康積龍　侯衛(wèi)萍　李晨穎　傅業(yè)琳　李志遠　丁在興

摘?要：針對國內(nèi)修枝機械作業(yè)方式比較原始，修枝勞動強度大，效率低的問題，對傳統(tǒng)修枝機械的結構和功能進行優(yōu)化，設計一款具有多功能的園藝修枝機械臂。多功能園藝修枝臂的研究主要從作業(yè)原理、結構設計與優(yōu)化和模型構建等方面進行分析。通過對多功能園藝修枝臂的三維模型構建和力學的受力分析，保證所設計的多功能園藝修枝機械臂結構的自由度、結構強度和剛度符合要求，滿足機械在實際作業(yè)中的工作要求。多功能園藝修枝機械臂集修枝和集材于一體，可實現(xiàn)修枝作業(yè)的機械化，提高作業(yè)效率。修枝機械臂在工作時，能夠一步實現(xiàn)枝條的修剪和收集，解決采用人工修枝費時費力的問題，彌補傳統(tǒng)修枝工藝的不足，推動園藝修枝機械的發(fā)展。該機械臂功能齊全，結構簡單，便于操作，能夠適應復雜的林業(yè)機械作業(yè)的環(huán)境。

關鍵詞：修枝機械;結構設計與優(yōu)化;模型構建

中圖分類號：S776?文獻標識碼：A???文章編號：1006-8023（2019）04-0082-07

Design and Characteristic Analysis of Multifunctional Gardening

Pruning Mechanical Arm

KANG Jilong， HOU Weiping*， LI Chenying， FU Yelin， LI Zhiyuan， DING Zaixing

（College of Engineering and Technology， Northeast Forest University， Harbin 150040）

Abstract：In view of the fact that the domestic pruning machinery operation mode is relatively primitive， the pruning labor intensity is high， and the efficiency is low， the structure and function of the traditional pruning machine are optimized， and a multifunctional gardening pruning robot arm is designed. The research of multifunctional gardening pruning arm is mainly analyzed from the aspects of operation principle， structural design and optimization， and model construction. Through the three-dimensional model construction and mechanical force analysis of the multi-functional gardening pruning arm， the freedom， structural strength and rigidity of the designed multi-functional gardening pruning arm structure are guaranteed to meet the requirements， and the mechanical work in the actual operation can be satisfied. The multi-functional gardening and pruning robotic arm integrates pruning and collecting functions， which can realize mechanization of pruning operations and improve work efficiency. When the pruning arm is working， it can realize the pruning and collecting of the branches in one step， solve the problem of time and laborious use of artificial pruning， make up for the deficiency of the traditional pruning process， and promote the development of the gardening pruning machine. The mechanical arm is fully functional， simple in structure， easy to operate， and can adapt to complex forestry machinery operations.

Keywords：Pruning machinery; structure design and optimization; model construction

0?引言

樹木修枝是森林撫育的主要措施，對樹木生長、成材有非常積極的意義[1]。行道樹的合理修枝可以促進樹木的成長，提高樹木的通直度、抗彎強度，增強上部光合作用;同時對行道樹修枝可以提高道路通行的安全，對于行道樹中冠幅大、重心偏、枝條低的樹枝進行修剪，使其盡可能的減少樹木在惡劣天氣發(fā)生倒伏的現(xiàn)象。國外機械化修枝技術起步較早，配套齊全[2]，低于8 m的樹枝可直接采用修枝鉗和伸縮臂完成修枝作業(yè)，但8 m 以上側枝修剪缺乏適用機械[3]。目前國內(nèi)在修枝機械方面也取得了一定的成果，但依舊處于半機械化狀態(tài)，主要以華南熱帶作物機械研究所設計并試制成功的3SG-8型全液壓修枝整形機為典型[4]，但該機械工作臺最大起升高度為8.5 m，且需要操作員在操作臺上進行人工修枝作業(yè)。因此，現(xiàn)在仍然迫切需要開發(fā)設計一種通過操作員在地面平臺操作即可實現(xiàn)作業(yè)、降低勞動強度的新型多功能修枝機械。

