鄭華棟，許武威，王才東，王新杰

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450000）

1 引言

近年來，隨著我國林業(yè)的快速發(fā)展，我國的森林覆蓋率已經(jīng)從上世紀(jì)的12.7%增加到2020年的22.96%，其中，森林面積數(shù)值已經(jīng)超過了2.2億公頃［1］。樹木是環(huán)?？稍偕馁Y源，木材又是人類生存發(fā)展的必備物資，因此，伐木也是人們物質(zhì)來源的方式之一。但是，在一些特殊環(huán)境下，伐木對人類來說一直面臨著很大的挑戰(zhàn)。近現(xiàn)代以來，人類的伐木的工具在不斷完善，從斧頭到液壓剪，從手鋸到油鋸再到伐木機(jī)。目前一些伐木聯(lián)合機(jī)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)集高效率、自動化、節(jié)能化為一體［2-3］。但是在一些大型機(jī)械無法到達(dá)的山區(qū)，人工伐木的方式仍然不可替代，于是手鋸、油鋸仍然還在普遍使用。為了采伐到優(yōu)質(zhì)的木材，伐木人員往往要去一些大型伐木機(jī)無法到達(dá)的地方，如陡峭的山坡、河谷等危險(xiǎn)不易于伐木作業(yè)的地方，這就增加了伐木作業(yè)的危險(xiǎn)性，容易造成更多的人員傷亡［4］。伐木工在中國、日本、俄羅斯等國家均被列入高度危險(xiǎn)的行業(yè)之一，為了提高伐木效率和降低伐木過程中人員的傷亡率，尋找一種既能夠保護(hù)伐木人員安全也能保證伐木機(jī)械安全的方案是十分必要的。

隨著制造業(yè)和智能化技術(shù)的發(fā)展［5］，機(jī)器人因具有較高的自動化程度而被廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域［6］。2015年5月19日，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造2025》規(guī)劃中明確指出，機(jī)器人成為重點(diǎn)領(lǐng)域之一，可以預(yù)見，機(jī)器人在接下來的發(fā)展中已經(jīng)進(jìn)入了黃金時(shí)期［7］。而作為高危險(xiǎn)產(chǎn)業(yè)的林業(yè)，相對應(yīng)的伐木機(jī)器人也在快速的發(fā)展。文獻(xiàn)［8］研制出的步進(jìn)式采伐聯(lián)合機(jī)，六條腿在保證平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)也克服了原履帶式、輪式底盤通過、越障、爬坡等能力的先天瓶頸。文獻(xiàn)［9］研制的配有整機(jī)程控系統(tǒng)輪式伐木聯(lián)合機(jī)，操作人員能選擇相配的應(yīng)用程序、地形和容量，根據(jù)地面情況全自動調(diào)整運(yùn)行速度，準(zhǔn)確控制和監(jiān)控整機(jī)的運(yùn)行，實(shí)時(shí)反饋工作情況。文獻(xiàn)［10］的Ergo輪式伐木聯(lián)合機(jī)，采用了前軸懸浮系統(tǒng)，可以保持駕駛室始終與不平坦的地面相垂直，由于重心較低，排除了搖擺對操作人員所造成的不適。文獻(xiàn)［11］提出了一種基于林業(yè)運(yùn)輸起重機(jī)基座關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的半自動化方案，并設(shè)計(jì)了一種實(shí)用的反饋控制器結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)林機(jī)自動化提供了保障。文獻(xiàn)［12］開發(fā)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺，用于實(shí)時(shí)測試控制系統(tǒng)和運(yùn)動規(guī)劃算法，以引進(jìn)自動化動作，使操作者的工作更容易。文獻(xiàn)［13］采用移動機(jī)器人的方法來獲得伐木機(jī)的艙室和伐木機(jī)頭部的高精度位置信息，使伐木機(jī)更智能化，拓寬了伐木機(jī)的應(yīng)用方式。綜上可知，當(dāng)前伐木機(jī)的發(fā)展主要側(cè)重于在地勢寬闊平坦的作業(yè)區(qū)能夠發(fā)揮較高的效率，但對于一些采伐環(huán)境惡劣的林區(qū)卻不能發(fā)揮作用，同時(shí)，當(dāng)前伐木機(jī)械都是大體型重型機(jī)械，進(jìn)入地形復(fù)雜的工作區(qū)域開展伐木工作比較困難。針對這些問題，提出了一種新的伐木方案，設(shè)計(jì)了一種能在惡劣環(huán)境下使用的新型便攜式的伐木機(jī)器人。

