一种五自由度修剪机器人结构设计与分析.pdf

第3期桂林等 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析1 9 1 D O I 1 0 1 3 7 3 3 j j c a m i s s n 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 2 7 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析 桂林1 古劲1 张宾1 李传军2 陈度1 张亚伟1 1 中国农业大学工学院 北京市 1 0 0 0 8 3 2 天津中德应用技术大学机械工程学院 天津市 3 0 0 3 5 0 摘要 为满足多样化景观绿篱修剪造型对修剪机器人工作空间 结构刚度和强度的需求 设计一种用于园林绿植的五自由 度修剪机器人结构 首先采用D H法对机器人进行建模与运动学分析 利用蒙特卡洛法得到机器人的工作空间 然后 以球形绿篱为修剪目标 基于机器人有效空间体积比和速度全域性能指标 确定机器人臂架结构主要杆件的尺寸 最后对 臂架结构进行有限元静力学和振动模态仿真分析 仿真结果表明 当大臂尺寸为8 0 0 m m 小臂尺寸为9 0 0 m m 腕臂尺寸 为3 5 0 m m时 该机器人垂直修剪作业范围为0 2 0 0 0 m m 水平修剪作业范围为 1 3 0 0 1 3 0 0 m m 工作空间可满足园 林绿篱的修剪需求 臂架结构的最大等效应力为3 4 2 4 5 M P a 最大变形为1 8 9 7 1 m m 刚度和强度均满足技术指标的要 求 且其固有频率可有效避开外界频率 避免共振现象 本研究为景观绿篱修剪机器人研制提供机械结构设计方法与方 案 具有一定的应用价值 关键词 修剪机器人 运动学分析 有效空间 全域性能指标 有限元分析 中图分类号 T P 2 4 2 文献标识码 A 文章编号 2 0 9 5 5 5 5 3 2 0 2 3 0 3 0 1 9 1 0 8 桂林 古劲 张宾 等 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析 J 中国农机化学报 2 0 2 3 4 4 3 1 9 1 1 9 8 G u i L i n G u J i n Z h a n g B i n e t a l S t r u c t u r a l d e s i g n a n d a n a l y s i s o f a 5 D O F p r u n i n g r o b o t J J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n 2 0 2 3 4 4 3 1 9 1 1 9 8 收稿日期 2 0 2 1年1 1月3日 修回日期 2 0 2 2年3月2 1日 基金项目 烟台市校地融合发展项目 2 0 2 1 X D R H X M P T 2 9 天津市科技计划项目 2 0 Y D T P J C 0 0 9 9 0 第一作者 桂林 男 1 9 9 6年生 湖北襄阳人 硕士研究生 研究方向为农业机器人 E m a i l g u i l i n w o r k 1 6 3 c o m 通讯作者 张亚伟 女 1 9 8 8年生 河北石家庄人 博士 讲师 研究方向为农业装备智能化 E m a i l z y w c a u c a u e d u c n Structuraldesignandanalysisofa5 DOFpruningrobot GuiLin1 GuJin1 ZhangBin1 LiChuanjun2 ChenDu1 ZhangYawei1 1 CollegeofEngineering ChinaAgriculturalUniversity Beijing 1 0 0 0 8 3 China 2 CollegeofMechanicalEngineering TianjinSino GermanUniversityofAppliedSciences Tianjin 3 0 0 3 5 0 China Abstract I n o r d e r t o m e e t t h e n e e d s o f t h e d i v e r s i f i e d l a n d s c a p e h e d g e t r i m m i n g m o d