式(2)方程,并使兩邊對應(yīng)元素相等。

逆解的方程為

(3)

根據(jù)林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)的逆解求取方法,為了使式(3)中等號左右兩側(cè)的元素相等,能夠得出以下公式:θ1=αtan2(Py,Px)。根據(jù)該公式,能夠求出θ1在特定區(qū)間[-180°,180°]內(nèi)的解,由此了解林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)的具體逆解方法。

同理,根據(jù)上述公式的計算方式,可以進一步實現(xiàn)對其余關(guān)節(jié)變量的計算。具體計算方式為

在上述公式的基礎(chǔ)上,能夠有效求得苗木修剪機械手關(guān)節(jié)變量相對應(yīng)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,具體計算方式為

θ4=αtan2(Pzs23-α2c3-α1c23-α3+Pys1c23+c1Pxc23,

-α1s3-α1c23+Pys1s23+c1Pxs23)

θ5=αtan2[nxs1-nyc1,-c6(αxs1-αyc1)]

θ6=αtan2(-oxs1+oyc1,nxs1-nyc1)

通過對上述公式的分析,可以進一步計算得出A、B、C、D、E的結(jié)果,其結(jié)果為

A=Pxc1-α1+Pys1-d5αz/s5

B=Pz+d5(αxc1+αys1)/s5

C=2×(A2+B2+α22-α32)/α2

D=Pzs2-α1c2-α2+Pxc1c2+Pys1c2+Pzc2+α1s2-

Pxc1s2-Pys1s2;E=d5(αzs2+αxc1c2+αys1c2-αzc2+αxc1s2+αys1s2)/s5

3 林果業(yè)修剪機械手設(shè)計仿真效果

3.1 林果業(yè)修剪機械手設(shè)計仿真軌跡的求取分析

圖4為修剪機械手圓球螺旋軌跡分析示意圖。根據(jù)圖4信息能夠看出,圓球表面上的點主要以中心軸為主,做螺旋旋轉(zhuǎn)運動。

圖4 修剪機械手圓球螺旋軌跡分析示意圖

在運動過程中,圓球的軌跡表現(xiàn)為圓球螺旋線[12-13]。苗木修剪機械手在對綠籬樹木作圓球造型時,通常是以修剪機械手的末端作為主要的運動點,圍繞中心點的豎直旋轉(zhuǎn)中線, 做圓球螺旋運動, 從而達到圓球造型修剪目的。圖4中,環(huán)形樹木的母線表現(xiàn)為圓弧線,苗木修剪刀盤中心的法線與旋轉(zhuǎn)軸線之間的夾角主要用η表示,與之對應(yīng)的弧角用φ表示,苗木修剪刀盤修剪時圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的角度用λ表示。

所以,φ數(shù)值一般會在π/2～2π/3之間。在設(shè)置坐標系相關(guān)坐標值時,通常將圓球頂相對應(yīng)的坐標值設(shè)置為x0、y0、z0,具體的坐標數(shù)值是根據(jù)修剪機械手的初始位置和姿態(tài)進行確定的。其中,x、y、z是苗木修剪機械手末端的坐標值。在此基礎(chǔ)上,在對苗木做圓球造型時,具體的公式為

z0-z=R-Rcosη

(4)

為了使修剪的樹木保持圓球形態(tài),在樹枝不會露切的前提下,修剪機械手的圓球螺旋需要滿足公式(5)的條件,即

λ/η=2Nπ/φ

(5)

其中,N為在樹木修剪期間,樹枝恰好不會發(fā)生露切的現(xiàn)象。當η逐漸增加到φ時,苗木修剪機械刀盤將圍繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)為

N=φ/[2αrcsin(d/2R)]

(6)

其中,d所代表的含義是苗木修剪機械手刀盤的直徑,R所代表的含義是所修剪的綠籬樹木的半徑。在此基礎(chǔ)上,將式(5)和式(6)相結(jié)合,則有

λ=πη/αrcsin(d/2R)

(7)

