基于UG的智能采摘機器人動畫仿真設計

侯慶斌

(陜西國際商貿學院，陜西 咸陽 712046)

0 引言

虛擬仿真又被稱作虛擬現實技術，它是計算機技術高速發展的產物，也逐步形成了一定的體系結構，被廣泛的應用在各種工程領域和生產生活的各個方面，成為人類認識和改造世界的一種戰略性工具。隨著現代農業的快速發展，高精度和智能自動化系列農業機械開始在農業生產中運用，而采摘機器人就是一種典型的使用案例。采摘機器人的設計過程較為復雜，由于國內起步較晚，機器人的設計經驗數據還較少，采用實驗的方法設計研發周期較長；而如果將虛擬仿真技術引入到采摘機器人的設計過程中，采用虛擬現實技術對機器人的性能進行測試，將有效地提高采摘機器人的設計效率，降低設計成本，對現代農業新型農機具的研究具有重要的意義。

1 UG三維建模在采摘機器人設計中的應用

UGNX是機械零部件設計過程中常用軟件之一，利用UGNX可以實現三維建模以及動畫仿真，從而為高效的設計采摘機器人提供數據支持。UGNX的主要特點如下：

1)產品設計。UGNX軟件的設計應用非常齊全，其運動學和動力學仿真性能較好，可以滿足復雜產品設計的需求，設置整套產品都可進行三維建模，在建模時可以首先將零部件的模型設計出來，最后通過三維零部件的裝配實現完整產品的設計。

2)NC加工。UG加工所有模塊，提供UG加工模塊框架，可以利用軟件和數控系統的接口，建立數控加工程序，甚至利用軟件可以自行生成加工軌跡，從而實現復雜零部件的加工。

3)仿真、確認和優化。通過UG-NX的仿真和優化，用戶可以得到設計產品的優點和缺點；通過對缺點的改正和對優點的進一步優化，實現產品的參數化和數字化設計。用仿真方法建立的三維割草機的模型，如圖1所示。

圖1 UG三維割草機Fig.1 UG 3D mower

通過對割草機零部件的尺寸參數優化設計，可以得到最佳的零部件尺寸，然后利用動畫仿真的裝配技術，可以將零部件組裝在一起。智能化采摘機器人需要有環境感知、路徑自主規劃和末端執行等功能，在參數化設計過程中大部分參數需要繼續優化，因此在參數設計時需要重點考慮這些功能，使設計出來的采摘機器人具有高效的工作效率。

2 采摘機器人參數設計及其參數化建模

為了使采摘機器人的各項參數滿足設計需求，可以引入參數化建模思想，采用UG三維建模和仿真優化來對參數進行驗證。采摘機器人的設計主要分兩部分：一部分是采摘終端設計，另一部分是移動功能設計。采摘終端的設計需要采摘機器人可成功地采摘果實目標，移動功能設計要求采摘機器人具有自主移動和定位的能力。自主移動主要采用驅動電機來完成，在設計電機功率時需要考慮采摘機器人的質量、運行速度和驅動輪直徑。假設采摘機器人的質量為G，自主移動時與農田的摩擦因數f=0.75，則電動機所需的工作功率為

(1)

(2)

(3)

F=Gf

(4)

由電機至傳動軸的總效率為

ηa=η1·η2

(5)

其中，η1、η2分別為減速器、聯軸器的傳動效率。

取η1=0.90，η2=0.99，則

ηa=0.90×0.99=0.89

(6)

利用以上計算，可以求得驅動電機的功率及輸出的轉矩；然后，結合當前市場中的直流電機，選擇合適的電機。在選擇電機時，主要需要考慮以下參數，這些參數也可以在參數建模時進一步優化，如表1所示。

表1 電機參數選擇Table 1 The selection of motor parameters

這些電機的參數都可以在UG仿真模擬系統中預設值，然后根據采摘機器人的移動速度和驅動輪的直徑，可以得到驅動輪的轉速為

(7)