e l f o r t h e w o r k i n g s p a c e s t r u c t u r a l r i g i d i t y a n d s t r e n g t h o f t h e t r i m m i n g r o b o t a f i v e d e g r e e o f f r e e d o m t r i m m i n g r o b o t s t r u c t u r e f o r g a r d e n g r e e n p l a n t s w a s d e s i g n e d F i r s t t h e D H m e t h o d w a s u s e d t o m o d e l a n d k i n e m a t i c s a n a l y s i s o f t h e r o b o t a n d t h e M o n t e C a r l o m e t h o d w a s u s e d t o o b t a i n t h e r o b o t s w o r k i n g s p a c e T h e n w i t h s p h e r i c a l h e d g e s a s t h e p r u n i n g t a r g e t t h e d i m e n s i o n s o f t h e m a i n r o d s o f t h e r o b o t a r m s t r u c t u r e w e r e d e t e r m i n e d b a s e d o n t h e r o b o t s e f f e c t i v e s p a t i a l v o l u m e r a t i o a n d v e l o c i t y f u l l d o m a i n p e r f o r m a n c e i n d e x e s F i n a l l y t h e f i n i t e e l e m e n t s t a t i c a n d v i b r a t i o n m o d a l s i m u l a t i o n s w e r e p e r f o r m e d f o r t h e b o o m s t r u c t u r e T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w e d t h a t w h e n t h e s i z e o f t h e b i g a r m w a s 8 0 0 m m t h e s i z e o f t h e f o r e a r m w a s 9 0 0 m m a n d t h e s i z e o f t h e w r i s t a r m w a s 3 5 0 m m t h e v e r t i c a l t r i m m i n g r a n g e o f t h e r o b o t w a s 0 2 0 0 0 m m a n d t h e h o r i z o n t a l t r i m m i n g r a n g e w a s f r o m 1 3 0 0 m m t o 1 3 0 0 m m a n d t h e w o r k i n g s p a c e c o u l d m e e t t h e d e m a n d o f g a r d e n h e d g e p r u n i n g T h e m a x i m u m e q u i v a l e n t s t r e s s o f t h e b o o m s t r u c t u r e w a s 3 4 2 4 5 M P a a n d t h e m a x i m u m d e f o r m a t i o n w a s 1 8 9 7 1 m m T h e r i g i d i t y a n d s t r e n g t h c a n m e e t t h e r e q u i r e m e n t s o f t e c h n i c a l i n d i c