蘇 丹，龍雄輝

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430)

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蔬菜采摘機(jī)器人通用夾持機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
—基于UG和ADMAS聯(lián)合仿真

蘇 丹，龍雄輝

(廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510430)

為了提高夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)效率和精度，提出了一種新的采摘機(jī)器人通用夾持機(jī)構(gòu)的同步設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，將UG和ADMAS軟件引入到了夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，并利用軟件的聯(lián)合虛擬仿真功能，實(shí)現(xiàn)了夾持機(jī)構(gòu)的合理布局和夾緊力的計(jì)算與同步優(yōu)化。利用夾持機(jī)構(gòu)的加工工序，在UG軟件中對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了布局，并通過(guò)運(yùn)動(dòng)約束的添加使夾持機(jī)構(gòu)處于完全打開(kāi)狀態(tài)。將UG夾持機(jī)構(gòu)模型導(dǎo)入到ADMAS軟件中進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)計(jì)算得到了影響彈簧夾緊力關(guān)鍵點(diǎn)變量的敏感度，取對(duì)彈簧夾緊力影響較大的點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了彈簧產(chǎn)生最大夾緊力時(shí)變量點(diǎn)的彈簧位移，從而實(shí)現(xiàn)了夾持機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后，對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)性能進(jìn)行了仿真計(jì)算，為夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

夾持機(jī)構(gòu)；UG軟件；夾緊力；采摘機(jī)器人；蔬菜

0 引言

由于世界人口的急劇增加，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的壓力越來(lái)越大，對(duì)大規(guī)模和高效率的生產(chǎn)模式的需求也日益明顯?？萍及l(fā)展和各種理論技術(shù)的突破也為生產(chǎn)模式提供了諸多便利條件，農(nóng)業(yè)機(jī)器人由于其具有高效率和無(wú)疲勞的優(yōu)勢(shì)，在農(nóng)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)中起到了相當(dāng)重要的作用。從20世紀(jì)末開(kāi)始，由美國(guó)、日本、法國(guó)、印度等許多國(guó)家對(duì)自動(dòng)采摘機(jī)器人展開(kāi)了研究，并取得了一定成果；但對(duì)于易損傷蔬菜果實(shí)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況并不樂(lè)觀，其技術(shù)瓶頸主要是采摘機(jī)器人的機(jī)械手夾持機(jī)構(gòu)。夾持機(jī)構(gòu)的合理布局和優(yōu)化可以保證夾持的果實(shí)不受損傷，并且提高采摘效率，本研究利用UG和ADMAS軟件的聯(lián)合仿真功能，主要對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化布置，對(duì)夾緊力進(jìn)行計(jì)算和同步優(yōu)化，可以提高夾持機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)效率，對(duì)易損類蔬菜果實(shí)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1 通用夾持機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)和原理

采摘機(jī)器人對(duì)于一些易損蔬菜的采摘需要采用合適的夾持機(jī)構(gòu)，否則會(huì)造成蔬菜的損傷，影響采摘效果。例如，美國(guó)研制的西紅柿采摘機(jī)器人，該種類型機(jī)器人的夾持結(jié)構(gòu)采用了真空吸盤和四指機(jī)械爪，夾持手指呈對(duì)稱分布狀態(tài)，夾持手指的材料為塑料質(zhì)地的材料，并通過(guò)纜繩連接便于共同驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了蔬菜的穩(wěn)定抓持，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 西紅柿采摘機(jī)器人夾持結(jié)構(gòu)Fig.1 The clamping structure of tomato picking robot

美國(guó)研制的這款西紅柿采摘機(jī)器人夾持機(jī)構(gòu)的手指造型為彎曲平滑曲線，可以根據(jù)蔬菜的大小進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)償。但是，對(duì)于易損類蔬菜，其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是夾持力大小的優(yōu)化，設(shè)計(jì)依據(jù)主要是蔬菜的采摘過(guò)程。采摘機(jī)器人的蔬菜采摘流程如圖2所示。

2 通用夾持機(jī)構(gòu)工件加工和UG建模

為了建立采摘機(jī)器人通用夾持機(jī)構(gòu)的虛擬仿真模型，首先需要確定工件的加工工序，確定夾持機(jī)構(gòu)的夾持位置，以便在ADMAS中設(shè)置仿真參數(shù)。本研究的夾持機(jī)構(gòu)加工工件如圖3所示。