園藝修枝機械的作業(yè)環(huán)境特殊，作業(yè)對象復雜[5]，對園藝修枝機械手臂的機構和功能相對較高。針對以上所提到的情況，本文根據(jù)城市道路兩旁行道樹的修枝工藝特征和工作特性，在分析其作業(yè)環(huán)境和功能的前提下，對園藝修枝機械手臂進行了結構設計與優(yōu)化，并進行三維模型的構建和受力分析，使修枝機械臂滿足實際修枝作業(yè)的要求。

1?多功能園藝修枝機械手臂結構設計

1.1?多功能修枝機械手臂的總體設計與工作原理

多功能修枝機械手臂由夾持及修枝部分、承載部分和驅(qū)動控制等3個部分組成。夾持及修枝部分由機械臂前端的電鋸和機械爪等工作構件組成。承載部分為多功能園藝修枝機械手臂最基礎的組成部分，根據(jù)承載結構的不同，該部分分為可固定的水平承載臺和運動伸縮的承載臂。園藝修枝機械手臂的驅(qū)動控制是通過液壓氣驅(qū)動為機械臂的工作部分提供動力，通過液壓桿為機械臂的伸縮運動提供動力，同時在園藝修枝機械手臂的運動關節(jié)處用插銷板對機械臂進行輔助的點控制，用編程控制器和計算機來控制進行機械臂的整體控制和工作記錄。多功能修枝機械手臂結構圖如圖1所示。

在實際工作中用修枝機械進行修枝時樹枝的位置是不可確定的，而且實際修枝過程中樹枝沒有對應固定空間坐標，因此無法在修枝前直接得到樹枝的空間坐標（x，y，z）進行樹枝的修剪。修枝機械臂是通過系統(tǒng)硬件、支撐臂和功能臂系統(tǒng)硬件、電鋸和機械爪系統(tǒng)硬件發(fā)送指令，進而控制轉動臺、電鋸、機械爪和修枝臂，與同類機械相比具有更高的相對定位精度，能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位和鋸切作業(yè)[6]。本機械臂實現(xiàn)樹枝的空間定位的方法是：首先將修枝臂調(diào)整到某一空間位置，通過計算機掃描測算樹枝距離工作臂的相對位置;然后通過對機械臂和下方旋轉臺的控制將機械爪運動到被修樹枝，機械爪抓取樹枝后啟動修枝電鋸修剪樹枝;最后機械臂運動收集樹枝，從而完成修枝作業(yè)。在機械手臂完成修枝作業(yè)后，工作人員通過控制系統(tǒng)調(diào)整機械臂回到初始位置，并關閉機械動力系統(tǒng)，修枝臂就完成一個工作循環(huán)[7]。修枝機械修枝流程如圖2所示。

1.2?機械手臂驅(qū)動原理

多功能修枝機械手臂的控制系統(tǒng)是通過主控制單元和工業(yè)CAN總線相互配合共同構成各機械臂的網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，而修枝機械臂的每一節(jié)臂是網(wǎng)絡控制系統(tǒng)中的一個控制單元。各節(jié)臂上的控制單元搭接在CAN總線上，實現(xiàn)控制信號的輸送。每個節(jié)臂上的控制單元又間接的搭接在主控制單元上，因此在主控制單元發(fā)出控制信號后，各節(jié)臂能夠快速的接收總線傳輸?shù)目刂菩盘枴８鞴?jié)臂上的控制單元根據(jù)接收的信號對機械臂進行運動控制并進行信息反饋，從而實現(xiàn)對園藝修枝機械臂的運動控制和監(jiān)測，實現(xiàn)修枝作業(yè)功能。同時，各關節(jié)也會將修枝機械手臂的動作信息實時通過CAN接口發(fā)送到主控制單元，從而實現(xiàn)完整的閉環(huán)網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，具體的驅(qū)動控制原理如圖3所示。