a t o r s a n d i t s n a t u r a l f r e q u e n c y c a n e f f e c t i v e l y a v o i d e x t e r n a l f r e q u e n c i e s a n d a v o i d r e s o n a n c e T h i s r e s e a r c h p r o v i d e s a m e c h a n i c a l s t r u c t u r e d e s i g n m e t h o d a n d s c h e m e f o r t h e d e v e l o p m e n t o f a l a n d s c a p e h e d g e t r i m m i n g r o b o t w h i c h h a s c e r t a i n a p p l i c a t i o n v a l u e Keywords p r u n i n g r o b o t k i n e m a t i c a n a l y s i s e f f e c t i v e s p a c e g l o b a l p e r f o r m a n c e i n d e x f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 第4 4卷 第3期 2 0 2 3年3月 中国农机化学报 J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n V o l 4 4 N o 3 M a r 2 0 2 3 1 9 2 中国农机化学报2 0 2 3年 0 引言 绿篱作为城市园林绿化的重要组成部分 主要起 分隔空间 净化空气以及防护等作用 1 2 绿篱作为季 节性生长植物 需要定期修剪养护 3 4 目前园林修剪 以手工修剪枝杈方式为主 效率低 强度大 质量不稳 定 复杂造型对工人技术要求高 5 因此 一种自动 化 智能化绿植修剪机器人的研制具有重要意义 在绿篱修剪机器人领域 国外的研究较早且处于 领先地位 6 如德国某公司研制的H S 2 0园林树木修 剪机 在机械臂末端装有往复式切割器 修剪半径和最 大修剪高度分别达到2 m和5 9 m 近些年 国内也 有诸多针对实现不同功能的绿篱修剪设备的研究 许 珂等设计一种以扫路车为载体的绿篱修剪机器人 通 过更换不同刀具 满足修剪形状需求 唐果 7 设计一 款用于公路绿篱修剪的机器人 通过控制末端回转式 锯齿圆盘对绿篱进行修剪 王金刚等 8 设计了一种用 于绿篱隔离带的修剪装置 采用双面刀具同时修剪 提 高了修剪效率 对于形状复杂 造型精度要求高的绿 植 由于空间限制 通常根据特殊的形状要求被动地进 行刀具与轨迹仿形设计 9 1 0 此方法不具有普适性 针对当前绿篱修剪设备的不足 为满足修剪末端 执行器姿态灵活性要求 本文设计了一种用于园林绿 植修剪的五自由度机器人 并对机器人结构参数进行 相应的分析与优化 1 园林绿化绿篱园艺特性 城市园林绿化常见的绿篱植物一般由常绿灌木和 小乔木构成 4 一般根据高度不同将绿篱分为矮 中 高三种绿篱 表1列出了常见绿篱的分类及其作用与 适应场所 1 1 园林造型绿篱主要由动物景观造型以 及球形 柱形 方形和锥形等几何造型 1 2 1 3 对修剪姿 态的调整要求较高 绿化带与公园草坪等平面绿篱主 要修剪为面积较大的平面 本文设计的修剪机器人主 要以园林绿化的复杂景观造型 绿化带和园林绿地草 坪为作业对象 表1 绿篱植物的分类 T a b 1 C l a s s i f i c a t i o n o f h e d g e p l a n t s 绿篱分类高度范围 m代表植物主要作用适应场所 高绿篱1 2 1 6冬青 大叶女贞等分隔空间雕像 艺术背景等 中绿篱0 6 1 2小叶女贞 火棘等美化景观 遮挡视线等城市林荫道 街道绿化带等 矮绿篱 0 6黄杨 万年青等固定园地 草坪和花坛的边饰等庭院 草坪 公园等 2 修剪机器人结构设计 2 1 确定技术指标 根据市场调研及相关园林绿化标准 确定所设计 的针对园林绿篱的修剪机器人结构相关技术指标与参 数 如表2所示 表2 修剪机器人主要设计指标 T a b 2 M a i n d e s i g n i n d i c a t o r s o f p r u