樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)修剪系統(tǒng)仿真分析

尼姝麗，薛國(guó)磊，戴佳銘，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)修剪系統(tǒng)仿真分析

尼姝麗，薛國(guó)磊，戴佳銘，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

針對(duì)目前道路綠化樹木養(yǎng)護(hù)困難、工作繁重、人工操作等問題，設(shè)計(jì)一種樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)，并設(shè)計(jì)滿足高大樹木修剪的系統(tǒng).通過ADAMS仿真軟件對(duì)修剪系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析，模擬修剪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)情況，得到末端修剪刀具的位置曲線及各個(gè)關(guān)節(jié)的角度、角速度、角加速度變化曲線.仿真結(jié)果表明修剪系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求.

樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)； 修剪系統(tǒng)； 運(yùn)動(dòng)學(xué)； ADAMS仿真

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化建設(shè)步伐的加快，道路和城區(qū)綠化建設(shè)越來越受到人們的重視，特別是綠化樹木成為道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分.道路綠化樹木不僅保護(hù)生態(tài)平衡、改善城市氣候、豐富城市藝術(shù)形象，而且可以凈化空氣、保護(hù)環(huán)境衛(wèi)生、提高人們生活文化品位，對(duì)行駛車輛增加一道安全天然屏障[1 - 2].

道路綠化樹木需要定期進(jìn)行修剪、噴藥等養(yǎng)護(hù)工作，且工作內(nèi)容隨季節(jié)性變化，勞動(dòng)強(qiáng)度大[3].為實(shí)現(xiàn)綠化樹木不同位置修剪、自動(dòng)化作業(yè)、減輕工人作業(yè)強(qiáng)度，本文設(shè)計(jì)一種結(jié)構(gòu)緊湊、功能齊全、低成本，包括修剪、噴藥、削片等多個(gè)功能的道路綠化樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)，并對(duì)其修剪系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真分析.

1 樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)設(shè)計(jì)總體結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)

樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由汽車底盤、修剪系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)組、液壓泵、液壓油箱、儲(chǔ)物箱、控制系統(tǒng)、削片裝置、液泵、噴霧裝置等組成，能夠?qū)崿F(xiàn)修剪、削片、噴霧等多個(gè)功能，可以通過修剪系統(tǒng)進(jìn)行不同高度的綠化樹木的修剪和噴藥，同時(shí)可將修剪后的枝椏材通過小型削片機(jī)進(jìn)行削片處理.由于綠化樹木養(yǎng)護(hù)是隨季節(jié)變化，所以在多功能機(jī)在非工作期間，可將各工作裝置拆卸下來，使車輛底盤保持運(yùn)輸作業(yè)功能，真正實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用的優(yōu)越性[4].

1—示燈；2—車架；3—控制箱；4—修剪系統(tǒng)；5—旋轉(zhuǎn)底座；6—液壓油箱；7—儲(chǔ)物箱；8—木片輸送管道； 9—削片機(jī)；10—尾警示燈；11—發(fā)電機(jī)；12—液壓泵；13—離合帶輪；14—分動(dòng)箱；15—液泵；16—工具箱圖1 道路綠化樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The overall structure of road greening trees maintenance multifunction machine

1.1 修剪系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

修剪系統(tǒng)是樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)的關(guān)鍵部位，需要完成高大樹木、綠籬和綠地修剪，其主要由修剪刀具、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)底座、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

1—舉升液壓缸二； 2—伸縮臂；3—翻轉(zhuǎn)液壓缸；4—修剪刀具；5—腕部旋轉(zhuǎn)總成；6—腕部連接件； 7—視覺攝像機(jī)；8—基本臂；9—舉升液壓缸一；10—基座；11—旋轉(zhuǎn)底座圖2 修剪系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of pruning system

修剪系統(tǒng)通過折疊伸縮六自由度機(jī)械臂來快速調(diào)節(jié)修剪姿態(tài)，以實(shí)現(xiàn)不同高度、角度和距離的綠化樹木和綠籬修剪，在機(jī)械臂末端搭載有修剪刀具，修剪刀具能夠針對(duì)不同的修剪對(duì)象快速地更換修剪刀，實(shí)現(xiàn)不同對(duì)象的修剪作業(yè).

