智能树木修剪机的设计与仿真研究

王 鹏，万志远，李 锋

（山东华宇工学院 机械工程学院，山东 德州 253034）

引言

随着现代社会的不断进步，人工林种植与市政绿化程度越来越高，人们对于修剪的平整度、造型及修剪效率等要求也不断提高。传统的树木修剪方式安全隐患大、重复性高。随着视觉、传感、机电一体化、人工智能与物联网等技术的发展，智能树木修剪机不仅在很大程度上提高了修剪树木的劳动效率，而且修剪质量大大提高[1]。

1 智能树木修剪机结构设计

智能树木修剪机是一种可以根据实际情况进行实时转换液压剪和电锯的智能修剪装置，通过人工遥控修剪树木枝干，具有低风险、高效率、智能化程度高等优点。

1.1 智能树木修剪机简介

智能树木修剪机从设计结构来说，主要分为汽车底盘、搭载设备和多自由度机械臂几个部分，如图1所示：

图1 智能树木修剪机总体结构

智能树木修剪机可以分为：动力系统、机械系统、控制系统，智能树木修剪机在修剪作业时的性能与其机构的优良关系很大，在作业时智能修剪机的各个系统是作为一个整体来完成修剪任务的。

智能树木修剪机是依靠动力系统来向机构传递动力的，它对修剪作业的效率起着关键性的作用，智能树木修剪机的工作环境比较复杂，机械臂作业频率高，载荷也经常发生变化，因此动力系统地设计尤为重要。智能树木修剪机的机械系统包括了汽车底盘和机械臂等，智能树木修剪机的修剪作业完成主要依靠机械系统完成。控制系统主要是对发动机、摄像头、机械臂等进行控制的系统。

1.2 智能树木修剪机建模

多自由度多功能机械臂的结构是比较复杂的，在建立三维模型时，必须进行简化，多自由度机械臂是一个十分复杂的机械结构，为了提高建模效率与模型的装配精度，根据每个零件的特点分类进行建模。机械臂的建模如图2所示：

图2 多自由度机械臂模型

根据设计要求，在Solidworks中采取基本建模方法形成基本的特征实体，在建模过程中使用了有底向上的设计方法，对于每一个零件都能够清晰掌控，还可以随时对装配体中的零件进行修改。智能树木修剪机车身的建模如图3所示，是车身的装配模型，建模过程不做详述。

图3 智能树木修剪机车身模型

2 智能树木修剪机运动仿真

虚拟样机的建立采用Solidworks软件与ADAMS仿真软件相结合的方法，使用Solidworks软件建模，然后再导入到ADAMS软件中进行适当地修改[2]。

在Solidworks中绘制完成之后，保存为Parasolid格式，然后导入到ADAMS中；使用 Parasolid 格式进行Solidworks和 ADAMS 文件的数据转换可以较好的避免数据在 STEP和 IGES等文件转换数据时产生的数据丢失问题。同时使用Parasolid中间数据格式能够最大程度保留原模型的几何要素和零部件的信息，甚至可以在Solidworks里先添加一些简单的约束，再通过专用运动模块接口导入ADAMS中，这样就可以有效地将建模和分析链接在一起，最大程度的避免在ADAMS中复杂的建模过程，尽可能使得数学模型与物理样机水平相接近，提高分析计算的准确性。在ADAMS中对各个构件添加约束，即定义运动副、添加驱动、施加载荷，得出仿真模型[3]，为后面的计算求解和结果后处理中做好准备。

设置ADAMS工作环境：

（1）设置坐标系，选择笛卡尔坐标系。

（2）设置单位，选择MMKS即毫米（mm）、千克（㎏）、秒（s）、牛顿（N）、度（deg）单位制。

（3）添加重力和方向，设置g为9 806.65 mm/s²，方向为（-Z）。

根据实际情况，在不影响仿真分析效果的情况下对机械臂[4]模型进行简化使建模简单方便，建模完成后，利用Solid-works软件[5]的装配功能，完成机构的装配，然后将该模型导出为Parasolid文件，导入ADAMS仿真软件中，并根据智能树木修剪机的实际约束情况，添加约束、驱动和载荷，在底座与大地之间采用固定副连接，并且每添加一个约束都要进行仿真，观察是否与理论模拟相符合，这样出现问题就能够及时发现，以保证最后仿真模型的准确度，提高效率。

在处理过程完成后，建立的模型就可以进行仿真操作，最后建立的虚拟样机如图4所示。

图4 机械臂虚拟样机模型

在仿真过程中，获得智能树木修剪机的运动过程，不断进行调整优化，纵观整个仿真过程，运动过程平滑顺畅，各个构件没有发生死点和干涉现象。具体作业仿真模拟过程如图5所示：

图5 具体作业运动过程

3 结论

本文完成了智能树木修剪机的设计改进与仿真研究，本智能树木修剪机采用Solidworks建成模型，并将其导入仿真软件ADAMS中，基于运动学对智能树木修剪机进行仿真模拟分析，验证该装置没有干涉和死点位置，并能够完成预期的运动，具体仿真过程均符合预期要求，该智能树木修剪机满足作业要求。