n i n g r o b o t 参数数值 类型 修剪作业高度区间 m 0 1 6 修剪作业宽度区间 m 0 6 1 2 最大修剪树枝直径 c m 3 自由度5 动力驱动电动 关节驱动方式电动缸 电机 移动平台电动底盘车 其中 为保证修剪复杂造型绿篱时末端姿态的灵 活性 按照位置和姿态的耦合及解耦两种情况分析修 剪机器人的自由度 1 4 被修剪绿篱在修剪机器人两侧时 需要三个自由 度来实现修剪末端的前 后 左 右 上 下移动 实现修 剪刀具移动到指定的空间位置 且需要两个自由度实 现刀具姿态的调整 进而保证刀具与绿篱相切的修剪 技术要求 因此确定本文设计的修剪机器人为五自由 度串联机构 2 2 总体结构方案设计 本文修剪机器人设计方案主要由末端修剪装置 主体臂架结构 移动底盘小车 旋转平台 各关节驱动 构件以及控制系统组成 通过五个旋转关节串联连 接 工作范围大 工作空间灵活 可适应多种复杂形状 造型的绿篱修剪 根据修剪机器人设计的主要技术指 标 设计出三维模型 如图1所示 1 末端修剪装置 修剪刀具一般分为往复式和 回转式等 往复式刀具主要是通过电机驱动动刀片相 对于静刀片进行往复运动来对绿篱进行切割修剪 回 转式刀具由修剪电机直接驱动 刀具的齿数 刀片锋利 程度以及电机转速是影响修剪效果的主要因素 本文 采用的修剪电机电压为4 8 V 功率为6 0 0 W 其转速 可达4 5 0 0 r m i n 与6 0齿 2 5 5 m m直径的回转式合 金刀片组合使用 表3 刀具安装简单 电机动力强 劲 可满足多种绿篱植物的修剪作业动力要求 末端 修剪装置如图2所示 第3期桂林等 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析1 9 3 图1 修剪机器人结构图 F i g 1 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e p r u n i n g r o b o t 1 球型绿篱 2 修剪电机及刀具 3 第五关节转动副 4 腕臂圆筒连接件 5 第四关节转动副 6 大臂电动缸 7 小臂 8 小臂电动缸 9 大臂 1 0 旋转平台 1 1 移动底盘小车 1 2 底部关节转动副 表3 修剪装置参数 T a b 3 P r u n i n g d e v i c e p a r a m e t e r s 参数数值 电机电压 V 4 8 电机功率 W 6 0 0 电机转速 r m i n 1 4 5 0 0 刀片齿数6 0 刀片外径 m m 2 5 5 整体重量 k g 1 8 2 a 修剪电机和刀片 b 修剪装置连接三维图 图2 末端修剪装置 F i g 2 E n d p r u n i n g d e v i c e 2 臂架结构 臂架结构主要包括旋转平台 大 臂 小臂和腕臂圆筒连接件以及各个关节驱动构件 如 图3所示 本文采用伺服电动缸和闭环步进电机作为 机械臂关节角度的驱动装置 其中电动缸与旋转平台 大臂和小臂进行连接 对大臂和小臂进行支撑 减少机 器人末端修剪装置的重量对臂架结构的影响 增加修 剪机器人的整体稳定性 应对修剪过程中的修剪电机 振动的情况 闭环步进电机内置增量式编码器 运动精 度高 可避免开环步进电机丢步现象 提高修剪过程中 的刀具空间位姿的准确性 回转关节转动副的结构设 计采用成对角接触球轴承 通过背对背的安装方式固 定在轴承轴上 来提高轴抗变形能力 以应对回转轴在 对机构进行回转支撑过程中受到的轴向与径向载荷 增强机构的承载能力和刚度 图3 修剪机器人臂架结构样机 F i g 3 P r u n i n g r o b o t a r m s t r u c t u r e p r o t o t y p e 1 旋转平台 2 腕臂 3 小臂 4 大臂 5 驱动电动缸 3 修剪机器人臂架结构运动学分析 3 1 臂架结构的运动学模型 根据D H法则 1 5 建立图4所示的各连杆坐标系 确定D H连杆参数表 如表4所示 表4中 a d 分别表示连杆扭角 连杆长度 连杆偏置和关节转角 图4 修剪机械臂D H连杆坐标系 F i g 4 D H l i n k c o o r d i n a t e s y s t e m o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m 表4 修剪机械臂D H参数表 T a b 4 D H p a r a m e t