2 伐木方案設(shè)計(jì)

以伐木安全性及實(shí)用性為導(dǎo)向，設(shè)計(jì)一種機(jī)械與化學(xué)相結(jié)合的新型伐木方案，在伐木機(jī)器人機(jī)構(gòu)上裝有可以在樹木上鉆孔的機(jī)器人夾具，伐木時(shí)，使夾具夾抱待伐樹木，開始對樹木均勻鉆孔，當(dāng)鉆孔完成后，在孔中注入化學(xué)膨脹劑，該化學(xué)試劑可以延長樹木倒下的時(shí)間，能夠給伐木工人留下足夠的安全撤離時(shí)間，工人完成撤離，伐木過程完成。伐木機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)要有如下三個(gè)基本要求：（1）便于人工攜帶到作業(yè)區(qū)域；（2）對不同直徑的樹木具有一定的適應(yīng)能力；（3）伐木過程中保證人和設(shè)備的安全。

3 伐木機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 伐木機(jī)構(gòu)選擇

研究對象為直徑范圍在（180～250）mm、高度為（8～10）m的原木。以提高伐木機(jī)器人伐木效率及性能為基礎(chǔ)，著重研究如何盡可能保證伐木作業(yè)的安全問題。目前，伐木設(shè)備按照機(jī)構(gòu)運(yùn)動原理可以分為以下幾種。各種伐木機(jī)構(gòu)及優(yōu)缺點(diǎn)對比，如表1所示。鉆孔加工在木材加工生產(chǎn)設(shè)備中占有較高的比例，其有生產(chǎn)成本低、操作簡單、刀具更換方便等特點(diǎn)。因此，基于鉆孔式伐木機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)伐木機(jī)器人。

表1 伐木機(jī)構(gòu)種類Tab.1 Types of Logging Institutions

3.2 伐木機(jī)器人工作方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的伐木機(jī)器人可由兩到三個(gè)伐木人員攜帶到伐木作業(yè)區(qū)域。工作時(shí)，伐木人員把整機(jī)放到需要鉆孔的原木位置，操作夾抱系統(tǒng)通過抱爪和外框架抱緊樹木使整機(jī)固定在樹木上。鉆孔平臺安裝在一個(gè)內(nèi)框架上，通過電機(jī)帶動絲杠使其在導(dǎo)軌上移動，定位到鉆孔位置。當(dāng)鉆頭移動到鉆孔位置后，電機(jī)絲杠帶動整個(gè)內(nèi)框架沿鉆孔方向進(jìn)給，待到鉆孔深度余量剩余（5～10）mm時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動整個(gè)內(nèi)框架返回初始位置，伐木機(jī)器人伐木流程圖，如圖1所示。

圖1 伐木機(jī)伐木流程圖Fig.1 Flowchart of Cutting Machine

3.3 伐木機(jī)器人鉆孔參數(shù)的設(shè)定

生長在山體上的樹木與山體夾角不是垂直的，這里以切斷面與水平面成45°為參數(shù)。為了保證樹木在鉆孔過程中不會倒下造成人員傷亡，但在注入化學(xué)膨脹劑后易于被膨脹劑撐開斷面倒下，設(shè)定相鄰孔邊距為15mm，上孔邊到樹邊距為15mm，下孔邊到樹邊距為30mm。鉆孔位置示意圖，如圖2所示。