2?機械手臂的設計優(yōu)化

2.1?設計變量的確定

多功能園藝修枝機械手臂的設計變量包括主控制臺高度L1，第一節(jié)支撐臂臂長L2，第二節(jié)支撐臂臂長L3，第三節(jié)支撐臂臂長L4，第四節(jié)伸縮臂臂長L5，第一、二、三臂的轉角范圍為[θ2min，θ2max]，[θ3min，θ3max]，[θ4min，θ4max]。如圖4所示，為簡化機械臂優(yōu)化的過程，根據(jù)地區(qū)樹木大致高度以及修枝機械手臂修枝的實際情況，確定L1=0.6 m。導軌行程與機械手臂的水平工作空間有關，綜合考慮，確定L2= L3= L4= L5=3 m。結合樹枝修剪區(qū)域情況以及機械手運動情況，可取θ2min=0°，θ3min=180°，θ4min=-90°;因此，需要優(yōu)化設計的變量為第一節(jié)支撐臂臂長L2，第二節(jié)支撐臂臂長L3，第三節(jié)支撐臂臂長L4，以及機械臂的轉角θ2max，θ3max和θ4max，即

X=[X1，X2，X3，X4]T

=[L2，L3，L4，θ2max，θ3max，θ4max]T 。（1）

2.2?結構參數(shù)的優(yōu)化

進行機械臂的結構參數(shù)設定，主要是建立各個關節(jié)間的自由度聯(lián)系，確定旋轉角度和變化范圍[8]。在滿足修枝要求的前提下，實現(xiàn)作業(yè)無效空間最小化[9]。故以其實際工作空間所圍成的面積為目標函數(shù)，并使其在所包含的矩形工作區(qū)間LMNKL條件下為最小值[10]，即

minf（x）=SABCDFGA 。（2）

SABCDFGA=SPABP-SGFE-S△JFG-SAHI

=[r2pA（αβ-αA）-2r2IA（αH-AA）]/2。 （3）

式中：αA、αB、αH為各點的向量角;r為圓弧的半徑。

2.3?修枝機械臂運動分析

對于實際情況中的機械臂每個作業(yè)位置都可以通過調(diào)節(jié)機械手臂的姿態(tài)與之對應，采用D-H方法對修剪機械臂進行運動學建模分析[11]。為了使分析和計算更加便捷，對機械臂的結構進行簡化，并對機械臂進行參數(shù)化，第一、二、三節(jié)臂長分別為L2、L3、L4;旋轉臺的轉角為θ1;第一、二、三節(jié)臂的轉角分別為θ2、θ3、θ4;則修枝機械臂的齊次變換矩陣為：

修枝機械臂的修枝動作是在各節(jié)臂已知各個關節(jié)角的情況下，求修枝機械臂動作時工作部分的動作形式和動作位置，即求出齊次變換矩陣15T，即可得到修枝機械臂作業(yè)時的姿態(tài)和前端修枝部分的空間位置，變化矩陣為：

變換矩陣中，sinθ23表示sin（θ2+θ3），cosθ23表示cos（θ2+θ3），sinθ234表示sin（θ2+θ3+θ4），cosθ234表示cos（θ2+θ3+θ4）。

3?動力學仿真分析

3.1?建立三維模型

根據(jù)多功能園藝修枝機械手臂的實際設計要求按2∶1比例在SOLIDWORKS環(huán)境中建立修枝機械臂動力學仿真模型[12]，如圖5所示。機械臂是金屬框架結構，連接處和金屬支撐臂均倒有圓角，在安裝動力裝置和傳動裝置的地方均有相應的安裝空間。為避免部分特征和小結構特征影響網(wǎng)格的質(zhì)量，在實際建模時對模型進行簡化，從而降低造成分析精度等問題。

