趙 雄 曹功豪 張鵬飛 馬锃宏 趙立軍 陳建能

(1.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院, 杭州 310018; 2.浙江省種植裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310018;3.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 杭州 310018; 4.重慶文理學(xué)院智能制造工程學(xué)院, 重慶 402160)

0 引言

中國為蘋果種植大國,產(chǎn)量位居世界第一。蘋果采摘環(huán)節(jié)作業(yè)量占整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)作業(yè)量的50%～70%[1]。目前,采摘環(huán)節(jié)主要依靠人工完成,而由于果樹較高,果實(shí)成熟期較短,使得采摘?jiǎng)趧?dòng)強(qiáng)度大,危險(xiǎn)性高[2]。隨著科技的不斷進(jìn)步,勞動(dòng)力的短缺,采用機(jī)械臂代替人工從事繁瑣危險(xiǎn)的工作已經(jīng)成為發(fā)展的趨勢[3]。日益增長的市場需求對機(jī)械臂的采摘效率也提出了更高的要求[4]。

在蘋果采摘實(shí)際應(yīng)用中,多自由度工業(yè)機(jī)械臂[5-7]運(yùn)動(dòng)規(guī)劃復(fù)雜,采摘作業(yè)時(shí)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解約束過多,導(dǎo)致可采摘空間狹小,并且電機(jī)與減速器安裝于關(guān)節(jié)上存在機(jī)械臂笨重、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大、剛度低、動(dòng)態(tài)性能不佳等缺點(diǎn)[8]。三自由度蘋果采摘機(jī)械臂在關(guān)節(jié)型機(jī)械臂基礎(chǔ)上,采用平行四邊形結(jié)構(gòu),使得末端執(zhí)行器在機(jī)械臂運(yùn)行過程中始終保持水平,引入多個(gè)平行可控四連桿結(jié)構(gòu),將動(dòng)力后置使機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量降低,增加了整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)剛度,便于輕量化設(shè)計(jì),且臂展長工作空間大,自由度少,運(yùn)動(dòng)規(guī)劃簡單[9-11]。在實(shí)際工作中三自由度采摘機(jī)械臂引入平行可控桿組,依靠各個(gè)桿件之間協(xié)調(diào)運(yùn)作完成動(dòng)作,各個(gè)桿件直接影響機(jī)械臂的性能,且對整個(gè)機(jī)械臂動(dòng)作的完整性及安全性都至關(guān)重要。目前設(shè)計(jì)三自由度蘋果采摘機(jī)械臂采用類比和經(jīng)驗(yàn)的方法,通常存在結(jié)構(gòu)笨重、體積大、負(fù)載較小等問題[12-13]。

本文使用牛頓-歐拉法建立動(dòng)力學(xué)模型,通過ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證其正確性,通過計(jì)算各個(gè)關(guān)節(jié)最大扭矩,對機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,獲得最優(yōu)結(jié)構(gòu)方案,并為電機(jī)選型及電機(jī)的精確控制奠定基礎(chǔ),為最優(yōu)控制方法提供可靠的理論依據(jù),提升工作性能[14-15]。本文基于動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果,運(yùn)用有限元方法,在保證機(jī)械臂剛度與強(qiáng)度的前提下,通過改變結(jié)構(gòu)形狀或尺寸,降低機(jī)械臂質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

1.1 任務(wù)空間分析

為了適應(yīng)我國蘋果復(fù)雜的、非結(jié)構(gòu)化[16]的作業(yè)環(huán)境,在設(shè)計(jì)采摘機(jī)械臂臂長時(shí)要充分考慮蘋果的果實(shí)分布,且采摘機(jī)械臂要有較大的采摘空間。采摘空間的形狀、大小是決定工作能力的關(guān)鍵因素[17-19]。