圖2 鉆孔位置示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Borehole Location

3.4 主要機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

伐木機(jī)器人的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)包括五個(gè)部分：外框架、內(nèi)框架、鉆孔移動平臺、鉆孔系統(tǒng)、夾抱系統(tǒng)。伐木機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型，如圖3所示。伐木機(jī)器人工程圖，如圖4所示。首先，伐木機(jī)器人轉(zhuǎn)動夾抱系統(tǒng)上的絲杠帶動抱爪夾緊樹木；鉆孔系統(tǒng)在鉆孔平臺上移動到需要鉆孔的位置。孔完成后進(jìn)給電機(jī)反轉(zhuǎn)帶動鉆孔平臺回到初始位置，完成一個(gè)鉆孔動作。然后，鉆孔平臺移動到下一個(gè)鉆孔位置，重復(fù)上述過程直到完成所有鉆孔工作；最后，伐木機(jī)器人張開抱爪，整個(gè)機(jī)構(gòu)脫離樹木。

圖3 伐木機(jī)器人結(jié)構(gòu)三維模型Fig.3 Three-Dimensional Structure Model of Logging Robot

圖4 伐木機(jī)器人工程圖Fig.4 Engineering Drawing of Logging Robot

圖5 導(dǎo)軌長度示意圖Fig.5 Schematic Diagram of Guide Length

4 伐木機(jī)器人傳動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

4.1 傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于滾珠直線導(dǎo)軌擁有精確高、摩擦小、適應(yīng)高速度等特點(diǎn)，為了實(shí)現(xiàn)鉆孔位置的精確定位，所以伐木機(jī)器人的傳動采用滾珠直線導(dǎo)軌方式。以電機(jī)為動力源，通過絲杠帶動鉆孔平臺沿著平行于導(dǎo)軌的方向移動到達(dá)鉆孔位置。導(dǎo)軌主要是用來導(dǎo)向和承受進(jìn)給壓力，平行于內(nèi)框架安裝，載荷運(yùn)動速度較低，其長度與樹木的直徑有直接關(guān)系，導(dǎo)軌長度Lj：

式中：L—導(dǎo)軌滑塊長度；Smax—導(dǎo)軌滑塊最大行程。

滾珠的數(shù)量Zb為：

式中：F—導(dǎo)軌承受載荷；d—滾珠直徑。

滾珠絲杠選用右旋絲杠，支承方式為雙推-簡支式，其導(dǎo)程Ph為：

式中：Vmax—最大運(yùn)動速度；nmax—電機(jī)最高轉(zhuǎn)速；i—傳動比。

4.2 伐木機(jī)器人動力源的選擇

伺服交流電動機(jī)具有速度控制特性良好，在整個(gè)速度區(qū)內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑控制，幾乎無振蕩，輸出功率高，發(fā)熱少，高速控制性能好，額定運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)恒力矩，轉(zhuǎn)子慣量小，低噪音，無電刷磨損，不需要維護(hù)。因此，采用伺服交流電動機(jī)作為動力源。