圖2 采摘機(jī)器人蔬菜采摘流程Fig.2 The vegetable picking process of picking robot

圖3 夾持機(jī)構(gòu)加工工件示意圖Fig.3 The schematic diagram of the clamping mechanism

加工工件工序主要是銑直徑為32mm孔的端面，工件材料是HT200，銑刀的材料是高速鋼，直徑為80mm，齒數(shù)為10個(gè)，選擇高速鋼圓柱銑刀直徑d=60mm，齒數(shù)z=10；銑刀形狀rn=10°，α0=12°，β=45°。在工件加工時(shí)，實(shí)際銑削寬度αe=2.5mm，銑削深度αp=50mm，機(jī)床選用XA6132臥式銑床。

1)確定每齒進(jìn)給量fz。根據(jù)機(jī)床的功率7.5kW，確定工藝系統(tǒng)的剛性為中等，因此每齒的進(jìn)給量fz為0.16～0.24mm/z，本次取fz=0.18mm/z。

2)選擇銑刀標(biāo)準(zhǔn)。選擇銑刀的標(biāo)準(zhǔn)包括磨損量和耐用度，根據(jù)工藝系統(tǒng)的參數(shù)，查資料可得，銑刀最大磨損量為1.5mm，銑刀直徑d=60mm，耐用度T=180min。

3)確定切削速度。根據(jù)以上選擇的銑刀參數(shù)，可以得到銑削的實(shí)際速度，然后根據(jù)XA6132銑床的特征，查取轉(zhuǎn)速nc=300/min，Vfc=475mm/s。

則實(shí)際切削速度為

(1)

實(shí)際進(jìn)給量

(2)

確定夾持機(jī)構(gòu)的加工工序后，可以使用UG建立夾持機(jī)構(gòu)的整體模型，然后進(jìn)行優(yōu)化布局。首先利用UG軟件建立夾持機(jī)構(gòu)的仿真模型，點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕進(jìn)入U(xiǎn)G NX6.0的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，在運(yùn)動(dòng)仿真導(dǎo)航中右擊，新建一個(gè)仿真；將墊片、壓塊和加工工件定義為三連桿結(jié)構(gòu)，一般來(lái)說(shuō)，連桿中需要有一個(gè)固定的連桿，在此處運(yùn)動(dòng)副有固定的運(yùn)動(dòng)副，因此連桿均為活連桿。

圖4表示運(yùn)動(dòng)副和移動(dòng)副的定義，依次定義工件和連接板、壓板臂和連接板、壓板臂和工件為三個(gè)回轉(zhuǎn)副。其中，由于連接板因沒(méi)有定義為連桿，所以前兩者為固定副。將鉆孔設(shè)置為移動(dòng)副，其運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置如圖5所示。

圖4 定位運(yùn)動(dòng)副和移動(dòng)副Fig.4 The positioning pairs and the moving pairs

在UG軟件中，可以對(duì)結(jié)構(gòu)添加運(yùn)動(dòng)副，并設(shè)置運(yùn)動(dòng)副的方向，從而驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)設(shè)置好運(yùn)動(dòng)副方向后，可以在UG軟件中完全打開(kāi)夾持機(jī)構(gòu)，完全打開(kāi)夾持機(jī)構(gòu)的狀態(tài)如圖6所示。

圖5 移動(dòng)副方向的設(shè)置Fig.5 The direction setting of the moving pairs

圖6 夾持機(jī)構(gòu)完成打開(kāi)狀態(tài)Fig.6 Completing the open state of clamping mechanism

夾持機(jī)構(gòu)完全打開(kāi)后便可以模擬裝置的夾緊力和移動(dòng)狀態(tài)，本文主要是對(duì)夾緊力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)合角速度來(lái)研究夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性，優(yōu)化需要結(jié)合ADMAS虛擬仿真來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 通用夾持機(jī)構(gòu)ADMAS仿真和同步優(yōu)化

為了實(shí)現(xiàn)夾緊力和夾持結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，需要結(jié)合ADMAS軟件進(jìn)行仿真計(jì)算。ADMAS軟件和UG軟件的兼容性較好，可以導(dǎo)入復(fù)雜的UG模型，其優(yōu)化的步驟如下：

1)細(xì)化模型。對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，對(duì)夾持機(jī)構(gòu)的夾緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行細(xì)化，得到不同參數(shù)下產(chǎn)生的夾緊力。

2)迭代模型。通過(guò)ADAMS的優(yōu)化分析功能，找出對(duì)夾緊力影響最大的設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置。

3)優(yōu)化設(shè)計(jì)。得到夾緊力最大敏感度的幾個(gè)變量，通過(guò)對(duì)變量的優(yōu)化，獲得最大的夾緊力。

為了實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)步驟，首先在ADMAS中打開(kāi)變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)話框，優(yōu)化的主要目標(biāo)是使彈簧力的值最大，因?yàn)槠錇樨?fù)值，所以取為最小，如圖7所示。

