三自由度苹果采摘机械臂动力学分析与轻量化设计.pdf
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1、2023年7 月第54卷第7 期农业学报机械doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2023.07.009三自由度苹果采摘机械臂动力学分析与轻量化设计赵雄1.2曹功豪张鹏飞3马锂宏赵立军4陈建能1,2(1.浙江理工大学机械与自动控制学院,杭州3 10 0 18;2.浙江省种植装备技术重点实验室,杭州3 10 0 18;3.杭州职业技术学院,杭州3 10 0 18;4.重庆文理学院智能制造工程学院,重庆40 2 16 0)摘要:针对工业机械臂苹果采摘时运动规划复杂、自由度多、控制难等问题,本文研制了一款轻量化结构的三自由度苹果采摘机械臂。首先,针对苹果采摘工作要求完成了机械臂的
2、结构设计与运动学分析。机械臂采用平行四边形结构,通过后置动力源减小整机转动惯量,且臂展长,工作空间大,运动时树枝干扰小,更适用于苹果采摘。其次,采用牛顿-欧拉方程建立动力学模型,完成机械臂苹果采摘仿真,通过动力学模型的理论数据,以减轻机械臂自身质量为优化目标,对臂及其关键部件应力及应变进行分析,计算不同轻量化方案下的应力、应变,从而选取最优的轻量化方案。通过对比轻量化前后机械臂仿真数据,骨棒型轻量化方案驱动力矩峰值分别降低2 1Nm和15Nm,均降低约2 0%,整机质量下降1.8 kg,降低3 2.1%,且轻量化后机械臂保持良好工作能力。根据优化结果,搭建了三自由度苹果采摘机械臂物理样机,通过
3、试验得到大、小臂最大驱动力矩为92、6 3 Nm,基本符合仿真结果,验证了动力学模型的正确性。关键词:苹果;采摘;三自由度机械臂;轻量化设计;动力学模型中图分类号:S225.93;T P3 4文献标识码:A文章编号:10 0 0-12 98(2 0 2 3)0 7-0 0 8 8-11OSID:Dynamic Analysis and Lightweight Design of 3-DOFApple Picking ManipulatorZHAO Xiong1,2CAO GonghaolZHANG Pengfei3MA ZenghongZHAO LijunCHEN Jianneng1,2(1.
4、Faculty of Mechanical Engineering and Automation,Zhejiang Sci-Tech University,Hangzhou 310018,China2.Key Laboratory of Transplanting Equipment and Technology of Zhejiang Province,Hangzhou 310018,China3.Hangzhou Vocational and Technical College,Hangzhou 310018,China4.College of Intelligent and Manufa
5、cturing Engineering,Chongqing University of Arts and Sciences,Chongqing 402160,China)Abstract:Aiming at the problems of complex motion planning,multiple degrees of freedom and difficultcontrol of industrial manipulator apple picking,human hand picking was simulated and a lightweight3-DOF apple picki
6、ng manipulator was developed.Firstly,the structural design and kinematic analysis ofthe manipulator were completed for the requirements of apple picking.The mechanical arm adopted aparallelogram structure,which reduced the rotational inertia of the whole machine through a rear powersource,and had a
7、long arm span,a large working space,and small branch interference duringmovement,which was more suitable for apple picking.Secondly,the Newton-Euler equation was usedto establish the dynamic model,and the apple picking simulation of the manipulator was completed.Through the theoretical data of the d
8、ynamic model,the stress and strain of the arm and its keycomponents were analyzed to reduce the mass of the manipulator itself.The stress and strain underdifferent lightweight schemes were calculated to select the optimal lightweight scheme.By comparing thesimulation data of the manipulator before a