轉(zhuǎn)動慣量J1為：

式中：m—絲杠體質(zhì)量；r—材料比重。

外部負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量JL為：

式中：m—工作臺質(zhì)量；Ph—絲杠導(dǎo)程。

加在電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量J為：

式中：JM—選用電機(jī)已知的電機(jī)慣量。

負(fù)載產(chǎn)生的摩擦阻力矩Tp為：

式中：Ph—滾珠絲杠的導(dǎo)程；η—未預(yù)緊的滾珠絲桿副的效率（2級精度η為0.9）；F—外加軸向載荷，含導(dǎo)軌摩擦力，其中，含切削力為0。

滾珠絲桿副間的預(yù)緊力Fp為：

式中：Fmax—最大軸向載荷。

預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦阻力矩TD為：

鉆孔工作臺移動速度從0升到勻速v，需要的時(shí)間t為：

式中：v—鉆孔平臺運(yùn)動速度；a—電機(jī)的最大加速度。

加速產(chǎn)生的負(fù)載扭矩Tj為：

21世紀(jì)以來，隨著中國綜合實(shí)力的增長，中美兩國是否會陷入“修昔底德陷阱”逐漸成為社會各界廣泛關(guān)注和討論的話題。不過“修昔底德陷阱”是否適用于分析中美關(guān)系也存在很大的爭論。對此的探討既需要回到修昔底德本人所描述的伯羅奔尼撒戰(zhàn)爭年代，也需要將當(dāng)前的中美關(guān)系與其進(jìn)行比較。簡單的歷史類比大多是歷史隱喻，而探析“修昔底德陷阱”對當(dāng)前中美關(guān)系的影響更要關(guān)注“修昔底德陷阱”所折射的國際沖突的原因，從而回歸到嚴(yán)肅的學(xué)術(shù)探討中。相對而言，目前對該問題的研究大多是從體系層次論斷“修昔底德陷阱”可能造成的結(jié)構(gòu)性沖突，這實(shí)際上是對“修昔底德陷阱”的片面解讀。

式中：J—加在電機(jī)上的總轉(zhuǎn)動慣量；

n2—電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

最終，將上面得到的各力矩相加，得出總扭矩Tm=19.608N·m。電機(jī)選型中要引入安全系數(shù)，一般應(yīng)用環(huán)境選取安全系數(shù)S=2。則電機(jī)額定扭矩T額定≥S·Tm。同時(shí)還要滿足a≤b（a為負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與電機(jī)慣量之間的比值，b為推薦值）。所以，綜合考慮后，選電機(jī)額定扭矩為57.3N·m。由以上數(shù)據(jù)，整理選型鉆孔電機(jī)參數(shù)表，如表2所示。

表2 鉆孔電機(jī)參數(shù)表Tab.2 Drilling Motor Parameters Table

5 伐木機(jī)器人運(yùn)動仿真分析

5.1 伐木機(jī)器人靜力分析

伐木機(jī)器人的整機(jī)車架在工作中為各個(gè)機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)提供固定和支撐，是在整個(gè)機(jī)械正常工作中載荷的承受者。假如整機(jī)車架的剛度以及靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)不合理，那么就會使得機(jī)身出現(xiàn)變形，變形后就會導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)磨損。為了避免磨損情況的出現(xiàn)，因此需要對整機(jī)車架進(jìn)行仿真分析，使其符合設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

首先，利用Solidworks 對伐木機(jī)器人進(jìn)行建模，然后以整機(jī)正常工作的情況設(shè)定參數(shù)，運(yùn)用Solidworks Simulation 對整機(jī)進(jìn)行有限元模型分析，材料選用鋁合金。鉆孔平臺的移動由絲杠帶動，經(jīng)過分析其在各個(gè)工作位置的情況后可知，當(dāng)鉆孔平臺移動到絲杠長度一半的位置時(shí)絲杠受力變形最大。假設(shè)固定鉆孔平臺在此位置不動，通過給進(jìn)給絲杠施加合適的扭矩模擬鉆孔時(shí)的工況分析機(jī)架的變形、應(yīng)力、應(yīng)變結(jié)果。

由圖6～圖8可知，當(dāng)整機(jī)車架處于受靜力載荷的影響下，由于模型幾何形狀有突變以及進(jìn)給力的作用較大，會在進(jìn)給絲杠和內(nèi)框架連接部位產(chǎn)生最大形變，最大形變值為3.197mm。把原有的圖解結(jié)果之中的顯示比例調(diào)整成具體的變形狀況，即放大系數(shù)為1時(shí)，整機(jī)車架的變形不被影響。對應(yīng)變云圖分析，發(fā)現(xiàn)最大應(yīng)變量數(shù)值為（2.151×10-4）小于鋁合金的許用應(yīng)變（2.95×10-2）mm。對應(yīng)力云圖分析，最大的應(yīng)力值為45.91MPa，小于鋁合金的最大屈服極限90MPa。因此，整個(gè)機(jī)架承載伐木機(jī)所有零件的強(qiáng)度以及剛度都處于良好的狀態(tài)，并且滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖6 變形圖Fig.6 Deformation Diagram