通過參數化優化后可以得到驅動輪的最佳轉速，然后利用電機的一些參數可以對減速箱進行設計。本文使用一個簡單的二級變速箱對采摘機器人的移動速度進行控制，如圖2所示。

1.輪軸1 2.大輪 3、6.滾動軸承 4.小輪 5.輪軸2 7.同步齒型帶 8.軸固定架

圖2中，電機輸出的轉矩首先傳遞到4個小齒輪上，然后通過同步齒輪帶傳遞給2個大齒輪上，使輪軸1開始運動；驅動輪軸1帶到驅動輪開始運動；并實現采摘機器人的加減速參數化設計，如圖3所示。

圖3 參數化設計Fig.3 The parameterized design

為了使采摘機器人的設計達到最優，需要對機器人進行參數化設計。參數化設計可以使用已有的經驗數值對設計進行規范化，從而可以縮短設計周期，提高設計效率。參數化設計最常用的是參數化建模，具體框架如圖4所示。

圖4 參數化建模示意圖Fig.4 The sketch diagram of parametric modeling

參數設計時，需要根據已有的經驗值設計模型的幾何尺寸和幾何約束，確定幾何形體；最后，通過對模型的仿真和優化，使采摘機器人的性能達到最優。

3 基于UG的智能采摘機器人動畫仿真

從根本上說，參數化設計是在系統的作用下最大限度地保持參數不變，設計者正是在這些可變和不變參數的交替作用中不斷改進，直至產品設計達到最優化。采用UG軟件的三維建模和動畫仿真功能可以對采摘機器人的參數進行驗證，本次主要通過采摘機器人機械手的抓取、關節的轉動和機器人的移動對設計參數進行優化和驗證。抓起部分的仿真如圖5所示。

圖5 采摘機械手抓取動作仿真Fig.5 The grasping action simulation of picking manipulator

圖5中，采摘機器人果實抓取動作的實現由電機提供動力，由電機到絲桿，再由絲桿到螺母，最后推動連桿，使仿生手指抓住目標果實采摘物。對于采摘機械手的參數優化，主要在于手指的長度和關節的轉動靈活。關節的轉動仿真如圖6所示。

圖6 采摘機械手關節轉動仿真Fig.6 The rotating joint simulation of picking manipulator

機械關節的轉動主要是利用電機驅動來完成的，電機驅動使小輪帶動大輪轉動，大輪帶動轉軸轉動，轉軸利用鍵接使中間件也隨之運動，而中間件會驅動手指等機械裝置運動。可以通過仿真模擬考察起初設計的手指尺寸、手指電機設計參數是否合理。如果不合理，則重新設計參數；如果合理，則可以繼續優化其他參數。

4 驗證

為了驗證采摘機器人移動性能，還可以采用UG動畫仿真軟件對機器人的移動定位進行測試，測試過程主要是針對采摘機器人的自主移動定位功能，包括X向的定位精度和Y向的定位精度。采摘機器人移動仿真如圖7所示，測試結果如表2所示。

圖7 采摘機器人移動仿真Fig.7 The mobile simulation of picking robot

表2 采摘機器人移動定位準確性仿真Table 2 The accuracy simulation of mobile positioning of picking robot

由表2可知：采摘機器人通過參數優化后具有較高的定位精度，可以滿足設計需求。

5 結論

基于虛擬現實和現代設計方法，將UG軟件引入到了采摘機器人的設計過程中，并通過參數化建模和動畫仿真對機器人的性能進行了優化和測試。由UG動畫虛擬仿真發現：采用UG軟件可以成功實現：采摘機器人的三維建模，并且通過參數化建模可以得到機器人的零部件模型，將零部件模型進行組裝后，可以實現機器人性能的虛擬測試。結果表明：采摘機器人通過經過多次測試都具有較高的定位精度，從而驗證了設計方案的可靠性，為采摘機器人的現代化設計提供了一種新的方法。