9、nd after lightweight,the peak driving torque of the bone rodlightweight scheme was reduced by 21 Nm and 15 Nm,respectively,both of which were reduced byabout 20%.The weight of the whole machine was reduced by 1.8 kg,which was reduced by 32.1%,and the lightweight manipulator maintained good working a
10、bility.According to the optimization results,a收稿日期:2 0 2 2-11-2 1修修回日期:2 0 2 2-12-3 0基金项目:浙江省重点研发计划项目(2 0 2 1C02021)、浙江省“三农九方”科技协作计划项目(2 0 2 2 SNJF017)、重庆市科学技术局农业农村领域重点研发项目(cstc2021jscx-gksbX0003)和杭州市农业与社会发展科研一般项目(2 0 2 2 0 3 B08)作者简介:赵雄(198 2 一),男,教授,博士,主要从事现代农业装备与技术研究,E-mail:z h a o x i o n g z s
11、t u.e d u.c n通信作者:陈建能(197 2 一),男,教授,博士生导师,主要从事现代农业装备与技术研究,E-mail:j i a n n e n g c h e n z s t u.e d u.c n89赵雄等:自由度苹果采摘机械臂动力学分析与轻量化设计第7 期physical prototype of a 3-DOF apple picking manipulator was built.The maximum driving torques of thelarge and small arms were 92 Nm and 63 Nm through experiments,w
12、hich basically conformed to thesimulation results and verified the correctness of the dynamic model.Key words:apple;picking;3-DOF manipulator;lightweight design;dynamic modeling0引言中国为苹果种植大国,产量位居世界第一。苹果采摘环节作业量占整个生产环节作业量的50%70%1。目前,采摘环节主要依靠人工完成,而由于果树较高,果实成熟期较短,使得采摘劳动强度大,危险性高2 。随着科技的不断进步,劳动力的短缺,采用机械臂代替
13、人工从事繁危险的工作已经成为发展的趋势3 。日益增长的市场需求对机械臂的采摘效率也提出了更高的要求4在苹果采摘实际应用中,多自由度工业机械臂5-7 运动规划复杂,采摘作业时运动学逆解约束过多,导致可采摘空间狭小,并且电机与减速器安装于关节上存在机械臂笨重、转动惯量大、刚度低、动态性能不佳等缺点8 。三自由度苹果采摘机械臂在关节型机械臂基础上,采用平行四边形结构,使得末端执行器在机械臂运行过程中始终保持水平,引人多个平行可控四连杆结构,将动力后置使机械臂关节处的转动惯量降低,增加了整个机械臂的结构刚度,便于轻量化设计,且臂展长工作空间大,自由度少,运动规划简单9-1。在实际工作中三自由度采摘机械
14、臂引人平行可控杆组,依靠各个杆件之间协调运作完成动作,各个杆件直接影响机械臂的性能,且对整个机械臂动作的完整性及安全性都至关重要。目前设计三自由度苹果采摘机械臂采用类比和经验的方法,通常存在结构笨重、体积大、负载较小等问题页12-13 本文使用牛顿-欧拉法建立动力学模型,通过ADAMS动力学仿真验证其正确性,通过计算各个关节最大扭矩,对机械臂结构进行优化,获得最优结构方案,并为电机选型及电机的精确控制奠定基础,为最优控制方法提供可靠的理论依据,提升工作性能14-13 。本文基于动力学分析结果,运用有限元方法,在保证机械臂刚度与强度的前提下,通过改变结构形状或尺寸,降低机械臂质量,实现轻量化设计
15、。1机械臂结构设计与运动学分析1.1任务空间分析为了适应我国苹果复杂的、非结构化16 的作业环境,在设计采摘机械臂臂长时要充分考虑苹果的果实分布,且采摘机械臂要有较大的采摘空间。采摘空间的形状、大小是决定工作能力的关键因素17-19在果园里随机选取50 棵苹果树,果园结构如图1所示,对苹果树的行距、树高、枝叶伸展宽度进行测量,得到果树高度为3.0 3.8 m,树枝的伸展宽度为1.1 1.7 m,行距为3.0 4.0 m。记录了每棵苹果树的果实纵向分布与果实横向分布情况,如表1所示。纵向分为4个区(H,、H 2、H,和H4),分别为0 0.8 m0.81.6m、1.6 2.0 m 和2.0 3.
16、2m。横向分为3 个区域(L1、L,和Ls),分别为距树干0 0.2 m0.20.6m和大于0.6 m。图1果园结构Fig.1Orchard structure表1不同区域具有不同苹果分布密度的苹果树数量Tab.1 Number of apple trees with different appledistribution densities in different regions棵苹果密度/(个棵-1)HH,HH4LL2L30101032250140341020151112021714202536 16015432从表1可看出,约7 5%果实分布低于1.8 m,70%以上的果实集中分布在树
17、枝横向宽度0.51.2m,即机械臂前后臂展至少达到1.2 m,才能对果树深处果实进行采摘,考虑到底盘车可将机械臂基座前后伸展,行程为0.8 m,机械臂末端位置伸出最远与最近距离差值大于0.4m时,就能满足苹果采摘要求。同时由于底盘车的限制,苹果树果实距地面0.3 m时,底盘车会干涉机械臂运动,此时机械臂姿态怪异,采摘困难,因此综合考虑距离地面0.3 m以下的苹果不进行采收,机械臂上下极限位置差为1.4m左右,才能覆盖苹果树的大部分果实结果位置。分析表1可知,机械臂的任务空间2 0 1要能覆盖75%果实分布区域,尺寸为12 0 0 mm1000mmSchematicof 3DstructureF
