侯慶斌

(陜西國際商貿(mào)學(xué)院，陜西 咸陽 712046)

0 引言

虛擬仿真又被稱作虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，也逐步形成了一定的體系結(jié)構(gòu)，被廣泛的應(yīng)用在各種工程領(lǐng)域和生產(chǎn)生活的各個方面，成為人類認(rèn)識和改造世界的一種戰(zhàn)略性工具。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，高精度和智能自動化系列農(nóng)業(yè)機(jī)械開始在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用，而采摘機(jī)器人就是一種典型的使用案例。采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程較為復(fù)雜，由于國內(nèi)起步較晚，機(jī)器人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)還較少，采用實(shí)驗(yàn)的方法設(shè)計(jì)研發(fā)周期較長；而如果將虛擬仿真技術(shù)引入到采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對機(jī)器人的性能進(jìn)行測試，將有效地提高采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)效率，降低設(shè)計(jì)成本，對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)新型農(nóng)機(jī)具的研究具有重要的意義。

1 UG三維建模在采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

UGNX是機(jī)械零部件設(shè)計(jì)過程中常用軟件之一，利用UGNX可以實(shí)現(xiàn)三維建模以及動畫仿真，從而為高效的設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人提供數(shù)據(jù)支持。UGNX的主要特點(diǎn)如下：

1)產(chǎn)品設(shè)計(jì)。UGNX軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)用非常齊全，其運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)仿真性能較好，可以滿足復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需求，設(shè)置整套產(chǎn)品都可進(jìn)行三維建模，在建模時可以首先將零部件的模型設(shè)計(jì)出來，最后通過三維零部件的裝配實(shí)現(xiàn)完整產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

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(shù)控系統(tǒng)的接口，建立數(shù)控加工程序，甚至利用軟件可以自行生成加工軌跡，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件的加工。

3)仿真、確認(rèn)和優(yōu)化。通過UG-NX的仿真和優(yōu)化，用戶可以得到設(shè)計(jì)產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)；通過對缺點(diǎn)的改正和對優(yōu)點(diǎn)的進(jìn)一步優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的參數(shù)化和數(shù)字化設(shè)計(jì)。用仿真方法建立的三維割草機(jī)的模型，如圖1所示。

圖1 UG三維割草機(jī)Fig.1 UG 3D mower

通過對割草機(jī)零部件的尺寸參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shù)，可以將零部件組裝在一起。智能化采摘機(jī)器人需要有環(huán)境感知、路徑自主規(guī)劃和末端執(zhí)行等功能，在參數(shù)化設(shè)計(jì)過程中大部分參數(shù)需要繼續(xù)優(yōu)化，因此在參數(shù)設(shè)計(jì)時需要重點(diǎn)考慮這些功能，使設(shè)計(jì)出來的采摘機(jī)器人具有高效的工作效率。

2 采摘機(jī)器人參數(shù)設(shè)計(jì)及其參數(shù)化建模

為了使采摘機(jī)器人的各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)需求，可以引入?yún)?shù)化建模思想，采用UG三維建模和仿真優(yōu)化來對參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分兩部分：一部分是采摘終端設(shè)計(jì)，另一部分是移動功能設(shè)計(jì)。采摘終端的設(shè)計(jì)需要采摘機(jī)器人可成功地采摘果實(shí)目標(biāo)，移動功能設(shè)計(jì)要求采摘機(jī)器人具有自主移動和定位的能力。自主移動主要采用驅(qū)動電機(jī)來完成，在設(shè)計(jì)電機(jī)功率時需要考慮采摘機(jī)器人的質(zhì)量、運(yùn)行速度和驅(qū)動輪直徑。假設(shè)采摘機(jī)器人的質(zhì)量為G，自主移動時與農(nóng)田的摩擦因數(shù)f=0.75，則電動機(jī)所需的工作功率為

(1)

(2)

(3)

F=Gf

(4)

由電機(jī)至傳動軸的總效率為

ηa=η1·η2

(5)

其中，η1、η2分別為減速器、聯(lián)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(jì)算，可以求得驅(qū)動電機(jī)的功率及輸出的轉(zhuǎn)矩；然后，結(jié)合當(dāng)前市場中的直流電機(jī)，選擇合適的電機(jī)。在選擇電機(jī)時，主要需要考慮以下參數(shù)，這些參數(shù)也可以在參數(shù)建模時進(jìn)一步優(yōu)化，如表1所示。