e r t a b l e o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m 连杆序号i i 1 ai 1 m mdi m m i 1 0 0d1 1 2 9 0a1 0 2 3 0a2 0 3 4 1 8 0a3d4 4 5 9 0 0d5 5 末端p9 0 0dp0 由D H参数和坐标系平移和旋转齐次变换式 1 计算两相邻连杆坐标系的转换关系i 1iT i 1 2 5 1 9 4 中国农机化学报2 0 2 3年 i 1iT Rot x i 1 Trans x ai 1 Rot z i Trans z di c o s i s i n i0ai 1 s i n ic o s i 1 c o s ic o s i 1 s i n i 1 dis i n i 1 s i n is i n i 1 c o s is i n i 1 c o s i 1dic o s i 1 0 0 0 1 1 得到从原点o到末端p点 相邻两连杆坐标系的变换公式 如式 2 所示 o 1T c o s 1 s i n 1 0 0 s i n 1 c o s 1 0 0 0 0 1d1 0 0 0 1 12T c o s 2 s i n 2 0a1 0 0 1 0 s i n 2 c o s 2 0 0 0 0 0 1 23T c o s 3 s i n 3 0a2 s i n 3 c o s 3 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 3 4T c o s 4 s i n 4 0a3 s i n 4 c o s 4 0 0 0 0 1 d4 0 0 0 1 45T c o s 5 s i n 5 0 0 0 0 1 d5 s i n 5 c o s 5 0 0 0 0 0 1 5pT 1 0 0 0 0 0 1 dp 0 1 0 0 0 0 0 1 2 将各连杆齐次变换矩阵相乘 得末端执行器p点 相对于基坐标的位姿矩阵 p oT 1 oT 2 1T 3 2T 4 3T 5 4T p 5T nxoxaxpx nyoyaypy nzozazpz 0 0 0 1 3 3 2 机器人臂架工作空间分析 根据机械结构特点 机器人臂架结构运动方式以 及修剪对象的相应技术指标参数 确定臂架结构尺寸 参数和关节运动范围 根据旋转平台确定 a1 2 4 5 m m 旋转平台距地 面的高度即小车移动平台高度d1 6 0 0 m m 末端旋转 电机安装在腕臂侧边偏移距离d4 6 5 m m 由修剪电 机安装位置决定 dp 8 0 m m 臂架结构尺寸直接影响机器人的工作空间及修剪 效果 为满足机构修剪作业高度与宽度等设计技术指 标要求 综合考虑机械臂运动性能 设定取值范围a2 7 0 0 1 0 0 0 m m a3 9 0 0 1 2 0 0 m m d5 3 0 0 5 0 0 m m 关节运动范围的确定 旋转平台转角 1 根据修 剪范围的要求与移动底盘的限制 1的范围为 1 5 0 1 5 0 2与 3分别由其对应驱动的电动缸行 程决定 关节变化范围分别为 7 7 1 1 6 和 8 0 1 3 0 为保证修剪刀具不与小臂碰撞 限制 4范围为 3 0 2 1 0 5无限制 范围为 1 8 0 1 8 0 本文选择蒙特卡洛法 1 6 求解机械臂的工作空间 再通过M A T L A B仿真 生成机械臂末端执行器的工 作空间点云图如图5所示 a 工作空间三维图 b 空间y z平面投影图 c 空间x z平面投影图 d 空间x y平面投影图 图5 机械臂工作空间 F i g 5 R o b o t i c a r m w o r k s p a c e 1 通过正运动学分析 求解末端执行器相对于基 坐标系的位姿 2 利用随机函数r a n d函数 对各个关节范围随机 取值 i im i n im a x im i n rand N 1 i 1 2 5 4 3 将步骤2中的 i带入机器人正解表达式 求得 末端执行器的位置坐标 4 设置随机数N 编写算法程序 绘制N个状态 下末端执行器的位置点 组合成工作空间点云图 第3期桂林等 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析1 9 5 由蒙特卡洛法求解步骤可以看出 影响机械臂工 作空间的因素有 机械臂尺寸参数即正运动学方程 关 节运动范围和随机数N值的大小 N值越大 