智能樹木修剪機的設計與仿真研究

王 鵬，萬志遠，李 鋒

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

引言

隨著現代社會的不斷進步，人工林種植與市政綠化程度越來越高，人們對于修剪的平整度、造型及修剪效率等要求也不斷提高。傳統的樹木修剪方式安全隱患大、重復性高。隨著視覺、傳感、機電一體化、人工智能與物聯網等技術的發展，智能樹木修剪機不僅在很大程度上提高了修剪樹木的勞動效率，而且修剪質量大大提高[1]。

1 智能樹木修剪機結構設計

智能樹木修剪機是一種可以根據實際情況進行實時轉換液壓剪和電鋸的智能修剪裝置，通過人工遙控修剪樹木枝干，具有低風險、高效率、智能化程度高等優點。

1.1 智能樹木修剪機簡介

智能樹木修剪機從設計結構來說，主要分為汽車底盤、搭載設備和多自由度機械臂幾個部分，如圖1所示：

圖1 智能樹木修剪機總體結構

智能樹木修剪機可以分為：動力系統、機械系統、控制系統，智能樹木修剪機在修剪作業時的性能與其機構的優良關系很大，在作業時智能修剪機的各個系統是作為一個整體來完成修剪任務的。

智能樹木修剪機是依靠動力系統來向機構傳遞動力的，它對修剪作業的效率起著關鍵性的作用，智能樹木修剪機的工作環境比較復雜，機械臂作業頻率高，載荷也經常發生變化，因此動力系統地設計尤為重要。智能樹木修剪機的機械系統包括了汽車底盤和機械臂等，智能樹木修剪機的修剪作業完成主要依靠機械系統完成。控制系統主要是對發動機、攝像頭、機械臂等進行控制的系統。

1.2 智能樹木修剪機建模

多自由度多功能機械臂的結構是比較復雜的，在建立三維模型時，必須進行簡化，多自由度機械臂是一個十分復雜的機械結構，為了提高建模效率與模型的裝配精度，根據每個零件的特點分類進行建模。機械臂的建模如圖2所示：

圖2 多自由度機械臂模型

根據設計要求，在Solidworks中采取基本建模方法形成基本的特征實體，在建模過程中使用了有底向上的設計方法，對于每一個零件都能夠清晰掌控，還可以隨時對裝配體中的零件進行修改。智能樹木修剪機車身的建模如圖3所示，是車身的裝配模型，建模過程不做詳述。

圖3 智能樹木修剪機車身模型

2 智能樹木修剪機運動仿真

虛擬樣機的建立采用Solidworks軟件與ADAMS仿真軟件相結合的方法，使用Solidworks軟件建模，然后再導入到ADAMS軟件中進行適當地修改[2]。

在Solidworks中繪制完成之后，保存為Parasolid格式，然后導入到ADAMS中；使用 Parasolid 格式進行Solidworks和 ADAMS 文件的數據轉換可以較好的避免數據在 STEP和 IGES等文件轉換數據時產生的數據丟失問題。同時使用Parasolid中間數據格式能夠最大程度保留原模型的幾何要素和零部件的信息，甚至可以在Solidworks里先添加一些簡單的約束，再通過專用運動模塊接口導入ADAMS中，這樣就可以有效地將建模和分析鏈接在一起，最大程度的避免在ADAMS中復雜的建模過程，盡可能使得數學模型與物理樣機水平相接近，提高分析計算的準確性。在ADAMS中對各個構件添加約束，即定義運動副、添加驅動、施加載荷，得出仿真模型[3]，為后面的計算求解和結果后處理中做好準備。

設置ADAMS工作環境：

（1）設置坐標系，選擇笛卡爾坐標系。

（2）設置單位，選擇MMKS即毫米（mm）、千克（㎏）、秒（s）、牛頓（N）、度（deg）單位制。

（3）添加重力和方向，設置g為9 806.65 mm/s2，方向為（-Z）。

根據實際情況，在不影響仿真分析效果的情況下對機械臂[4]模型進行簡化使建模簡單方便，建模完成后，利用Solid-works軟件[5]的裝配功能，完成機構的裝配，然后將該模型導出為Parasolid文件，導入ADAMS仿真軟件中，并根據智能樹木修剪機的實際約束情況，添加約束、驅動和載荷，在底座與大地之間采用固定副連接，并且每添加一個約束都要進行仿真，觀察是否與理論模擬相符合，這樣出現問題就能夠及時發現，以保證最后仿真模型的準確度，提高效率。

在處理過程完成后，建立的模型就可以進行仿真操作，最后建立的虛擬樣機如圖4所示。

圖4 機械臂虛擬樣機模型

在仿真過程中，獲得智能樹木修剪機的運動過程，不斷進行調整優化，縱觀整個仿真過程，運動過程平滑順暢，各個構件沒有發生死點和干涉現象。具體作業仿真模擬過程如圖5所示：

圖5 具體作業運動過程

3 結論

本文完成了智能樹木修剪機的設計改進與仿真研究，本智能樹木修剪機采用Solidworks建成模型，并將其導入仿真軟件ADAMS中，基于運動學對智能樹木修剪機進行仿真模擬分析，驗證該裝置沒有干涉和死點位置，并能夠完成預期的運動，具體仿真過程均符合預期要求，該智能樹木修剪機滿足作業要求。