在果園里隨機(jī)選取50棵蘋果樹,果園結(jié)構(gòu)如圖1所示,對蘋果樹的行距、樹高、枝葉伸展寬度進(jìn)行測量,得到果樹高度為3.0～3.8 m,樹枝的伸展寬度為1.1～1.7 m,行距為3.0～4.0 m。記錄了每棵蘋果樹的果實(shí)縱向分布與果實(shí)橫向分布情況,如表1所示?？v向分為4個(gè)區(qū)(H1、H2、H3和H4),分別為0～0.8 m、0.8～1.6 m、1.6～2.0 m和2.0～3.2 m。橫向分為3個(gè)區(qū)域(L1、L2和L3),分別為距樹干0～0.2 m、0.2～0.6 m和大于0.6 m。

圖1 果園結(jié)構(gòu)

表1 不同區(qū)域具有不同蘋果分布密度的蘋果樹數(shù)量

從表1可看出,約75%果實(shí)分布低于1.8 m,70%以上的果實(shí)集中分布在樹枝橫向?qū)挾?.5～1.2 m,即機(jī)械臂前后臂展至少達(dá)到1.2 m,才能對果樹深處果實(shí)進(jìn)行采摘,考慮到底盤車可將機(jī)械臂基座前后伸展,行程為0.8 m,機(jī)械臂末端位置伸出最遠(yuǎn)與最近距離差值大于0.4 m時(shí),就能滿足蘋果采摘要求。同時(shí)由于底盤車的限制,蘋果樹果實(shí)距地面0.3 m時(shí),底盤車會(huì)干涉機(jī)械臂運(yùn)動(dòng),此時(shí)機(jī)械臂姿態(tài)怪異,采摘困難,因此綜合考慮距離地面0.3 m以下的蘋果不進(jìn)行采收,機(jī)械臂上下極限位置差為1.4 m左右,才能覆蓋蘋果樹的大部分果實(shí)結(jié)果位置。

分析表1可知,機(jī)械臂的任務(wù)空間[20]要能覆蓋75%果實(shí)分布區(qū)域,尺寸為1 200 mm×1 000 mm×1 400 mm,機(jī)械臂任務(wù)空間簡圖如圖2所示。

圖2 機(jī)械臂任務(wù)空間簡圖

根據(jù)機(jī)械臂的任務(wù)空間及機(jī)械臂關(guān)節(jié)限制,本文確定機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù):腰部關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心到大臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心的距離a0為150 mm;大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心到小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心的距離a1為500 mm;小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心到末端連接器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心的距離a2為500 mm;末端連接器旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)中心到末端執(zhí)行器的距離a3為180 mm。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

本文設(shè)計(jì)的三自由度蘋果采摘機(jī)械臂的3個(gè)自由度均為轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,由底座、腰部關(guān)節(jié)、大臂、小臂、末端連接器與驅(qū)動(dòng)連桿組成,3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度分別是大臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、小臂旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和腰部旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié),結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。該機(jī)械臂結(jié)構(gòu)引入平行桿組,組成局部閉鏈結(jié)構(gòu),由于局部閉鏈2和局部閉鏈3的存在,使末端執(zhí)行器始終與地面保持水平,簡化了姿態(tài)規(guī)劃,保證蘋果采摘過程中機(jī)械臂運(yùn)行平穩(wěn)。同時(shí)由于局部閉鏈1的存在,通過小臂驅(qū)動(dòng)連桿將電機(jī)輸出扭矩轉(zhuǎn)移到小臂關(guān)節(jié)上,從而轉(zhuǎn)動(dòng)小臂,該結(jié)構(gòu)將較重的驅(qū)動(dòng)電機(jī)與減速器的安裝位置移動(dòng)至旋轉(zhuǎn)機(jī)架上,減小了關(guān)節(jié)處的質(zhì)量,從而減小了機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增大了整個(gè)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的剛度。

圖3 三維結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)時(shí),大臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)大臂,小臂電機(jī)驅(qū)動(dòng)小臂驅(qū)動(dòng)連桿,從而帶動(dòng)小臂運(yùn)動(dòng)。當(dāng)大臂運(yùn)動(dòng)時(shí),小臂由于局部閉鏈1的存在而保持姿態(tài)不變,僅跟隨大臂做前后運(yùn)動(dòng)。同時(shí),當(dāng)小臂運(yùn)動(dòng)時(shí),大臂姿態(tài)不隨小臂的運(yùn)動(dòng)而改變。末端連接器由于局部閉鏈2、3的存在,使得末端執(zhí)行器始終與大地保持水平。