1.2 作業(yè)空間計(jì)算

修剪系統(tǒng)的作業(yè)空間不僅受到修剪系統(tǒng)自由度的影響，同時(shí)與修剪系統(tǒng)各構(gòu)件的尺寸、汽車底盤、液壓缸規(guī)格相關(guān).AutoCAD中對(duì)六自由度修剪系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單工作空間分析，采用圖譜法將最高和最低修剪狀態(tài)表示出來，如圖3所示，根據(jù)多功能機(jī)整體結(jié)構(gòu)要求，可以初步給定汽車底盤和旋轉(zhuǎn)支架高度H0、修剪幅度R、修剪高度H等參數(shù)，按照具體作業(yè)空間設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)參數(shù)值.

圖3 修剪系統(tǒng)極限位置尺寸Fig.3 Size limit position of the pruning system

整機(jī)修剪的高度可達(dá)10 m，修剪幅度可達(dá)1.2 m.圖3中汽車底盤和旋轉(zhuǎn)支架的高度H0為1 950 mm，為避免修剪樹枝砸到車輛，由底盤寬度可知高空修剪時(shí)其幅度R至少為1 100 mm， 修剪的高度H為300～10 000 mm.設(shè)末端修剪刀具的坐標(biāo)P(x，y，z)為修剪系統(tǒng)參考點(diǎn)，則可以得到末端位置坐標(biāo)關(guān)系:

x=0

(1)

y=-l1cos θ1+l2cos θ2+l3cos θ3

(2)

z=H0+l1sin θ1+l2sin θ2+l3sin θ3

(3)

其中:y為修剪幅度R；z為修剪高度H； l1為基本臂長(zhǎng)度； l2為伸縮臂長(zhǎng)度； l3為腕部連接件長(zhǎng)度；θ1為基本臂舉升角度；θ2為伸縮臂舉升角度；θ3為腕部翻轉(zhuǎn)角度.

查閱高空作業(yè)車的相關(guān)設(shè)計(jì)，初步選擇θ1為85°，θ2為165°，θ3為90°.根據(jù)整機(jī)布局要求，基本臂長(zhǎng)度l1最大可以為2 800 mm，伸縮臂長(zhǎng)度l2為5 240 mm，腕部連接件長(zhǎng)度l3的長(zhǎng)度為200 mm.將上述數(shù)據(jù)代入式(2)和(3)中，可以求得當(dāng)修剪高度H為10 000.97 mm，修剪幅度R為1 120 mm.

2 修剪系統(tǒng)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

修剪系統(tǒng)是由六自由度的機(jī)械臂組成，當(dāng)修剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，需要對(duì)修剪系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，確定各傳動(dòng)部件與末端修剪刀具的位姿之間關(guān)系.建立修剪系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型如圖4所示，將參考坐標(biāo)系Ox0y0z0做為固定坐標(biāo)系，即在運(yùn)動(dòng)分析中將其作為笛卡爾坐標(biāo)系[5].

圖4 修剪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)模型簡(jiǎn)化Fig.4 Simplified model of the pruning system

通過修剪模型的簡(jiǎn)化獲得各傳動(dòng)部件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，其Devavit-Hartenberg(D-H)參數(shù)如表1所示.

表1 修剪系統(tǒng)的D-H參數(shù)

利用D -H矩陣求各關(guān)節(jié)變化矩陣運(yùn)動(dòng)方程為

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

故修剪刀具坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)座坐標(biāo)系的變換矩陣T為

(9)

式中: Ci=cos θi；Si=sin θi；C12…i=cos(θ0+θ1+…+θi)；S12…i=sin(θ0+θ1+…+θi)；i=0, 1, 2, …； s為伸縮臂的伸縮量.

(10)

根據(jù)機(jī)械手末端在基坐標(biāo)系下的位置和姿態(tài)的矩陣T，由式(9)和(10)將修剪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程拆解為

(11)

3 修剪系統(tǒng)仿真分析

3.1 建立系統(tǒng)仿真模型

在SolidWorks中設(shè)置圖形坐標(biāo)系和單位(MMK-mm， kg， N， s， deg)，將樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)三維模型另存為Parasolid-tst格式輸出[6]，然后進(jìn)入ADAMS環(huán)境中，點(diǎn)開file， 單擊import， 打開已保存的模型文件，單擊OK按鈕，完成模型導(dǎo)入如圖5所示.

圖5 導(dǎo)入修剪系統(tǒng)模型Fig.5 Importing the pruning system model

設(shè)置坐標(biāo)系的x軸為汽車左側(cè)，y軸為垂直地面方向上，z軸為汽車行駛方向.設(shè)置修剪系統(tǒng)材料屬性如表2所示.

