城市园林自动修剪机器人动力学仿真研究

李名地

(廊坊职业技术学院，河北 廊坊 065000)

0 引言

随着社会的不断进步，城市园林的发展日益更新。园林修整与管理的机器设备具有可操作性强、运动精度可控及工作效率高等优点，目前在园林发展与建设中被广泛应用。近年来，根据园林建设的整体美观与协调，为充分提高园林修剪机器人的自动化程度，多位学者从修剪机器的机构与控制角度出发，分别利用多种理论对机器性能最优化进行研究改进，笔者在借鉴前人学者研究思路与理论的基础上，对城市园林修剪机器人的自动化程度进行分析，通过动力学理论模型建立与进行仿真试验，对自动修剪机器人展开研究。

1 整机原理及参数

园林修剪机器人是一种代替人工进行园林枝叶修整与去除的有效作业机器，主要包括控制部件、攀爬部件、姿态调整部件、回转机构及末端执行器等，其主要工作参数为机械臂的作业阈值、自由度及定位精度等，作业阈值通过有效衔接各个肢体关节的长度与行程问题确定。

针对机器人自由度问题，必须在合理的坐标系之下建立各关节的空间结构从而掌握机械人修剪末端执行器的轨迹与定位；定位精度则由修剪机器人的自动化程度决定，通过编入指定的程序，在控制指令作用下，通过感知、传递、调节与执行环节完成末端执行器的合理运动与精准定位环节。表1给出自动修剪机器人的D-H参数设计，定义了机器人各修剪作业关节的角度及长度，以确保各关节协调作业。

表1 自动修剪机器人D-H参数设计

2 动力学分析

2.1 工作空间

修剪机器人动力学工作空间作业决定机器人整机修剪效率，为避免机器人在作业过程中死点及作业死区缺陷，通过力学分析形成机器人的运动正、逆运动学程序及各关节角度的变化。园林自动修剪机器人工作空间流程简图如图1所示。

2.2 动力学模型

根据园林农艺特点及修剪机器人作业要求，建立修剪机器人在作业过程中的位移、速度、加速度及相关动力学模型，即

(1)

(2)

(3)

(4)

式中θd—机器人的位移；

Kp—动力学模型对角正定矩阵比例调节；

Kd—动力学模型对角正定矩阵比例调节；

H—动力学模型实际值计算矩阵；

N—动力学模型实际值计算矩阵。

修剪机器人稳定性分析选用函数为

(5)

(6)

图1 园林自动修剪机器人工作空间流程简图

依照理论模型，建立机器人作业关节流程，如图2所示。修剪作业时，经视觉单元采集与传递，末端执行单元在控制系统的作用下依次进行初步靠近与精细调整，最终到达修剪部位进行持续作业，此过程利用PD控制调节。

图2 园林自动修剪机器人作业关节流程简图

2.3 驱动控制

修剪机器人驱动控制设计与应用应根据作业需求，利用函数控制关系(7)进行作业控制，建立控制网络输入与输出之间的对应关系，实时对机器人修整作业的动作输入、输出进行接收、调整与反馈。

y=WTσ(x) (x∈Rn,y∈Rm)

(7)

式中x—控制网络输入；

y—控制网络输出；

W—核心权值矩阵；

σ(x)—激活函数矢量。

表2 自动修剪机器人驱动控制函数

依据机器人关节运动规律，给出驱动控制函数详细代码(见表2)，并结合自动修剪机器人控制系统结构简图(见图3)，通过驱动控制与下位机程序控制，开关量输出至修剪机器人各运动执行部件开展修剪作业；各个关节加装智能传感器应用装置，保证传递数据及信号的准确性与及时性，且可进行远程调控。

图3 城市园林自动修剪机器人控制系统结构简图

3 仿真试验

3.1 试验前置要求

对修剪机器人运动轨迹进行仿真试验，分别考虑直线修剪与圆弧修剪，均建立在X0-Z0平面，轨迹方程分别为

(8)

同时，建立模型并通过刚度与性能指标综合求解，通过多次优化要素及调整参数，建立近似优化模型，进而给出经多目标函数优化的理论参数范围，即

(10)

(11)

3.2 试验分析

为深入了解自动修剪机器人在不同修剪高度作业要求下所需匹配的控制电机性能，仿真试验设定修剪高度作为变化参数，从而记录控制电机的功率与角度变化情况，如表3所示。由表3可知：在广泛应用的修剪高度变化400～500mm范围时，电机各项参数能够较好地保持稳定性能，转动角度在可控可达阈值内，电控装置仿真表现良好。

表3 自动修剪机器人不同修剪高度对应控制电机参数

续表3

为进一步提升自动修剪机器人的定位及补偿功能，在仿真试验加入定位及补偿装置，同时编入补偿程序进行控制与调整，结果如表4所示。由表4的10组数据可看出：初始定位的实际作业修剪位置，经定位补偿器修正后的位置坐标更为准确，误差控制在6%左右。

经试验并不断变化参数验证，记录与分析绘制特征参数曲线。图4为机器人仿真试验主关节1的角度运动变化曲线，图5给出自动修剪机器人扭矩变化仿真曲线。由曲线变化可知：左右方位变化角度互补且扭矩配合一致性较好，试验效果良好。

图4 自动修剪机器人角度仿真曲线

表4 自动修剪机器人定位及补偿试验数据记录

续表4

图5 自动修剪机器人扭矩仿真曲线

4 结论

1)在自动修剪机器人整机的结构及修整原理的基础上，通过分析机械人各修剪部位的动力学运动规律，加入驱动智能控制，使得修剪机器人各关节协调运动良好。

2)经多次目标函数优化，获取自动修剪机器人的运动参数，并利用机构的运动定位与补偿功能，实现修剪机器人各关节作业定位的准确性，定位误差控制在6%左右，使得园林修剪机器人按照既定的设计进行修剪，效果良好。

3)结合运动学规律，对城市园林自动修剪机器人的动力学进行仿真试验，记录了各关节臂的运动角度与作业过程中的扭矩变化情况，为解修剪部件的承载力与实际运动轨迹跟踪提供一定的理论参考，有利于相似修剪机器人的开发与改进。