采用SolidWorks軟件對三自由度采摘機(jī)械臂進(jìn)行虛擬樣機(jī)建模。機(jī)械臂三維模型如圖4所示。

1.3 正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

三自由度采摘機(jī)械臂連桿坐標(biāo)系設(shè)定如圖5所示,記末端連接器與水平方向夾角為Φ,由于局部閉鏈2、3的存在,可知在機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中Φ為固定值,僅與機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)有關(guān)。本機(jī)械臂設(shè)計(jì)時(shí)末端執(zhí)行器始終保持水平即Φ=0°。設(shè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角分別為θ1、θ2、θ3、θ4、θ5,局部閉鏈1使角度θ3與驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角θ2、θ5存在幾何關(guān)系,同樣角度θ4與θ5也存在幾何關(guān)系[21],因此,θ2、θ3、θ4、θ5之間的關(guān)系為

圖5 三自由度蘋果采摘機(jī)械臂D-H連桿坐標(biāo)系

θ3=-θ2-θ5

(1)

θ4=θ5

(2)

通過式(1)、(2)即可將驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角θ5用θ2、θ3表示,θ4用θ5表示,將含局部閉鏈機(jī)構(gòu)三自由度采摘機(jī)械臂轉(zhuǎn)化為開鏈機(jī)構(gòu),采用開鏈機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)研究理論進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。在本文的研究中為簡化計(jì)算只計(jì)算開鏈中θ1、θ2、θ3的運(yùn)動(dòng)學(xué)關(guān)系,在實(shí)際應(yīng)用時(shí)通過簡單變換即可將θ1、θ2、θ3轉(zhuǎn)換為由驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ5表示。

根據(jù)D-H法,連桿之間的位移長度為ɑi-1;連桿之間相對位置距離為di;參數(shù)αi-1表示關(guān)節(jié)軸zi+1與關(guān)節(jié)軸zi之間的扭轉(zhuǎn)角;參數(shù)θi表示關(guān)節(jié)i由初始值繞關(guān)節(jié)軸z旋轉(zhuǎn)的角度。由于最后一個(gè)連桿始終保持水平,最終三自由度采摘機(jī)械臂的D-H連桿參數(shù)表如表2所示。

表2 三自由度蘋果采摘機(jī)械臂D-H連桿參數(shù)

各個(gè)相鄰的連桿坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換矩陣為

(3)

其中r11=c1c234r12=-s1r13=-c1s234

Px=c1(a2c23+a3c234+a1s2)

r21=s1c234r22=c1r23=-s1s234

Py=s1(a2c23+a3s243+a1s2)

r31=s234r32=0r33=c234

Pz=a3s234-a1c2-a0+a2s23

式中ci表示cosθi,si表示sinθi,cij表示cos(θi+θj),sij表示sin(θi+θj),cijk表示cos(θi+θj+θk),sijk表示sin(θi+θj+θk),i、j、k取1,2,3,4。

(4)

與圖5所示的情況完全一致。

1.4 逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解實(shí)現(xiàn)了任務(wù)空間的軌跡映射到關(guān)節(jié)空間,為實(shí)現(xiàn)伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制奠定基礎(chǔ)。

(1)求解θ1

(5)

(6)

令式(5)、(6)兩端元素(2,4)對應(yīng)相等,得

-Pxs1+Pyc1=0

利用三角代換得

正負(fù)號(hào)對于θ1有兩種可能的解,由于對θ1限定了關(guān)節(jié)變量的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與方向,故只能選定其中唯一的解,故

(7)

(2)求解θ2與θ3

令式(5)、(6)兩端元素(1,3)與(3,3)對應(yīng)相等

由式(1)、(2)解得

(8)