表2 修剪系統(tǒng)材料屬性

3.2 創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)約束

通過施加約束將不同零部件連接成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)，創(chuàng)建各關(guān)節(jié)及交接點(diǎn)之間的約束如圖6所示.主要將汽車底盤與大地間用固定副連接，油缸和伸縮臂的移動(dòng)副、各關(guān)節(jié)之間和油缸各鉸接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)副、旋轉(zhuǎn)底座的轉(zhuǎn)動(dòng)副、修剪電機(jī)和修剪刀具之間采用固定副連接.

圖6 約束后的修剪系統(tǒng)模型Fig.6 Pruning system model after constraint

3.3 驅(qū)動(dòng)函數(shù)設(shè)置

修剪系統(tǒng)的仿真分析主要是修剪系統(tǒng)與修剪刀具位姿之間的關(guān)系，通過對(duì)舉升液壓缸一、舉升液壓缸二、伸縮臂、翻轉(zhuǎn)液壓缸、腕部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)底座的運(yùn)動(dòng)函數(shù)設(shè)置，從而確定整個(gè)系統(tǒng)末端相關(guān)運(yùn)動(dòng)參數(shù)以及各作用缸的受力情況.本次仿真分析采用ADAMS軟件庫函數(shù)里的三次多項(xiàng)式構(gòu)造階躍函數(shù)作為驅(qū)動(dòng)函數(shù)，其STEP函數(shù)格式[7 - 8]如下:

STEP(A, X0, H0, X1, H1)

(12)

其中:A為函數(shù)的自變量；X0為自變量的初始值；H0為應(yīng)變量的初始值；X1為自變量的終止值；H1為應(yīng)變量的終止值.

把液壓缸活塞桿的伸長(zhǎng)量定義為時(shí)間(t，time)變化的函數(shù)，分別對(duì)舉升液壓缸一、舉升液壓缸二、伸縮臂、翻轉(zhuǎn)液壓缸、腕部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、旋轉(zhuǎn)底座的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行描述.

舉升液壓缸一的STEP函數(shù): step(time, 8, 0, 20, -200)+step(time, 50, 0, 80, -206)；

舉升液壓缸二的STEP函數(shù): step(time, 20, 0, 80, -50)+step(time, 80, 0, 200, -508)；

伸縮臂的STEP函數(shù): step(time, 8, 0, 15, 800)+step(time, 50, 0, 80, -800)+step(time, 150, 0, 200, 2 000)；

翻轉(zhuǎn)液壓缸的STEP函數(shù): step(time, 100, 0, 210, 200)；

腕部旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的STEP函數(shù): step(time, 100, 0, 160, -90)+step(time, 160, 0, 220, 270)；

底盤旋轉(zhuǎn)的STEP函數(shù): step(time, 0, 0, 20, 90)+step(time, 100, 0, 220, 360).

在進(jìn)行修剪系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，要在ADAMS中進(jìn)行反復(fù)參數(shù)設(shè)置，包括仿真類型、求解器、仿真步長(zhǎng)的選擇.設(shè)定各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)副最大靜摩擦因數(shù)為0.5，動(dòng)摩擦因數(shù)為0.09.

3.4 仿真結(jié)果及分析

在仿真過程中，不斷調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)函數(shù)，最終設(shè)置運(yùn)動(dòng)仿真時(shí)間為220 s和步長(zhǎng)為2 000，觀察整個(gè)修剪過程，并對(duì)機(jī)構(gòu)和修剪位姿進(jìn)行干涉分析，未發(fā)生干涉現(xiàn)象，也不存在“死點(diǎn)”，運(yùn)動(dòng)過程順暢.在后處理模塊PostProcessor得到輸出修剪刀具運(yùn)動(dòng)曲線.

選取修剪刀具做為參考點(diǎn)，進(jìn)行x軸(水平方向)、y軸(豎直方向)和z軸(垂直方向)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)測(cè)量, 如圖7所示. 由圖7可知，修剪刀具在y軸方向能達(dá)到最大值為9 821 mm，最小值為300 mm，水平修剪距離在730～3 230 mm，當(dāng)修剪刀具到達(dá)最大位置時(shí)，修剪最遠(yuǎn)距離為1 200 mm. 結(jié)果表明，修剪系統(tǒng)在豎直方向上存在180 mm的距離，相對(duì)而言滿足設(shè)計(jì)需求.