3.2?確定材料及模型分析劃分

在實際機械制造生產(chǎn)中主要使用的材料為鑄鐵和鋼，為選擇出制造機械臂的最佳材料，將常用的5種金屬材料進行材料屬性比較，材料屬性見表1，從材料屬性表可以比較出合金鋼的張力強度和屈服強度是最高的，且其抗剪模量高、膨脹系數(shù)低，根據(jù)修枝機械的工作環(huán)境和作業(yè)特性可知合金鋼是制造多功能園藝修枝機械手臂最優(yōu)選擇。由于機械手臂尺寸和體積較大，綜合修枝作業(yè)時機械臂的受力形式，在對機械臂進行三維模型受力分析時，主要對園藝修枝機械臂前部的機械爪等主要受力部分進行受力分析和工作屬性驗證，其他非主要受力部分只需滿足受力要求即可。

3.3?添加約束及施加載荷

該修枝機械手臂在進行修剪和集材工作時，工作部分的機械爪需夾持所要修剪的樹枝，并在樹枝修剪后將其夾持起升和收集。根據(jù)修枝機械臂的實際工作情況和受力可知，修枝機械工作時作用在修枝作業(yè)部分的載荷為0～6 000 N，由于模型是按2∶1比例構建，所以模型所加的外部載荷為0～3 000 N。修枝機械在實際修枝作業(yè)時所承受的力非恒定的，且受外部環(huán)境影響，因此在進行仿真分析時以300 N為增量對機械臂進行受力分析，同時對修枝機械在高溫和低溫條件下進行受力分析。

在受力分析時對第四節(jié)機械臂前端施加固定約束，對機械爪施加外載荷，并進行實體網(wǎng)格化，模擬機械臂實際修枝工作情況下的受力分析，具體實施如圖6所示。

3.4?受力結果分析

對修枝機械臂仿真模型施加約束后，放松其縱向移動，在上部工作部分的機械爪處施加修枝的計算壓力N，方向為所修剪樹枝與機械爪接觸面的法線方向。通過對機械臂進行靜應力受力分析和屈曲分析，得出修枝機械臂仿真模型在不同環(huán)境條件下安全系數(shù)、應力、靜態(tài)位移和應變的變化曲線圖，見表2、圖7～圖9;機械臂在正常工作條件下的屈曲分析如圖10所示;以及機械臂在平均外載荷作用下的受力分析如圖11～圖13所示。由表2、圖7至圖9可以看出機械臂在不同環(huán)境條件下安全系數(shù)、應力、靜態(tài)位移和應變雖然都因環(huán)境影響存在差異，但在允許施加的外載荷范圍內(nèi)各影響因素均滿足實際工作要求，不影響正常修枝作業(yè);由圖10可知修枝臂在修剪額定外載荷內(nèi)的樹枝時屈曲特征值均大于等于1，且當外載荷超過修枝機械的屈服極限后屈曲特征值將趨于穩(wěn)定;由圖11～圖13可以看出當對修枝機械施加平均外載荷時工作部分最大受力為機械爪與樹枝接觸部分，機械變形比例為1，最大靜應力為1 510.6 N/mm2，最大變形位移為1.094 mm，最大應變?yōu)?.005，根據(jù)模擬受力分析和實際作業(yè)情況相比較可知修枝機械臂滿足使用要求。

4?結論

從分析機械臂的總體機構入手，在深入明確機械臂修枝作業(yè)原理的前提下，通過對各機械節(jié)臂的參數(shù)分析、選擇和運動分析，對機械結構進行設計優(yōu)化。在理論模型的指導下，構建了多功能園藝修枝機械的三維模型，通過對模型的受力分析，驗證了其結構的可操作性和安全性。同時證明了多功能園藝修枝機械能夠克服園藝修枝中所遇到的諸多困難，能夠?qū)崿F(xiàn)修枝作業(yè)的機械化，提高作業(yè)效率，解決采用人工修枝費時費力的問題。

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