18、ig.3图3三维结构示意图6/11781291390农2023年机报学业械1400mm,机械臂任务空间简图如图2 所示。200001510800图2机械臂任务空间简图Fig.2Manipulator task space diagram注:蓝色阴影区域为机械臂工作空间,红色阴影区域为机械臂任务空间根据机械臂的任务空间及机械臂关节限制,本文确定机械臂结构参数:腰部关节旋转中心到大臂关节旋转中心的距离a。为150 mm;大臂旋转关节中心到小臂旋转关节中心的距离l为50 0 mm;小臂旋转关节中心到末端连接器旋转关节中心的距离z为50 0 mm;末端连接器旋转关节中心到末端执行器的距离3为18 0
19、mm。1.2结构组成本文设计的三自由度苹果采摘机械臂的3 个自由度均为转动自由度,由底座、腰部关节、大臂、小臂、末端连接器与驱动连杆组成,3 个转动自由度分别是大臂旋转关节、小臂旋转关节和腰部旋转关节,结构示意如图3 所示。该机械臂结构引入平行杆组,组成局部闭链结构,由于局部闭链2 和局部闭链3的存在,使末端执行器始终与地面保持水平,简化了姿态规划,保证苹果采摘过程中机械臂运行平稳。同时由于局部闭链1的存在,通过小臂驱动连杆将电机输出扭矩转移到小臂关节上,从而转动小臂,该结构将较重的驱动电机与减速器的安装位置移动至旋转机架上,减小了关节处的质量,从而减小了机械臂的转动惯量,增大了整个机械臂结构
20、的刚度。1.腰部关节2.小臂驱动曲柄丙3.小臂驱动连杆4.局部闭链15.水平保持三角架6.小臂7.末端连接器器8.局部闭链39.水平保持连杆210.局部闭链2 11.大臂12.水平保持连杆113.底座机械臂运动时,大臂电机驱动大臂,小臂电机驱动小臂驱动连杆,从而带动小臂运动。当大臂运动时,小臂由于局部闭链1的存在而保持姿态不变,仅跟随大臂做前后运动。同时,当小臂运动时,大臂姿态不随小臂的运动而改变。末端连接器由于局部闭链2、3 的存在,使得末端执行器始终与大地保持水平。采用SolidWorks软件对三自由度采摘机械臂进行虚拟样机建模。机械臂三维模型如图4所示1514131251110698图4
21、三自由度苹果采摘机械臂三维模型Fig.4TThree-dimensional model diagram of3-DOFapple picking manipulator1.腰部电机减速器2.底座3.腰部关节4.小臂电机减速器5.大臂6.局部闭链17.小臂驱动连杆8.小臂9.末端连接器10.局部闭链311.水平保持连杆212.水平保持三角架13.水平保持连杆114.局部闭链215.大臂电机减速器1.3正运动学分析三自由度采摘机械臂连杆坐标系设定如图5所示,记末端连接器与水平方向夹角为,由于局部闭链2、3 的存在,可知在机械臂运动过程中为固定值,仅与机械臂的结构有关。本机械臂设计时末端执行器始终
22、保持水平即=0。设关节的转角分别为1、0 2、0 3、0 4、0 5,局部闭链1使角度0,与驱动轴转角6 2、0,存在几何关系,同样角度4与6,也存在几何关系2 1,因此,2、6,、4、0,之间的关系为0,=-02-s(1)04=05(2)通过式(1)、(2)即可将驱动转角0,用6 2、0,表示,6 4用9,表示,将含局部闭链机构三自由度采摘机械臂转化为开链机构,采用开链机构运动学研究理论进行运动学分析。在本文的研究中为简化计算只计算开链中1、0 2、,的运动学关系,在实际应用时通过简单变换即可将0 1、0 2、,转换为由驱动转角01、0 2、0,表示。91自由度苹果采摘机械臂与轻量化设计赵雄
23、等:第7 期22图5三自由度苹果采摘机械臂D-H连杆坐标系Fig.5D-H linkage coordinate system of 3-DOFapple picking manipulator根据D-H法,连杆之间的位移长度为;-1;连杆之间相对位置距离为d;参数i-1表示关节轴zi+1与关节轴z,之间的扭转角;参数6,表示关节i由初始值绕关节轴z旋转的角度。由于最后一个连杆始终保持水平,最终三自由度采摘机械臂的D一H连杆参数表如表2 所示,表2三自由度苹果采摘机械臂D-H连杆参数Tab.2Parameters of D-H connecting rod of3-DOF apple pick
24、ing manipulator连杆序号讠ai-1/mm;-1/()d;/mm0;/()关节变量100020900223a100334a20064645a3-90000各个相邻的连杆坐标系间的转换矩阵为厂-S100731C100T=00100001$2C20000-10T=2-C2S20-ao0001-S3-C30C4-S40a2C3-S300S4C4003T=T=001000100001L0001100+T=001050-100LO0 01其中TT12T13P.1T21T22T23PT=IT,TTT,T=Y(3)T31T32T33PN0001T11=C,C234T12=-S1T13=-CiS2
25、34P,=c(a2C23+a;C234+ajs2)T21=S;C234T22=C1T23=-S;S234 P,=si(a2 C23+a,5243+a,s2)T31=S234T32=0T33=C234P,=a;234-ajC2-ao+a2S23式中c,表示cos0;,s,表示sin;,c 表示cos(,+,),s,表示sin(0;+,),Cm表示cos(0,+0,+0,)S表示sin(0,+0,+0,),i、j、h 取1,2,3,4。由于连杆i始终保持水平状态且随连杆计转动,即末端连杆坐标系0,相对于基座坐标系0 xoyo%0的位姿变换矩阵为T。为了校核结果的正确性,计算当,=0,0,=0,0=
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