令式(5)、(6)兩端元素(1,4)與(3,4)對應(yīng)相等

得出

(9)

其中

a=Pxc1+Pys1-a2c23-a3s234

b=a3s234-Pz-a2s23-a0

聯(lián)立式(8)、(9)解得

(10)

三自由度蘋果采摘機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解為θ1、θ2、θ3,由θ2、θ3與θ4、θ5之間的關(guān)系可得出關(guān)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角θ1、θ2、θ5與末端空間坐標(biāo)之間的關(guān)系,為后續(xù)控制機(jī)械臂提供理論依據(jù)。

1.5 工作空間繪制

根據(jù)蘋果樹的生長狀況,果實(shí)大部分生長在中間區(qū)域,頂部與底部有少量果實(shí),需將機(jī)械臂工作空間大范圍布置在中間區(qū)域,便于蘋果采摘。由于結(jié)構(gòu)尺寸與連桿之間關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角的限制,根據(jù)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角實(shí)際工作范圍的邊界,在Matlab軟件中設(shè)置旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、大臂關(guān)節(jié)、小臂關(guān)節(jié)角度的范圍如表3所示。

表3 各關(guān)節(jié)極限轉(zhuǎn)角

根據(jù)機(jī)械臂各個(gè)關(guān)節(jié)的角度限制,運(yùn)用Matlab軟件編程繪制出機(jī)械臂的平面工作空間與三維工作空間如圖6、7所示。

圖6 三自由度蘋果采摘機(jī)械臂工作空間平面圖

圖7 三自由度蘋果采摘機(jī)械臂三維工作空間

該工作空間為考慮安裝結(jié)構(gòu)約束限制與自身結(jié)構(gòu)尺寸限制后的實(shí)際工作空間,覆蓋了蘋果采摘所需求的目標(biāo)工作空間,滿足實(shí)際采摘要求。

2 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析與建模

2.1 機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析

三自由度蘋果采摘機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)仿真過程中,視模型為剛體。在旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)上施加驅(qū)動(dòng)力,視旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)做定軸轉(zhuǎn)動(dòng)[22]。

在質(zhì)量與角速度一定的情況下,應(yīng)使機(jī)械臂各零部件受力最大時(shí)機(jī)械臂臂展達(dá)到最長,臂的力矩最大。

運(yùn)動(dòng)時(shí)大臂和小臂關(guān)節(jié)一般聯(lián)合運(yùn)動(dòng),機(jī)械臂的臂展盡可能長且關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到最大值的情況下,才能得到在聯(lián)合仿真時(shí)的受力曲線。而大臂和小臂關(guān)節(jié)聯(lián)合加減速運(yùn)動(dòng),機(jī)械臂的臂展和驅(qū)動(dòng)力矩產(chǎn)生的合加速度都不斷變化。因此,需要在二者協(xié)同作用下找到動(dòng)態(tài)力和力矩的最大值。

為了模擬真實(shí)采摘路徑,3個(gè)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)且在某時(shí)刻機(jī)械臂處于臂展最長時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),將牛頓歐拉法建立的模型與ADAMS建立的仿真模型都在此軌跡下進(jìn)行仿真運(yùn)算,得出每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的扭矩圖,進(jìn)行對比分析。

2.2 基于牛頓歐拉法機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)建模

由關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)計(jì)算關(guān)節(jié)力矩的完整算法由兩部分組成。第1部分是對每個(gè)連桿應(yīng)用牛頓-歐拉方程,從連桿1到連桿n向外迭代計(jì)算連桿的速度和加速度。第2部分是從連桿n到連桿1向內(nèi)迭代計(jì)算連桿間的相互作用力和力以及關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩。對于轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)來說,這個(gè)算法歸納如下:

(1)計(jì)算速度加速度向外迭代(i:0→3)