圖7 變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)話框Fig.7 The dialog box of variable optimization design

圖7表示變量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)的對(duì)話框，在不同的位置點(diǎn)取了10個(gè)優(yōu)化變量，變量命名為WV_1，主要測(cè)試彈簧位移的變化量；優(yōu)化設(shè)計(jì)后可以在ADMAS中自動(dòng)生成報(bào)告，報(bào)告的內(nèi)容為彈簧位移的初始值和最優(yōu)值，如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)變量對(duì)彈簧力影響敏感度Table 1 The influence sensitivity of design variables on the spring force

由表1可以看出:設(shè)計(jì)變量WV3、WV4、WV7、WV8的敏感度的初始值和最優(yōu)值最接近，敏感度最大，對(duì)夾緊力影響最大。

圖8表示對(duì)彈簧夾緊力優(yōu)化后的曲線結(jié)果。由圖8可以看出：變量DV3、DV4、DV7、DV8的值分別為2.878、3.186、1.038、10.047時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)可以產(chǎn)生最大的夾緊力，最大夾緊力為966.77N，從而實(shí)現(xiàn)了夾緊力的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖8 彈簧夾緊力優(yōu)化后曲線Fig.8 The optimized curve of spring clamping force

為了研究夾持機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，改變外傾角，對(duì)機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行了虛擬仿真計(jì)算，通過(guò)計(jì)算得到了3種外傾角工況下的橫擺角速度隨時(shí)間變化曲線。由圖9可以看出：外傾角對(duì)橫擺的穩(wěn)定性影響不大，從而驗(yàn)證了夾持機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖9 階躍轉(zhuǎn)向下橫擺角速度的仿真結(jié)果Fig.9 The simulation results of the yaw rate of the step steering

從圖10中可以看出：隨著外傾角的增加，側(cè)傾角響應(yīng)時(shí)間變短，操縱穩(wěn)定性變差，因此適當(dāng)?shù)臏p小裝置采摘?jiǎng)幼鲿r(shí)的外傾角有利于改善裝置的操縱穩(wěn)定性，提高采摘效率。

圖10 穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)時(shí)裝置側(cè)傾角的仿真結(jié)果Fig.10 The simulation results of steady state rotational fashion

4 結(jié)論

根據(jù)夾持機(jī)構(gòu)的加工工序，在UG軟件中建立了完整的夾持機(jī)構(gòu)裝配體，并利用添加運(yùn)動(dòng)約束的功能，使夾持機(jī)構(gòu)處于完全打開(kāi)的狀態(tài)；將設(shè)計(jì)好的夾持機(jī)構(gòu)導(dǎo)入到ADMAS軟件中，對(duì)夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，通過(guò)仿真計(jì)算得到了影響夾緊力大小的關(guān)鍵變量。對(duì)夾持機(jī)構(gòu)夾緊力的關(guān)鍵變量進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了最大彈簧夾緊力時(shí)各變量點(diǎn)的彈簧位移大小及夾持機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性分析結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)了夾緊力的同步優(yōu)化。

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General Clamping Mechanism Design of Vegetable Picking Robot Based on the Combination of UG and ADMAS

Su Dan, Long Xionghui

(Guangzhou Railway Polytechnic,Guangzhou 510430,China)

In order to improve the clip to mechanism design efficiency and accuracy, this paper proposes a new picking robot universal clamping mechanism of synchronous design optimization method, UG and ADMAS software were introduced to the clamping mechanism design process, and use the software to virtual simulation function, the realization of the clamping mechanism of reasonable layout and clamping force calculation and synchronous optimization. The clamping mechanism is arranged in the UG software by the machining process of the clamping mechanism, and the clamping mechanism is in a completely open state through the adding of the movement restriction. Will UG clip to mechanism model was imported into ADMAS software in the dynamic simulation, obtained by calculating the effect of the spring clamping force key variables sensitivity, take on the spring clamping force effect of the larger point is optimized, the spring to generate maximum clamping force when the variable spring displacement, so as to realize the clamping mechanism optimization design. Finally, the motion performance of the clamping mechanism is simulated and calculated, which provides a theoretical basis for the stability design of the clamping mechanism.

clamping mechanism; UG software; clamping force； picking robot; vegetable

2016-01-26

廣東省高等職業(yè)教育教學(xué)改革項(xiàng)目(201401196)

蘇 丹(1975-)，女，安徽蕭縣人，副教授，碩士，(E-mail)sudandan1975@sina.com。

S225.92;TP242.6

A

1003-188X(2017)03-0155-05