此外,根據(jù)圖4,也能夠明確苗木修剪機械手的坐標,具體的坐標公式為

(8)

根據(jù)式(8),將z作為自變量時,可以結(jié)合式(4)、式(7)和式(8),進一步實現(xiàn)對苗木圓球造型時以序列軌跡位置、姿勢的求取。同時,將其代入到逆解方程中后,能夠快速實現(xiàn)對苗木修剪機械手各個關(guān)節(jié)變量轉(zhuǎn)角的求取。設(shè)置:α1為140mm,α2和α3為1 400mm,α4為0mm,d5為450mm。在此數(shù)據(jù)設(shè)置下,將機械手刀盤的直徑d設(shè)置為200mm,圓球半徑R設(shè)置為500mm,且取增量Δz為-1,求取600組數(shù)據(jù)。由于設(shè)置和要求取的點數(shù)較多,在此每間隔100組的基礎(chǔ)上抽取一組數(shù)據(jù)進行計算。通過計算所得的苗木修剪機械手末端坐標數(shù)據(jù)、各關(guān)節(jié)變量轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),如表2所示。

表2 苗木檢修機械手末端數(shù)據(jù)及各關(guān)節(jié)變量轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)分析

3.2 林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)的逆解仿真效果

在對林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)逆解仿真效果進行分析時,對修剪機械手仿真過程進行綜合的了解與分析,是尤為必要的[14-15]。從某種角度而言,苗木修剪機械手的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,以往常用的ADAMS實體建模功能,存在一定的薄弱現(xiàn)象。因此,在林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)中,Pro/E三維模型逐漸被廣泛應(yīng)用于林果業(yè)修剪機械手中。本文中,由于闡述的內(nèi)容主要以苗木修剪機械手的運動為主,所以在裝配過程中,會將與機械手運動結(jié)果無關(guān)的相關(guān)配件刪除,保留下來的,包括大臂、中臂、小臂、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、轉(zhuǎn)盤和修建刀具。圖5為苗木修剪機械手的仿真過程示意圖,根據(jù)該圖中信息,能夠明確修剪機械手運動學(xué)逆解仿真的具體步驟。在Pro/E三維模型與ADAMS的輔助下,利用MECHANISM/Pro接口軟件,設(shè)置Pro/E環(huán)境,對苗木修剪機械手各個關(guān)節(jié)進行定義,包括肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和腰關(guān)節(jié)等。在此基礎(chǔ)上,將模型導(dǎo)入到ADAMS中,在苗木修剪機械手各個關(guān)節(jié)部位分別建立不同的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。根據(jù)模型,所建立的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動分別為Motion1-6。

圖5 苗木修剪機械手的仿真過程示意圖

將通過計算求得的θ1～6相關(guān)數(shù)據(jù),導(dǎo)入到ADAMS模型中,由該模型生成與之相對應(yīng)的6條SPLINE曲線;將所形成的曲線分別設(shè)置為SPLINE1-6,并對6個關(guān)節(jié)的SPLINE曲線進行調(diào)節(jié)與定義。通常情況下,用來調(diào)節(jié)和定義的工具為AKISPL,如在對苗木修剪機械手的腰關(guān)節(jié)驅(qū)動函數(shù)Motion1進行定義時,定義為AKISPL(time,0,SPLINE1,0);與此同時,運行仿真模型,對苗木修剪機械手的動力學(xué)進行求解。在模型運行后,可以采用“Review”和“Create Ttace Spline”命令,完成對苗木修剪機械手末端相對地面軌跡曲線的綜合建立。圖6為側(cè)向投影儀示意圖,圖7為豎直方向投影儀示意圖。根據(jù)圖6和圖7相關(guān)信息,能夠從比較全面的角度上掌握圓球螺旋的軌跡。根據(jù)觀察發(fā)現(xiàn)曲線具有光滑性和整齊性,從側(cè)向和豎直方向的投影觀察,軌跡的包絡(luò)線均呈現(xiàn)出圓形態(tài),由此可證明在苗木修剪機械手運行中螺旋軌跡的正確性。