圖7 修剪刀具運(yùn)動(dòng)曲線Fig.7 Motion curve of cutting tool

在后處理模塊PostProcessor得到各關(guān)節(jié)角度、角速度和角加速度變化曲線如圖8所示，其中關(guān)節(jié)1、2、3、4分別為基本臂、伸縮臂、腕部翻轉(zhuǎn)、修剪刀具旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié).從圖8(a)可知: 關(guān)節(jié)1的旋轉(zhuǎn)角度為0～83°，關(guān)節(jié)2的旋轉(zhuǎn)角度為0～165.5°，關(guān)節(jié)3的旋轉(zhuǎn)角度為0～90°，關(guān)節(jié)4的旋轉(zhuǎn)角度為0～260°，滿足設(shè)計(jì)要求.由圖8(b)和8(c)可知， 修剪系統(tǒng)的各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)過程比較平穩(wěn)，角速度變化曲線相對(duì)來說比較平滑.但是，關(guān)節(jié)1角加速度發(fā)生突變，由于基本臂在短時(shí)間內(nèi)快速啟停導(dǎo)致.修剪系統(tǒng)各連桿之間不存在干涉情況，從而也說明連桿參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性和正運(yùn)動(dòng)學(xué)算法的準(zhǔn)確性.

(a) 角度

(b) 角速度

(c) 角加速度圖8 各關(guān)節(jié)角度、角速度和角加速度變化曲線Fig.8 The angle, angular velocity and angular acceleration curves of the joint

4 結(jié) 語

通過對(duì)樹木養(yǎng)護(hù)多功能機(jī)的設(shè)計(jì)，將修剪和削片有機(jī)組合在一起，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用.主要對(duì)修剪系統(tǒng)進(jìn)行模型簡(jiǎn)化和正向運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，通過仿真分析模擬出機(jī)構(gòu)中各零部件之間的運(yùn)動(dòng)情況，而且得到修剪系統(tǒng)末端位移、各關(guān)節(jié)角、角速度、角加速度的變化曲線.通過分析可知，該修剪系統(tǒng)可以修剪300～9 821 mm高的綠化樹木，水平修剪距離為730～3 230 mm，驗(yàn)證了修剪系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性，為修剪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真奠定基礎(chǔ).

[1] 張錚.哈爾濱市道路綠化結(jié)構(gòu)與改善小氣候功能的研究[D].哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2007.

[2] YING H K, EAN O L, RIPIN Z M.The design and development of suspended handles for reducing hand-arm vibration in petrol driven grass trimmer [J]. International Journal of Industrial Ergonomics, 2011, 41(5): 459-470.

[3] 尼姝麗, 薛國(guó)磊, 王述洋, 等.道路綠化樹木修剪及剩余物制片

聯(lián)合機(jī)的研究與分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué), 2014(2): 501-502.

[4] 于盛通.大型車載式枝椏粉碎機(jī)設(shè)計(jì)與仿真研究[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2013.

[5] 趙志強(qiáng).采伐作業(yè)聯(lián)合機(jī)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)分析[D]. 哈爾濱: 東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2010.

[6] SARING Y. Robotics of fruit harvesting: A sate of the art review[J].Journal of Agricultural Engineering Research, 1993, 54(4): 465-280.

[7] 薛峰.基于ADAMS 的破碎錘工作裝置動(dòng)態(tài)仿真分析[D].西安: 西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院, 2007.

[8] 鄭建榮.ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)入門與提高[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005: 48-134.

Analysis and Simulation of Pruning System of Tree Maintenance Multifunction Machine

NIShu-li,XUEGuo-lei,DAIJia-ming,WANGShu-yang

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Northeast Forestry University， Harbin 150040，China)

In view of the present road greening trees maintenance difficulties, hard work, manual operation, a tree maintenance multifunctional machine and a meet high-altitude tree pruning system were designed. Kinematics simulation analysis of the pruning system was carried out via ADAMS simulation software, simulating the pruning system motion. Then the position curves of the ends of the tool and change curves of each joint angle, angular velocity and angular acceleration were got. The simulation results show that the pruning system meets the design requirements.

tree maintenance multifunctional machine; pruning system; kinematics; ADAMS simulation

1671-0444 (2016)04-0587-06

2015-03-24

尼姝麗(1963—)，女，黑龍江哈爾濱人，教授，博士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及其自動(dòng)化. E-mail: nishuli2004@163.com

TP 243.1

A