越能反 应机械臂工作空间的准确性 本文取N 1 0 0 0 0 由图5可以看出 修剪机器人的工作空间关于 x z平面对称 近似于带有空腔的球体 可以看成在 y z平面的截面绕旋转平台旋转 1组成 将 1限制在 0 通过M A T L A B仿真得到工作空间在x z平面上 的截面投影图如图6所示 图6 工作空间在x z平面上的投影 F i g 6 S p a c e p r o j e c t i o n o n t h ex zp l a n e 4 机器人臂架结构尺寸分析 4 1 速度全域性能指标 机器人运动学性能直接影响其运动效果 采用基 于工作空间的全局性能指标 1 7 作为评价机器人运动 学性能依据 对机械臂结构参数进行分析 使机器人获 得更好的工作性能 J W 1 KJ dW WdW 5 式中 J 机械臂的全域性能度量指标 W 机械臂的可达工作空间 KJ J a c o b i a n矩阵的条件数 机器人臂架结构待定的机构尺寸主要有大臂a2 小臂a3和腕臂d5 利用式 5 计算大臂小臂以1 0 0 m m 为步长 腕臂以5 0 m m为步长改变机构参数值而得到 的8 0个不同尺寸下机构的速度全域性能指标值 然 后两两组合分成三组 根据每组的性能指标 J值 绘制 其全域性能图谱 如图7所示 由图8可以看出 在给定范围内全域性能指标与 大臂尺寸a2成正比 与小臂a3和腕臂d5成反比 当 a2 8 5 0 1 0 0 0 m m a3 9 0 0 1 0 5 0 m m d5 3 0 0 4 4 0 m m时 修剪机器人机构 J值较大 在工作空间内 运动的速度输出误差较小 为修剪机器人尺寸参数的 优化设计与选择提供了理论依据 a 大臂 腕臂速度全域性能图谱 b 小臂 腕臂速度全域性能图谱 c 大臂 小臂速度全域性能图谱 图7 速度全域性能图谱 F i g 7 S p e e d g l o b a l p e r f o r m a n c e m a p 4 2 有效工作空间指标 机械臂的可达工作空间为末端执行器能够达到的所 有空间点的集合 但在机械臂实际修剪工作中 需要末端 执行器与绿植相切的姿态进行修剪 使末端执行器以工 作要求的姿态到达所有点的集合称为有效工作空间 本文以球形绿篱为例 分析机械臂的有效工作空 间 并以有效工作空间体积比相对最大为目标 优化机 器人臂架结构尺寸选择范围 通过简化分析有效工作 空间球在x z平面上的有效圆投影 由图6设圆心坐 标为M x y z 即 M x y z X z m i n x z m a x 2 d4 zm a x zm i n 2 6 1 9 6 中国农机化学报2 0 2 3年 式中 xzm i n xzm a x 在圆心高度为z时工作空间x方 向上的最小值与最大值 zm a x zm i n 工作空间在x z平面上的最大值 与最小值 通过M A T L A B编程 求取最大有效空间球 如图 8所示 a 三维空间图 b x z平面投影图 c x y平面投影图 d y z平面投影图 图8 有效空间球投影 F i g 8 P r o j e c t i o n o f t h e e f f e c t i v e s p a c e 以大臂a2和小臂a3为变量 采用点云包络的方法 求取可达工作空间的体积 通过求得最大有效空间球 半径与可达工作空间体积 计算球体积与可达空间的 体积比 绘制大臂和小臂在不同尺寸下对有效工作空 间体积比的影响曲线 如图9所示 图9 大臂 小臂对有效工作空间体积比影响曲线 F i g 9 B i g a r m a n d s m a l l a r m i n f l u e n c e c u r v e o n t h e e f f e c t i v e w o r k i n g s p a c e v o l u m e r a t i o 由图9可知 有效工作空间体积比与小臂a3的变化 成负相关 与大臂a2成正相关 在保证工作空间最高点 和最低点要求的基础上 结合图7对速度运动性能指标 的分析 最终确定机器人臂架结构大臂 小臂 腕臂的尺 寸分别为8 0 0 m m 9 0 0 m m 3 5 0 m m 以此参数对机器 人进行工作空间分析 得到修剪机器人工作空间p点范 围为px 1 3 0 0 1 1 5 0 m m py 1 3 0 0 1 3 0 0 m m pz 0 2 0 0 0 m m 满足修剪范围的设计要求 5 机器人臂架结构的仿真分析 5 