智能樹木修剪機的設計與仿真研究

王 鵬，萬志遠，李 鋒

（山東華宇工學院 機械工程學院，山東 德州 253034）

引言

隨著現(xiàn)代社會的不斷進步，人工林種植與市政綠化程度越來越高，人們對于修剪的平整度、造型及修剪效率等要求也不斷提高。傳統(tǒng)的樹木修剪方式安全隱患大、重復性高。隨著視覺、傳感、機電一體化、人工智能與物聯(lián)網(wǎng)等技術的發(fā)展，智能樹木修剪機不僅在很大程度上提高了修剪樹木的勞動效率，而且修剪質量大大提高[1]。

1 智能樹木修剪機結構設計

智能樹木修剪機是一種可以根據(jù)實際情況進行實時轉換液壓剪和電鋸的智能修剪裝置，通過人工遙控修剪樹木枝干，具有低風險、高效率、智能化程度高等優(yōu)點。

1.1 智能樹木修剪機簡介

智能樹木修剪機從設計結構來說，主要分為汽車底盤、搭載設備和多自由度機械臂幾個部分，如圖1所示：

圖1 智能樹木修剪機總體結構

智能樹木修剪機可以分為：動力系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，智能樹木修剪機在修剪作業(yè)時的性能與其機構的優(yōu)良關系很大，在作業(yè)時智能修剪機的各個系統(tǒng)是作為一個整體來完成修剪任務的。

智能樹木修剪機是依靠動力系統(tǒng)來向機構傳遞動力的，它對修剪作業(yè)的效率起著關鍵性的作用，智能樹木修剪機的工作環(huán)境比較復雜，機械臂作業(yè)頻率高，載荷也經(jīng)常發(fā)生變化，因此動力系統(tǒng)地設計尤為重要。智能樹木修剪機的機械系統(tǒng)包括了汽車底盤和機械臂等，智能樹木修剪機的修剪作業(yè)完成主要依靠機械系統(tǒng)完成?？刂葡到y(tǒng)主要是對發(fā)動機、攝像頭、機械臂等進行控制的系統(tǒng)。

1.2 智能樹木修剪機建模

多自由度多功能機械臂的結構是比較復雜的，在建立三維模型時，必須進行簡化，多自由度機械臂是一個十分復雜的機械結構，為了提高建模效率與模型的裝配精度，根據(jù)每個零件的特點分類進行建模。機械臂的建模如圖2所示：

圖2 多自由度機械臂模型

根據(jù)設計要求，在Solidworks中采取基本建模方法形成基本的特征實體，在建模過程中使用了有底向上的設計方法，對于每一個零件都能夠清晰掌控，還可以隨時對裝配體中的零件進行修改。智能樹木修剪機車身的建模如圖3所示，是車身的裝配模型，建模過程不做詳述。

圖3 智能樹木修剪機車身模型

2 智能樹木修剪機運動仿真

虛擬樣機的建立采用Solidworks軟件與ADAMS仿真軟件相結合的方法，使用Solidworks軟件建模，然后再導入到ADAMS軟件中進行適當?shù)匦薷腫2]。

在Solidworks中繪制完成之后，保存為Parasolid格式，然后導入到ADAMS中；使用 Parasolid 格式進行Solidworks和 ADAMS 文件的數(shù)據(jù)轉換可以較好的避免數(shù)據(jù)在 STEP和 IGES等文件轉換數(shù)據(jù)時產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失問題。同時使用Parasolid中間數(shù)據(jù)格式能夠最大程度保留原模型的幾何要素和零部件的信息，甚至可以在Solidworks里先添加一些簡單的約束，再通過專用運動模塊接口導入ADAMS中，這樣就可以有效地將建模和分析鏈接在一起，最大程度的避免在ADAMS中復雜的建模過程，盡可能使得數(shù)學模型與物理樣機水平相接近，提高分析計算的準確性。在ADAMS中對各個構件添加約束，即定義運動副、添加驅動、施加載荷，得出仿真模型[3]，為后面的計算求解和結果后處理中做好準備。

設置ADAMS工作環(huán)境：

（1）設置坐標系，選擇笛卡爾坐標系。

（2）設置單位，選擇MMKS即毫米（mm）、千克（㎏）、秒（s）、牛頓（N）、度（deg）單位制。

（3）添加重力和方向，設置g為9 806.65 mm/s2，方向為（-Z）。

根據(jù)實際情況，在不影響仿真分析效果的情況下對機械臂[4]模型進行簡化使建模簡單方便，建模完成后，利用Solid-works軟件[5]的裝配功能，完成機構的裝配，然后將該模型導出為Parasolid文件，導入ADAMS仿真軟件中，并根據(jù)智能樹木修剪機的實際約束情況，添加約束、驅動和載荷，在底座與大地之間采用固定副連接，并且每添加一個約束都要進行仿真，觀察是否與理論模擬相符合，這樣出現(xiàn)問題就能夠及時發(fā)現(xiàn)，以保證最后仿真模型的準確度，提高效率。

在處理過程完成后，建立的模型就可以進行仿真操作，最后建立的虛擬樣機如圖4所示。

圖4 機械臂虛擬樣機模型

在仿真過程中，獲得智能樹木修剪機的運動過程，不斷進行調(diào)整優(yōu)化，縱觀整個仿真過程，運動過程平滑順暢，各個構件沒有發(fā)生死點和干涉現(xiàn)象。具體作業(yè)仿真模擬過程如圖5所示：

圖5 具體作業(yè)運動過程

3 結論

本文完成了智能樹木修剪機的設計改進與仿真研究，本智能樹木修剪機采用Solidworks建成模型，并將其導入仿真軟件ADAMS中，基于運動學對智能樹木修剪機進行仿真模擬分析，驗證該裝置沒有干涉和死點位置，并能夠完成預期的運動，具體仿真過程均符合預期要求，該智能樹木修剪機滿足作業(yè)要求。