城市園林自動修剪機(jī)器人動力學(xué)仿真研究

李名地

(廊坊職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 廊坊 065000)

0 引言

隨著社會的不斷進(jìn)步，城市園林的發(fā)展日益更新。園林修整與管理的機(jī)器設(shè)備具有可操作性強(qiáng)、運動精度可控及工作效率高等優(yōu)點，目前在園林發(fā)展與建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。近年來，根據(jù)園林建設(shè)的整體美觀與協(xié)調(diào)，為充分提高園林修剪機(jī)器人的自動化程度，多位學(xué)者從修剪機(jī)器的機(jī)構(gòu)與控制角度出發(fā)，分別利用多種理論對機(jī)器性能最優(yōu)化進(jìn)行研究改進(jìn)，筆者在借鑒前人學(xué)者研究思路與理論的基礎(chǔ)上，對城市園林修剪機(jī)器人的自動化程度進(jìn)行分析，通過動力學(xué)理論模型建立與進(jìn)行仿真試驗，對自動修剪機(jī)器人展開研究。

1 整機(jī)原理及參數(shù)

園林修剪機(jī)器人是一種代替人工進(jìn)行園林枝葉修整與去除的有效作業(yè)機(jī)器，主要包括控制部件、攀爬部件、姿態(tài)調(diào)整部件、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及末端執(zhí)行器等，其主要工作參數(shù)為機(jī)械臂的作業(yè)閾值、自由度及定位精度等，作業(yè)閾值通過有效銜接各個肢體關(guān)節(jié)的長度與行程問題確定。

針對機(jī)器人自由度問題，必須在合理的坐標(biāo)系之下建立各關(guān)節(jié)的空間結(jié)構(gòu)從而掌握機(jī)械人修剪末端執(zhí)行器的軌跡與定位；定位精度則由修剪機(jī)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(diào)節(jié)與執(zhí)行環(huán)節(jié)完成末端執(zhí)行器的合理運動與精準(zhǔn)定位環(huán)節(jié)。表1給出自動修剪機(jī)器人的D-H參數(shù)設(shè)計，定義了機(jī)器人各修剪作業(yè)關(guān)節(jié)的角度及長度，以確保各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)作業(yè)。

表1 自動修剪機(jī)器人D-H參數(shù)設(shè)計

2 動力學(xué)分析

2.1 工作空間

修剪機(jī)器人動力學(xué)工作空間作業(yè)決定機(jī)器人整機(jī)修剪效率，為避免機(jī)器人在作業(yè)過程中死點及作業(yè)死區(qū)缺陷，通過力學(xué)分析形成機(jī)器人的運動正、逆運動學(xué)程序及各關(guān)節(jié)角度的變化。園林自動修剪機(jī)器人工作空間流程簡圖如圖1所示。

2.2 動力學(xué)模型

根據(jù)園林農(nóng)藝特點及修剪機(jī)器人作業(yè)要求，建立修剪機(jī)器人在作業(yè)過程中的位移、速度、加速度及相關(guān)動力學(xué)模型，即

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式中θd—機(jī)器人的位移；

Kp—動力學(xué)模型對角正定矩陣比例調(diào)節(jié)；

Kd—動力學(xué)模型對角正定矩陣比例調(diào)節(jié)；

H—動力學(xué)模型實際值計算矩陣；

N—動力學(xué)模型實際值計算矩陣。

修剪機(jī)器人穩(wěn)定性分析選用函數(shù)為

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圖1 園林自動修剪機(jī)器人工作空間流程簡圖

依照理論模型，建立機(jī)器人作業(yè)關(guān)節(jié)流程，如圖2所示。修剪作業(yè)時，經(jīng)視覺單元采集與傳遞，末端執(zhí)行單元在控制系統(tǒng)的作用下依次進(jìn)行初步靠近與精細(xì)調(diào)整，最終到達(dá)修剪部位進(jìn)行持續(xù)作業(yè)，此過程利用PD控制調(diào)節(jié)。

圖2 園林自動修剪機(jī)器人作業(yè)關(guān)節(jié)流程簡圖

2.3 驅(qū)動控制

修剪機(jī)器人驅(qū)動控制設(shè)計與應(yīng)用應(yīng)根據(jù)作業(yè)需求，利用函數(shù)控制關(guān)系(7)進(jìn)行作業(yè)控制，建立控制網(wǎng)絡(luò)輸入與輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，實時對機(jī)器人修整作業(yè)的動作輸入、輸出進(jìn)行接收、調(diào)整與反饋。

y=WTσ(x) (x∈Rn,y∈Rm)