表1 電機(jī)參數(shù)選擇Table 1 The selection of motor parameters

這些電機(jī)的參數(shù)都可以在UG仿真模擬系統(tǒng)中預(yù)設(shè)值，然后根據(jù)采摘機(jī)器人的移動速度和驅(qū)動輪的直徑，可以得到驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速為

(7)

通過參數(shù)化優(yōu)化后可以得到驅(qū)動輪的最佳轉(zhuǎn)速，然后利用電機(jī)的一些參數(shù)可以對減速箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文使用一個簡單的二級變速箱對采摘機(jī)器人的移動速度進(jìn)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(jī)輸出的轉(zhuǎn)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(yùn)動；驅(qū)動輪軸1帶到驅(qū)動輪開始運(yùn)動；并實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的加減速參數(shù)化設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 參數(shù)化設(shè)計(jì)Fig.3 The parameterized design

為了使采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，需要對機(jī)器人進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。參數(shù)化設(shè)計(jì)可以使用已有的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值對設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范化，從而可以縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率。參數(shù)化設(shè)計(jì)最常用的是參數(shù)化建模，具體框架如圖4所示。

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

參數(shù)設(shè)計(jì)時，需要根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)值設(shè)計(jì)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(yōu)化，使采摘機(jī)器人的性能達(dá)到最優(yōu)。

3 基于UG的智能采摘機(jī)器人動畫仿真

從根本上說，參數(shù)化設(shè)計(jì)是在系統(tǒng)的作用下最大限度地保持參數(shù)不變，設(shè)計(jì)者正是在這些可變和不變參數(shù)的交替作用中不斷改進(jìn)，直至產(chǎn)品設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)化。采用UG軟件的三維建模和動畫仿真功能可以對采摘機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，本次主要通過采摘機(jī)器人機(jī)械手的抓取、關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和機(jī)器人的移動對設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和驗(yàn)證。抓起部分的仿真如圖5所示。

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

圖5中，采摘機(jī)器人果實(shí)抓取動作的實(shí)現(xiàn)由電機(jī)提供動力，由電機(jī)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(biāo)果實(shí)采摘物。對于采摘機(jī)械手的參數(shù)優(yōu)化，主要在于手指的長度和關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動靈活。關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動仿真如圖6所示。

圖6 采摘機(jī)械手關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動仿真Fig.6 The rotating joint simulation of picking manipulator

機(jī)械關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動主要是利用電機(jī)驅(qū)動來完成的，電機(jī)驅(qū)動使小輪帶動大輪轉(zhuǎn)動，大輪帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)軸利用鍵接使中間件也隨之運(yùn)動，而中間件會驅(qū)動手指等機(jī)械裝置運(yùn)動?？梢酝ㄟ^仿真模擬考察起初設(shè)計(jì)的手指尺寸、手指電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)是否合理。如果不合理，則重新設(shè)計(jì)參數(shù)；如果合理，則可以繼續(xù)優(yōu)化其他參數(shù)。

4 驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采摘機(jī)器人移動性能，還可以采用UG動畫仿真軟件對機(jī)器人的移動定位進(jìn)行測試，測試過程主要是針對采摘機(jī)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(jī)器人移動仿真如圖7所示，測試結(jié)果如表2所示。

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

表2 采摘機(jī)器人移動定位準(zhǔn)確性仿真Table 2 The accuracy simulation of mobile positioning of picking robot

由表2可知：采摘機(jī)器人通過參數(shù)優(yōu)化后具有較高的定位精度，可以滿足設(shè)計(jì)需求。

5 結(jié)論

基于虛擬現(xiàn)實(shí)和現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，將UG軟件引入到了采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，并通過參數(shù)化建模和動畫仿真對機(jī)器人的性能進(jìn)行了優(yōu)化和測試。由UG動畫虛擬仿真發(fā)現(xiàn)：采用UG軟件可以成功實(shí)現(xiàn)：采摘機(jī)器人的三維建模，并且通過參數(shù)化建模可以得到機(jī)器人的零部件模型，將零部件模型進(jìn)行組裝后，可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人性能的虛擬測試。結(jié)果表明：采摘機(jī)器人通過經(jīng)過多次測試都具有較高的定位精度，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可靠性，為采摘機(jī)器人的現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供了一種新的方法。