1 静力学分析 利用A N S Y S W o r k b e n c h模块对修剪机器人臂架 结构进行静力学分析 对工况载荷下机器人臂架结构 的刚度和强度进行验证 为提高有限元仿真分析计算 效率 先对臂架三维模型结构进行简化处理 臂架结构 采用材料6 0 6 3 T 5 G B 铝型材和Q 3 4 5结构钢 其 材料属性见表5 表5 机器人臂架的材料属性 T a b 5 M a t e r i a l p r o p e r t i e s o f t h e r o b o t a r m 主要 部件材料 弹性模量 G P a泊松比 质量密度 k g m 3 屈服强度 M P a 大臂小 臂腕臂 6 0 6 3 T 5 G B 6 9 0 3 3 2 7 0 0 1 4 5 连接件Q 3 4 5 2 0 6 0 2 8 7 8 5 0 3 4 5 以5 m m为网格单元平均尺寸进行网格划分 共得 到网格单元2 4 4 0 8 6个 节点7 8 7 2 3 3个 修剪机器人 在工作时 臂架结构主要承受自重载荷和外部切割阻力 载荷 其中切割阻力载荷为6 0 0 N 1 8 1 9 在施加载荷与约 束后 得到机器人臂架静力学分析云图 如图1 0所示 a 机器人臂架等效应力云图 b 机器人臂架应变云图 c 机器人臂架总变形云图 图10 机器人臂架静力学分析云图 F i g 1 0 C l o u d d i a g r a m o f s t a t i c s a n a l y s i s o f p r u n i n g r o b o t a r m 第3期桂林等 一种五自由度修剪机器人结构设计与分析1 9 7 由图1 0可知 修剪机器人臂架结构等效应力主要 分布在小臂与腕部电机连接件的接触部分 其最大等 效应力值为3 4 2 4 5 M P a 小于材料的屈服强度 其强 度符合设计要求 修剪机器人工作过程中最大变形为 1 8 9 7 1 m m 主要是臂架结构受自重载荷和修剪阻力 引起的变形 主要表现为修剪刀具末端的位移变形 变 形量在绿篱修剪作业的要求范围内 因此臂架结构的 刚度满足设计要求 5 2 模态分析 利用A N S Y S W o r k b e n c h中的M o d a l模块对修剪机 器人臂架结构振动模态进行仿真分析 确保修剪机器人 的固有频率避开外界的频率 防止共振 模态振型云图 如图1 1所示 前6阶固有频率及振幅数据如表6所示 修剪机器人在工作工程中的振动来源主要为刀盘转动 引起的激振频率6 5 H z以及路面的激振频率3 H z 由图1 1和表6可以看出 臂架结构的一阶固有频 率为1 1 9 5 9 H z 大于路面激振频率 在前六阶模态分 析中 臂架结构的固有频率随着阶数的递增而平稳增 加 且与刀盘转动引起的激振频率不相同 因此不会产 生共振 a 一阶振型图 b 二阶振型图 c 三阶振型图 d 四阶振型图 e 五阶振型图 f 六阶振型图 图11 修剪机器人臂架模态分析云图 F i g 1 1 M o d a l a n a l y s i s c l o u d d i a g r a m o f p r u n i n g r o b o t a r m 表6 修剪机器人臂架结构前六阶模态分析值 T a b 6 F i r s t s i x o r d e r m o d a l a n a l y s i s v a l u e s o f t h e p r u n i n g r o b o t a r m s t r u c t u r e 模态阶数固有频率 H z振幅 m m 1 1 1 9 5 9 7 1 4 7 5 2 1 7 7 9 5 8 0 9 1 6 3 3 0 0 7 2 8 8 5 5 4 4 4 7 4 4 4 8 2 3 2 6 5 7 5 5 9 4 1 0 4 7 6 1 0 2 3 9 7 6 6 4 8 6 结论 1 本文通过市场调研和查阅相关园林绿化标准 根据设定的修剪机器人结构参数与技术指标 提出了 一种五自由度修剪机器人结构设计方案 2 采用有效工作空间比指标 速度全域性能指标 优化设计了五自由度修剪机器人机构尺寸 当大臂 小臂和腕臂的尺寸参数分别为8 0 0 m m 9 0 0 m m和 3 5 0 m m时 其修剪工作空间的高度范围为0 2 0 0 0 m m 水平范围为 1 3 0 0 1 3 0 0 m m 满足园林 绿篱的修剪空间要求 3 