圖7 應(yīng)力云圖Fig.7 Stress Cloud Diagram

圖8 應(yīng)變云圖Fig.8 Strain Cloud Diagram

5.2 伐木機(jī)器人鉆孔過程的應(yīng)力分析

在伐木時(shí)，伐木機(jī)器人主要工作過程是主切削機(jī)構(gòu)鉆頭對原木鉆孔，因此，對此過程進(jìn)行仿真分析。通過分析比較鉆孔原木樹干的過程可知，其屬于高速碰撞中典型的侵徹問題。伐木對象樹干高度為（6～8）m，直徑的取值為（300～500）mm。由于樹木直徑較小、樹冠部分生長相對欠發(fā)達(dá)以及隨著樹干高度的增加樹干直徑呈減小的趨勢。由前文所述，仿真中考慮原木直徑的取值范圍在（300～500）mm之間等圓柱面的圓柱狀直桿。在本次仿真中選用樹干高度取值6m，直徑400mm的原木，并忽略樹冠部分。

將伐木機(jī)器人模型導(dǎo)入Solidworks軟件的運(yùn)動仿真模塊Motion中，對鉆孔過程進(jìn)行分析，首先，抱爪對樹木進(jìn)行夾抱動作，然后鉆孔平臺移動到鉆孔位置，鉆頭轉(zhuǎn)動開始鉆孔，在29.193s時(shí)刻鉆頭與樹木開始接觸，進(jìn)給電機(jī)開始推動鉆頭向前進(jìn)給。在36s左右達(dá)到峰值為842N。在（36～45）s 時(shí)間范圍內(nèi)慣性逐漸被克服，隨著鉆孔的深入，原木與鉆頭接觸力逐漸平穩(wěn)。接觸力變化曲線，如圖9 所示。通過Motion 對鉆孔過程進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真分析，由分析結(jié)果可知，鉆頭在鉆孔過程中最大接觸應(yīng)力出現(xiàn)在鉆頭與樹體接觸后的（5～10）s內(nèi)，最大為842N，在隨后的鉆孔過程中逐漸平穩(wěn)直到鉆孔結(jié)束。

圖9 接觸力變化曲線Fig.9 Change Curve of Contact Force

6 結(jié)論

主要設(shè)計(jì)了一種適用于不易于伐木作業(yè)的復(fù)雜地形的便攜式伐木機(jī)器人，提出一種新的鉆孔與化學(xué)試劑相結(jié)合的伐木方案，建立了伐木機(jī)器人的三維模型，再以有限元理論為基礎(chǔ)，利用Solidworks軟件，根據(jù)工況條件，通過建立仿真環(huán)境，設(shè)定進(jìn)給速度和電機(jī)轉(zhuǎn)速，綜合分析了伐木機(jī)器人的核心零部件的應(yīng)力應(yīng)變情況，并對伐木過程進(jìn)行了動態(tài)仿真。結(jié)論如下：（1）在伐木方法上提出了一種新型的組合方式，鉆孔與化學(xué)試劑相結(jié)合，控制伐木的倒向，極大的提高了伐木作業(yè)安全性。（2）設(shè)計(jì)了一種新型便攜式的伐木機(jī)構(gòu)，研究了移動鉆孔機(jī)構(gòu)，校核了其關(guān)鍵性的技術(shù)參數(shù)，同時(shí)對符合于系統(tǒng)的電機(jī)系統(tǒng)器件進(jìn)行了選定。（3）通過Solidworks Simulation平臺模態(tài)以及強(qiáng)度分析模塊，對于核心零部件的穩(wěn)定性還有剛度以及強(qiáng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，整個(gè)機(jī)架承載伐木機(jī)所有零件的強(qiáng)度以及剛度都處于良好的狀態(tài)，伐木機(jī)可以平穩(wěn)的工作，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。（4）對伐木機(jī)器人工作時(shí)整個(gè)鉆孔過程進(jìn)行了運(yùn)動仿真，在給定的條件下仿真過程完成狀態(tài)很好，符合工況需求。