圖6 側(cè)向投影儀示意圖

圖7 豎直方向投影儀示意圖

圖8為修剪機械手Marker點在三方向位移的變化曲線示意圖。由圖8可知:在0、10、20、30s等時刻,可得出了x、y和z的數(shù)值,標注的總時間為60s,間隔為10s。根據(jù)對不同時刻不同方向數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)x從小到大依次為:0、-245.0、-129.8、331.3、-397.2、405.4、-397.2;y從小到大依次的數(shù)值為:1 540.0、1 366.8、1 918.3、1 223.4、1 826.7、1 247.3、1 826.7;z從小到大依次的數(shù)值為950、850、750、650、550、450、350。根據(jù)3個不同方向的數(shù)值,結(jié)合表2中圓球軌跡的x、y、z3組理論值,發(fā)現(xiàn)該數(shù)值與表2中相關(guān)數(shù)據(jù)重合,由此證明所建立的運動學(xué)方程正解與逆解的正確性。

圖8 修剪機械手Marker點在三方向位移的變化曲線示意圖

在明確苗木修剪機械手運動學(xué)方程及其相關(guān)數(shù)據(jù)的前提下,對機械手各個關(guān)節(jié)的角加速度曲線展開了綜合性的分析與探討。圖9為苗木修剪機械手各關(guān)節(jié)角加速度曲線示意圖。在分析機械手各關(guān)節(jié)角加速度曲線示意圖時,主要分析的是肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)及腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)6個關(guān)節(jié)。其中,肩關(guān)節(jié)的最大角加速度為7.2、3.8、6.7、2.3、10.4、3.7(°)/s2。由圖9可知:修剪機械手角加速度的曲線,表現(xiàn)為平緩光滑,且數(shù)值相對較小;機械手運動相對平穩(wěn),效果較好。

圖9 修剪機械手角加速度曲線示意圖

經(jīng)研究證實:光滑和平緩曲線的關(guān)節(jié)包括肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)及腕關(guān)節(jié)6個關(guān)節(jié)[16-17],各個關(guān)節(jié)在不同60s內(nèi)的不同時間段內(nèi),其角加速度數(shù)值變化較小,證實了苗木修剪機械手在造型修剪期間,能夠?qū)崿F(xiàn)對圓球造型的平穩(wěn)修剪。將圖8中的仿真數(shù)據(jù)與表2中的圓球軌跡x、y、z3方向理論數(shù)值進行對比分析發(fā)現(xiàn):圖和表中的相關(guān)數(shù)據(jù)重合,能夠充分證明修剪機械手運動學(xué)解的正確性和準確性;也從設(shè)計的角度上,證實了借助D-H理論對林果業(yè)修剪機械化手六自由度運動學(xué)解是可行性的。通過分析發(fā)現(xiàn),與其他相關(guān)理論和方法相比較,D-H的模型理論方法在林果業(yè)修剪機械手中的應(yīng)用,具有突出性的優(yōu)勢:①D-H的操作方法相對便捷[18-19]。在應(yīng)用該理論方法時,操作人員按照相應(yīng)的操作流程和標準,即可完成設(shè)計和研究。②D-H的計算準確性較高。該理論方法在應(yīng)用中,能夠從科學(xué)的角度上,對數(shù)值進行求取,從而提高計算結(jié)果的準確性。③D-H方法下,所求取的運動學(xué)逆解,能夠更加方便地實現(xiàn)對林果業(yè)修剪機械手的實時控制。借助運動學(xué)逆解,能夠快速掌握修剪機械手的正解情況、計算步驟等,并通過反運算的方式實現(xiàn)對機械手的控制[20]。此外,在D-H方法的基礎(chǔ)上,對Pro/E和ADAMS模型進行聯(lián)合,結(jié)果發(fā)現(xiàn):Pro/E和ADAMS模型聯(lián)合仿真技術(shù)的應(yīng)用,具有簡單便捷、直觀性強的優(yōu)勢,在林果業(yè)修剪機械手運動學(xué)仿真校驗中,具有突出價值。