(2)末端到基座遞推關(guān)系(i:4→1)

iPCi——質(zhì)心位置矢量

CiIi——連桿的質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

iPi+1——坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)矢量

τi——關(guān)節(jié)i的力矩

ifi——連桿間相互作用力

ini——連桿間相互作用力矩

將機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型編寫成Matlab程序,在Matlab的Simulink中通過搭建的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解模型求解關(guān)節(jié)力矩。Simulink搭建的三自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)求解模型如圖8所示。

圖8 Simulink動(dòng)力學(xué)仿真模型

根據(jù)蘋果采摘的實(shí)際要求,將蘋果采摘中一條路徑的三維坐標(biāo)數(shù)組輸入到動(dòng)力學(xué)模型中,且運(yùn)動(dòng)過程中,各個(gè)關(guān)節(jié)的角速度和角加速度是變量,設(shè)3個(gè)關(guān)節(jié)的峰值角速度為60(°)/s,角加速度為600(°)/s2,速度特性為梯形速度曲線,可計(jì)算出每個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩曲線。

2.3 機(jī)械臂ADAMS仿真模型建立

在SolidWorks中建立機(jī)械臂各個(gè)部件的三維實(shí)體模型并且完成對各個(gè)部件的裝配關(guān)系,將模型簡化,去除非必要零件,將電機(jī)與減速器簡化成質(zhì)量點(diǎn),導(dǎo)入到ADAMS中,在ADAMS中添加各個(gè)部件的材料屬性,添加各個(gè)關(guān)節(jié)處運(yùn)動(dòng)副,施加載荷設(shè)置仿真參數(shù)。如圖9所示,對機(jī)械臂采摘蘋果過程中不同姿態(tài)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真分析,分析其在危險(xiǎn)姿態(tài)下各個(gè)關(guān)節(jié)在加減速運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況。

圖9 ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型

將ADAMS中得到的仿真結(jié)果與牛頓歐拉法理論遞推得出的數(shù)值曲線進(jìn)行對比,如圖10所示,可以得到:兩者分析結(jié)果的曲線趨勢相同,在峰值上存在細(xì)微差別,兩種方法得出的驅(qū)動(dòng)力矩存在7 N·m左右的差距,證明了理論仿真模型的正確性。存在7 N·m左右驅(qū)動(dòng)力矩差距,是由于ADAMS仿真模型是經(jīng)過簡化的,理論仿真模型設(shè)置的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量數(shù)值也有細(xì)微的差別導(dǎo)致,且誤差在合理范圍內(nèi)。從曲線分析結(jié)果可知,在蘋果采摘過程中,機(jī)械臂處于危險(xiǎn)姿態(tài)時(shí)大臂所受的驅(qū)動(dòng)力矩為最大驅(qū)動(dòng)力矩,最大力矩為105 N·m,符合實(shí)際情況,從曲線上還可以得出其余兩個(gè)電機(jī)的最大扭矩,可為后續(xù)電機(jī)選型與輕量化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

圖10 Newton-Euler與ADAMS動(dòng)力學(xué)仿真模型對比曲線

3 機(jī)械臂有限元分析與輕量化設(shè)計(jì)

3.1 有限元分析

機(jī)械臂作為典型的懸臂梁結(jié)構(gòu),自身質(zhì)量對機(jī)械臂有重要影響,減小機(jī)械臂質(zhì)量,并且同時(shí)滿足機(jī)械臂剛度與動(dòng)態(tài)性能的要求,是機(jī)械臂設(shè)計(jì)研究的重要內(nèi)容,一般通過設(shè)計(jì)合理的整機(jī)結(jié)構(gòu)與選擇高強(qiáng)度輕量的材料兩方面來實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的輕量化。

根據(jù)在ADAMS中機(jī)械臂蘋果采摘過程中各關(guān)節(jié)加減速階段,零件受力和力矩最大值導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行有限元分析。分析步驟如圖11所示。