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式中x—控制網(wǎng)絡(luò)輸入；

y—控制網(wǎng)絡(luò)輸出；

W—核心權(quán)值矩陣；

σ(x)—激活函數(shù)矢量。

表2 自動修剪機(jī)器人驅(qū)動控制函數(shù)

依據(jù)機(jī)器人關(guān)節(jié)運動規(guī)律，給出驅(qū)動控制函數(shù)詳細(xì)代碼(見表2)，并結(jié)合自動修剪機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖(見圖3)，通過驅(qū)動控制與下位機(jī)程序控制，開關(guān)量輸出至修剪機(jī)器人各運動執(zhí)行部件開展修剪作業(yè)；各個關(guān)節(jié)加裝智能傳感器應(yīng)用裝置，保證傳遞數(shù)據(jù)及信號的準(zhǔn)確性與及時性，且可進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控。

圖3 城市園林自動修剪機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

3 仿真試驗

3.1 試驗前置要求

對修剪機(jī)器人運動軌跡進(jìn)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(biāo)綜合求解，通過多次優(yōu)化要素及調(diào)整參數(shù)，建立近似優(yōu)化模型，進(jìn)而給出經(jīng)多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化的理論參數(shù)范圍，即

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3.2 試驗分析

為深入了解自動修剪機(jī)器人在不同修剪高度作業(yè)要求下所需匹配的控制電機(jī)性能，仿真試驗設(shè)定修剪高度作為變化參數(shù)，從而記錄控制電機(jī)的功率與角度變化情況，如表3所示。由表3可知：在廣泛應(yīng)用的修剪高度變化400～500mm范圍時，電機(jī)各項參數(shù)能夠較好地保持穩(wěn)定性能，轉(zhuǎn)動角度在可控可達(dá)閾值內(nèi)，電控裝置仿真表現(xiàn)良好。

表3 自動修剪機(jī)器人不同修剪高度對應(yīng)控制電機(jī)參數(shù)

續(xù)表3

為進(jìn)一步提升自動修剪機(jī)器人的定位及補(bǔ)償功能，在仿真試驗加入定位及補(bǔ)償裝置，同時編入補(bǔ)償程序進(jìn)行控制與調(diào)整，結(jié)果如表4所示。由表4的10組數(shù)據(jù)可看出：初始定位的實際作業(yè)修剪位置，經(jīng)定位補(bǔ)償器修正后的位置坐標(biāo)更為準(zhǔn)確，誤差控制在6%左右。

經(jīng)試驗并不斷變化參數(shù)驗證，記錄與分析繪制特征參數(shù)曲線。圖4為機(jī)器人仿真試驗主關(guān)節(jié)1的角度運動變化曲線，圖5給出自動修剪機(jī)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(bǔ)且扭矩配合一致性較好，試驗效果良好。

圖4 自動修剪機(jī)器人角度仿真曲線

表4 自動修剪機(jī)器人定位及補(bǔ)償試驗數(shù)據(jù)記錄

續(xù)表4

圖5 自動修剪機(jī)器人扭矩仿真曲線

4 結(jié)論

1)在自動修剪機(jī)器人整機(jī)的結(jié)構(gòu)及修整原理的基礎(chǔ)上，通過分析機(jī)械人各修剪部位的動力學(xué)運動規(guī)律，加入驅(qū)動智能控制，使得修剪機(jī)器人各關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)運動良好。

2)經(jīng)多次目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化，獲取自動修剪機(jī)器人的運動參數(shù)，并利用機(jī)構(gòu)的運動定位與補(bǔ)償功能，實現(xiàn)修剪機(jī)器人各關(guān)節(jié)作業(yè)定位的準(zhǔn)確性，定位誤差控制在6%左右，使得園林修剪機(jī)器人按照既定的設(shè)計進(jìn)行修剪，效果良好。

3)結(jié)合運動學(xué)規(guī)律，對城市園林自動修剪機(jī)器人的動力學(xué)進(jìn)行仿真試驗，記錄了各關(guān)節(jié)臂的運動角度與作業(yè)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(jī)器人的開發(fā)與改進(jìn)。