3.3 試驗及結(jié)果

3.3.1 試驗流程

具體的試驗流程為:①對本次試驗的基本原理、試驗方案、試驗裝置及相關(guān)參數(shù)進行簡介;②對試驗中選擇的機械手、拖拉機加以介紹;③闡述試驗過程,說明試驗的具體操作步驟;④根據(jù)試驗所得相關(guān)信息,歸納和總結(jié)試驗結(jié)果,并附加本次試驗用到的相關(guān)表格和圖示。

3.3.2 試驗準備及實施

在林果業(yè)修剪機械手試驗前,要對各關(guān)節(jié)進行檢修,確保各環(huán)節(jié)的運行。在關(guān)節(jié)點運行試驗中,對修剪機械手的旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、大臂、中臂、小臂和轉(zhuǎn)盤、肩關(guān)節(jié)、腰關(guān)節(jié)、小臂轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)、腕部回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和肘關(guān)節(jié)等,進行調(diào)整,使旋轉(zhuǎn)機構(gòu)能夠完成360°的旋轉(zhuǎn)。圖10為雷沃M254-E型號的拖拉機示意圖,已將修剪機械手安裝到該拖拉機上。

圖10 雷沃M254-E型號的拖拉機示意圖

經(jīng)過試驗中對修剪機械手樣機活動的空間范圍測量,具體參數(shù)如表3所示。

表3 林果業(yè)木苗修剪機械手樣機活動的空間范圍

3.3.3 試驗過程與結(jié)果分析

在圓球修剪試驗中,將修剪機械手的承載車移至需要修剪的綠籬旁,將刀具正對樹木中心的上方,設(shè)置參數(shù):連桿夾角(θ)為θ1,扭轉(zhuǎn)角(α)為π/2,桿長(α)為α1,偏置(d)為0,cos(α)為0,sin(α)為1;設(shè)定機械手刀盤的直徑d為200mm,圓球半徑R為500mm;旋轉(zhuǎn)機械手,能夠得到x、y、z的相關(guān)數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)的分析證實在該設(shè)計下,樹木圓球修剪相對平整。在平面修剪過程中,勻速的移動修建刀盤,分別在0、10、20、30、40、50、60s的時刻,對不同方向的數(shù)據(jù)進行分析,結(jié)果表明:X在0s時刻的數(shù)值是0,在60s時刻的數(shù)值是-397.2;y在0s時刻的數(shù)值是1 540.0,在60s時刻的數(shù)值是1 826.7;z在0s時刻的數(shù)值是950,在60s時刻的數(shù)值是350。試驗結(jié)果表明:依據(jù)設(shè)計的相應(yīng)數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)對圓球的修剪,且在實際修剪中可以加快修剪速度。

4 結(jié)論

針對當前林果業(yè)修剪機械手的應(yīng)用情況,重點闡述了林果業(yè)修剪機械手的設(shè)計,提出了綠籬苗木修剪機械手,該機械手具有六自由度的優(yōu)勢。同時,采用D-H理論,對修剪機械手運動學(xué)的模型參數(shù)進行了分析,結(jié)合相應(yīng)的模型參數(shù)和理論,對修剪機械手運動學(xué)的正解和逆解進行了分析和推導(dǎo)。在此基礎(chǔ)上,將Pro/E和ADAMS兩種模型加以聯(lián)合,通過對模型的聯(lián)合性應(yīng)用,形成聯(lián)合仿真技術(shù),實現(xiàn)對修剪機械手運動學(xué)三維建模及圓球造型的仿真。通過仿真測量的方式,對測量數(shù)據(jù)結(jié)果進行整理、歸納和分析,從直接角度上證實了修剪機械手運動學(xué)模型的正確性和數(shù)據(jù)的準確性。該修剪機械手各關(guān)節(jié)加速度曲線的平緩、數(shù)值變化幅度小,間接性證實了修剪機械手在工作中的運行相對平穩(wěn)。