圖11 有限元分析步驟

機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過程中,各個(gè)臂長、壁厚決定整個(gè)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)空間與運(yùn)動(dòng)性能,其質(zhì)量在整個(gè)機(jī)械臂中所占比重較大,為盡可能地減小機(jī)械臂質(zhì)量,需對大臂小臂進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足剛度與強(qiáng)度條件下,大臂、小臂和底座選用鋁合金,其具有密度小、加工性能和導(dǎo)熱性好的優(yōu)點(diǎn)。針對滿載作用下的機(jī)械臂在各關(guān)節(jié)處于最大扭矩的情況下進(jìn)行ANSYS仿真,大臂、小臂應(yīng)力云圖如圖12所示。大臂最大應(yīng)力為29.2 MPa,小臂最大應(yīng)力為73.4 MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力280 MPa,此時(shí)機(jī)械臂雙臂質(zhì)量為5.6 kg。

圖12 原始結(jié)構(gòu)機(jī)械臂應(yīng)力云圖

3.2 輕量化方案優(yōu)化

為研究不同輕量化方案對構(gòu)件力學(xué)性能的影響,本文通過改變孔的位置和形狀對如圖13a所示原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),分別建立了3種小臂模型,如圖13b～13d所示,模型2為骨棒型方案,模型3是矩形孔,模型4為大小相等的圓形孔,經(jīng)過輕量化模型搭建的3組機(jī)械雙臂總質(zhì)量為3.8 kg。

圖13 小臂原始結(jié)構(gòu)與輕量化方案

在保證外部載荷和材料一致的條件下,對以上4種模型分別在ANSYS環(huán)境下進(jìn)行靜力學(xué)分析,分別提取不同模型應(yīng)力和應(yīng)變的最大值,繪制曲線如圖14所示。

圖14 小臂模型1～4應(yīng)力與應(yīng)變

分析4種模型的仿真結(jié)果,在外部載荷和材料一致的情況下,各輕量化方案具有以下特征:

(1)輕量化會(huì)改變構(gòu)件剛度、強(qiáng)度等性能,不同輕量化方案對構(gòu)件的力學(xué)性能產(chǎn)生不同的影響。

(2)相同條件下,經(jīng)過上述最大應(yīng)力和最大應(yīng)變計(jì)算,小臂中模型2對最大應(yīng)力與最大應(yīng)變都最小,即上述各輕量化方案對小臂來說,模型2方案與其他輕量化方案相比更具有優(yōu)越性。

其中模型2中的大臂與小臂輕量化后受到的最大應(yīng)力為35.6 MPa與72.3 MPa。如圖15所示。

圖15 輕量化模型2機(jī)械臂應(yīng)力云圖

將輕量化后的各個(gè)臂的質(zhì)量重新輸入到建立的牛頓歐拉動(dòng)力學(xué)模型中,保持輕量化前后添加的速度、加速度一致,在相同的路徑下得到各個(gè)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩曲線,如圖16所示,對比可知優(yōu)化前后大、小臂的最大扭矩與總質(zhì)量都有所下降,靜態(tài)特性對比結(jié)果如表4。

圖16 輕量化后各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩曲線

表4 輕量化前后靜態(tài)特性對比

4 樣機(jī)試驗(yàn)

4.1 蘋果采摘機(jī)器人樣機(jī)搭建

蘋果采摘機(jī)械臂需要在非結(jié)構(gòu)果園環(huán)境中進(jìn)行果實(shí)定位與采摘,對其控制系統(tǒng)與智能化的要求較高,控制系統(tǒng)較為復(fù)雜[26-27],對蘋果采摘機(jī)器人各個(gè)模塊進(jìn)行集成,如圖17所示。

