郭琳，孫銘，辛琳，高帥，劉蒙，王興源

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

梳耙式棗果收集機(jī)主要由動(dòng)力裝置、收集裝置、機(jī)械手臂等組成，動(dòng)力系統(tǒng)為裝置提供動(dòng)力，通過(guò)控制氣壓缸的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)控制，柔性的梳耙將棗果與樹(shù)枝分離，分離的棗果由傘狀收集器統(tǒng)一收集。與傳統(tǒng)的人工收集相比，機(jī)器收集的效率更高，與震動(dòng)式收集器相比，梳耙式棗果收集器避免了對(duì)樹(shù)枝的損傷，故對(duì)氣動(dòng)梳耙式棗果收集器的研究很有價(jià)值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對(duì)于棗果生長(zhǎng)的條件,設(shè)計(jì)了一種梳耙式棗果收集機(jī)，主要由氣壓系統(tǒng)、可移動(dòng)基體、機(jī)械手臂、集果裝置、傘狀收集器等組成。整機(jī)的氣壓系統(tǒng)為裝置提供動(dòng)力。基座上帶有車輪，車輪部分采用履帶式，它的優(yōu)點(diǎn)是越障礙能力突出。集果裝置位于裝有儲(chǔ)氣缸的可移動(dòng)基座上方，其作用為收集從傘狀收集器收集的棗果。機(jī)械手臂和傘狀收集器安裝在集果裝置上方，負(fù)責(zé)梳耙棗果。兩臺(tái)可同時(shí)工作的機(jī)器中間有一個(gè)導(dǎo)向環(huán)，工作時(shí)它套住樹(shù)干，兩機(jī)器間的連桿可繞著導(dǎo)向環(huán)旋轉(zhuǎn)。收獲機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

根據(jù)棗果的分布情況，控制機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)，完成最優(yōu)收集。本機(jī)器采用的是氣動(dòng)系統(tǒng)，利用PLC編程來(lái)控制氣流閥，空氣推動(dòng)氣缸的活塞完成氣缸的收縮，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械手臂的空間運(yùn)動(dòng)。當(dāng)收集完一個(gè)位置的棗果時(shí)，控制車輪運(yùn)動(dòng)，裝置將旋轉(zhuǎn)至另一個(gè)收集位置進(jìn)行收集。經(jīng)梳耙爪梳離墜落的棗果會(huì)落到傘狀收集裝置處，傘狀收集器收口于收集盒，故棗果會(huì)沿著帆布滑落至收集盒內(nèi)，從而完成棗果的收集。

圖1 梳耙式棗果收獲機(jī)機(jī)構(gòu)圖

2 機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)分析

2.1 機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

機(jī)械手臂的具體工作性能與它的運(yùn)動(dòng)和姿態(tài)有很大的關(guān)系，當(dāng)對(duì)機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)初步確定后，就可以對(duì)機(jī)械手臂的動(dòng)臂、斗桿、梳耙桿進(jìn)行必要的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，簡(jiǎn)化計(jì)算圖如下圖2所示。

圖2 簡(jiǎn)化計(jì)算圖

2.1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)坐標(biāo)的建立

2.1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

梳耙式機(jī)械手臂采摘時(shí)，可根據(jù)氣缸的長(zhǎng)度來(lái)得出坐標(biāo)系之間的姿態(tài)角即夾角，再由姿態(tài)角得出氣缸的真實(shí)長(zhǎng)度。

（1）梳耙式機(jī)械手臂各點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算。當(dāng)我們已知工作裝置各點(diǎn)換矩陣可以求得各點(diǎn)在坐標(biāo)系中的位置，具體的計(jì)算方法如下。

坐標(biāo)系中的點(diǎn)在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中的位置可以計(jì)算得出為[X,Y,1]=。

坐標(biāo)系中的點(diǎn)在動(dòng)態(tài)坐標(biāo)系中的位置可以計(jì)算得出為[X,Y,1]=，以此方法同理計(jì)算出各點(diǎn)坐標(biāo)。

（2）機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)。通常在考慮機(jī)械手臂的運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以利用正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)。

設(shè)動(dòng)臂的坐標(biāo)原點(diǎn)相對(duì)于的位置向量為和，相對(duì)于坐標(biāo)系原點(diǎn)的位置矢量為。

我們?cè)O(shè)定速度和角速度分別是角速度，和分別為相對(duì)于坐標(biāo)系。機(jī)械手臂的動(dòng)臂坐標(biāo)系相對(duì)于機(jī)座坐標(biāo)系的線速度和角速度可以分別通過(guò)如下計(jì)算得到：

坐標(biāo)系相對(duì)于的角速度,棗果采摘手臂中的動(dòng)臂在坐標(biāo)系是轉(zhuǎn)動(dòng)的，它以為軸相對(duì)于斗桿以轉(zhuǎn)動(dòng)，因此我們可知：

通過(guò)上面公式進(jìn)行化簡(jiǎn)我們可以輕易地得到動(dòng)臂相對(duì)于機(jī)械臂中斗桿的線速度和線加速度分別為：

那么動(dòng)臂相對(duì)于的線速度和加速度我們也可得到為：

進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，有利于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制也具有非常重要的意義。

2.2 棗果采摘機(jī)械手臂位置控制系統(tǒng)的仿真分析

圖3 閉環(huán)位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

仿真分析是十分必要的。本論文先對(duì)棗果采摘機(jī)械手臂位置控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在這里以機(jī)械采摘手臂的斗桿裝置作為例子，它的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)可以輕易地得到，圖3為閉環(huán)位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖。

此系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，影響動(dòng)態(tài)性能的主要是氣壓缸和比例閥的頻率，開(kāi)環(huán)增益和氣壓缸的阻尼比主要影響系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)在我們運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀察閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線能否滿足要求。

由仿真的結(jié)果我們可以看到,未調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的峰值時(shí)間、調(diào)整時(shí)間不能夠滿足系統(tǒng)的要求，所以我們必須加入控制器進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過(guò)綜合分析最終我們確定采取PID控制器，取各項(xiàng)系數(shù)為Pk=16,Ti=1,Td=0.1。未經(jīng)調(diào)整的系統(tǒng)無(wú)超調(diào)，且不能達(dá)到控制系統(tǒng)快速性的要求。經(jīng)過(guò)引入PID控制器校正后可以得知峰值時(shí)間為4.8s,調(diào)整時(shí)間為3.6s。從單位階躍響應(yīng)曲線上（如圖4）。兩條曲線對(duì)比可知，在引入了PID控制器后，控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性得到了很大的改善，已經(jīng)符合我們對(duì)控制系統(tǒng)的要求。

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)建立梳耙機(jī)械手臂的數(shù)學(xué)模型來(lái)確定裝置工作時(shí)的位置和姿態(tài)，機(jī)械式梳耙裝置的數(shù)學(xué)模型可以用于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析。通過(guò)對(duì)位置控制系統(tǒng)的仿真分析，我們引入PID控制器，從而使得控制系統(tǒng)的性能得到改善。

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