机器人臂架结构静力学分析的最大等效应力 值为3 4 2 4 5 M P a 最大变形为1 8 9 7 1 m m 满足修剪 机器人强度和刚度的设计要求 模态分析的一阶固有 频率为1 1 9 5 9 H z 与外界激振频率不相同 可避免共 振现象的发生 通过有限元分析 验证了修剪机器人 结构方案的可靠性和稳定性 为进一步实现自动化修 剪技术奠定了重要基础 1 9 8 中国农机化学报2 0 2 3年 参 考 文 献 1 金玲 论绿篱造型在葫芦岛市城市绿化中的应用 J 江西 农业 2 0 1 6 9 6 3 2 孙秀梅 城市园林绿化工程技术研究 J 种子科技 2 0 2 1 3 9 1 9 5 9 6 3 陆兆蕾 城市园林植物整形修剪与造型分析 J 现代园 艺 2 0 1 7 2 3 1 8 8 4 郭雪连 园林绿化绿篱种植与养护技术探究 J 特种经济 动植物 2 0 2 1 2 4 8 8 4 8 5 5 武文韬 曹有为 冉玥 等 一种基于机器视觉识别的智能 绿篱修剪机设计 J 林业机械与木工设备 2 0 2 0 4 8 1 1 4 4 4 6 W u W e n t a o C a o Y o u w e i R a n Y u e e t a l D e s i g n o f m a c h i n e v i s i o n r e c o g n i t i o n b a s e d s m a r t h e d g e t r i m m e r J F o r e s t r y M a c h i n e r y W o o d w o r k i n g E q u i p m e n t 2 0 2 0 4 8 1 1 4 4 4 6 6 徐文玉 园林绿化机械设备的现状与趋势研究 J 四川水 泥 2 0 1 7 4 1 4 1 7 唐果 高速公路绿篱修剪机器人运动特性研究 D 重庆 重庆交通大学 2 0 1 8 T a n g G u o R e s e a r c h o n k i n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f e x p r e s s w a y h e d g e r o w p r u n i n g r o b o t D C h o n g q i n g C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y 2 0 1 8 8 王金刚 邢洁勤 赵秋俊 双面绿篱修剪装置有限元分析 与优化设计 J 机械设计与制造 2 0 2 1 1 9 1 9 5 W a n g J i n g a n g X i n g J i e q i n Z h a o Q i u j u n F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f d o u b l e s i d e d h e d g e t r i m m e r J M a c h i n e r y D e s i g n M a n u f a c t u r e 2 0 2 1 1 9 1 9 5 9 汪群 一种园艺球面造型裁剪机械装置 P 中国专利 C N 2 0 6 7 7 6 1 4 6 U 2 0 1 7 1 2 2 2 1 0 丁奕筝 组合式园艺修剪刀具 P 中国专利 C N 1 0 8 6 1 7 3 1 6 A 2 0 1 8 1 0 0 9 1 1 张新阳 回转型绿篱修剪机设计及曲面成形关键技术研 究 D 芜湖 安徽工程大学 2 0 2 0 Z h a n g X i n y a n g R e s e a r c h o n t h e d e s i g n a n d k e y t e c h n o l o g y o f t h e r o t a r y h e d g e t r i m m e r D W u h u A n h u i P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y 2 0 2 0 1 2 卓妙銮 绿篱的配植与造景 J 现代园艺 2 0 1 7 6 1 2 0 1 2 1 1 3 肖蕾 吴娟 植物造型艺术在园林景观设计中的应用 J 现代园艺 2 0 1 7 2 2 7 0 1 4 毕树生 于靖军 宗光华 微操作手自由度的选择 J 中 国机械工程 2 0 0 3 4