圖17 蘋果采摘機(jī)器人

4.2 采摘控制流程

當(dāng)攝像機(jī)檢測到視野范圍內(nèi)有成熟的蘋果時(shí),系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入機(jī)械臂控制流程,如圖18所示。上位機(jī)在相機(jī)坐標(biāo)系下將識(shí)別出的果實(shí)中心坐標(biāo)保存為相機(jī)坐標(biāo)系下的空間位置坐標(biāo),上位機(jī)將果實(shí)坐標(biāo)從相機(jī)坐標(biāo)系下向機(jī)械臂基坐標(biāo)系下進(jìn)行轉(zhuǎn)換。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換完成后,通過對采摘機(jī)械臂進(jìn)行路徑規(guī)劃和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解,采用串口向CAN卡發(fā)送3個(gè)電機(jī)的目標(biāo)角度,3個(gè)電機(jī)在一個(gè)通訊周期內(nèi)與下位機(jī)進(jìn)行接收目標(biāo)位置和反饋當(dāng)前的位置進(jìn)行循環(huán)通訊。通過PID算法準(zhǔn)確快速地到達(dá)目標(biāo)位置,上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送采摘指令,末端執(zhí)行器開始抓取果實(shí)。末端執(zhí)行器執(zhí)行旋轉(zhuǎn)動(dòng)作,將果實(shí)樹枝與果柄脫離,機(jī)械臂通過反饋的當(dāng)前位置生成接近回收點(diǎn)軌跡,將蘋果放置到落果輸送裝置中,進(jìn)行裝箱處理。當(dāng)視覺范圍內(nèi)的蘋果采摘完畢后,機(jī)械臂回到初始位置,底盤小車向下一個(gè)采摘區(qū)域移動(dòng),循環(huán)重復(fù)以上操作,直至指定區(qū)域內(nèi)的成熟蘋果采摘完畢。實(shí)驗(yàn)室機(jī)械臂測試如圖19所示。

圖18 采摘機(jī)械臂控制流程圖

圖19 實(shí)驗(yàn)室測試圖

完善搭建控制系統(tǒng),集成優(yōu)化蘋果采摘整機(jī)系統(tǒng),對蘋果采摘進(jìn)行現(xiàn)場果園試驗(yàn),試驗(yàn)場景如圖20所示。

圖20 采摘機(jī)械臂現(xiàn)場作業(yè)圖

試驗(yàn)結(jié)果顯示輕量化后的三自由度蘋果采摘機(jī)械臂在蘋果采摘過程不同姿態(tài)時(shí)與仿真計(jì)算時(shí)3個(gè)電機(jī)角速度、角加速度一致,機(jī)械臂實(shí)際試驗(yàn)路徑對比仿真路徑的單程時(shí),大臂、小臂力矩曲線圖如 圖21 所示,試驗(yàn)記錄在腰部旋轉(zhuǎn)、大臂、小臂3個(gè)電機(jī)所受到的最大扭矩分別為53、92、63 N·m,與通過ADAMS仿真與動(dòng)力學(xué)建模分別進(jìn)行計(jì)算得到各個(gè)臂所受的最大扭矩結(jié)果相似,對比情況如表5所示,進(jìn)一步證明理論計(jì)算的正確性,也為動(dòng)力學(xué)理論模型對輕量化的理論計(jì)算提供了有力的依據(jù)。

圖21 機(jī)械臂實(shí)際力矩曲線

表5 動(dòng)力學(xué)理論建模與實(shí)測最大扭矩對比

5 結(jié)論

(1)根據(jù)非結(jié)構(gòu)化的作業(yè)環(huán)境,研制一款三自由度蘋果采摘機(jī)器人,利用平行四邊形結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)末端始終保持水平向下,機(jī)械臂大臂長度為500 mm,小臂長度為500 mm,工作空間符合實(shí)際蘋果采收要求。

(2)分析3種輕量化設(shè)計(jì)方案,對照初始機(jī)械臂方案,選定骨棒型結(jié)構(gòu)作為最優(yōu)輕量化優(yōu)化結(jié)果,輕量化使整機(jī)質(zhì)量減輕1.8 kg,降低32.14%,大、小臂驅(qū)動(dòng)力矩分別減小21、15 N·m,均降低約20%,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂輕量化設(shè)計(jì)。

(3)根據(jù)輕量化優(yōu)化結(jié)果,進(jìn)行三自由度蘋果采摘機(jī)械臂物理樣機(jī)搭建與試驗(yàn),試驗(yàn)得到大、小臂最大驅(qū)動(dòng)力矩為92、63 N·m,基本符合仿真結(jié)果,驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)模型的正確性。