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摘 要：针对国内修枝机械作业方式比较原始，修枝劳动强度大，效率低的问题，对传统修枝机械的结构和功能进行优化，设计一款具有多功能的园艺修枝机械臂。多功能园艺修枝臂的研究主要從作业原理、结构设计与优化和模型构建等方面进行分析。通过对多功能园艺修枝臂的三维模型构建和力学的受力分析，保证所设计的多功能园艺修枝机械臂结构的自由度、结构强度和刚度符合要求，满足机械在实际作业中的工作要求。多功能园艺修枝机械臂集修枝和集材于一体，可实现修枝作业的机械化，提高作业效率。修枝机械臂在工作时，能够一步实现枝条的修剪和收集，解决采用人工修枝费时费力的问题，弥补传统修枝工艺的不足，推动园艺修枝机械的发展。该机械臂功能齐全，结构简单，便于操作，能够适应复杂的林业机械作业的环境。
关键词：修枝机械;结构设计与优化;模型构建
中图分类号：S776 文献标识码：A 文章编号：1006-8023（2019）04-0082-07
Design and Characteristic Analysis of Multifunctional Gardening
Pruning Mechanical Arm
KANG Jilong， HOU Weiping*， LI Chenying， FU Yelin， LI Zhiyuan， DING Zaixing
（College of Engineering and Technology， Northeast Forest University， Harbin 150040）
Abstract：In view of the fact that the domestic pruning machinery operation mode is relatively primitive， the pruning labor intensity is high， and the efficiency is low， the structure and function of the traditional pruning machine are optimized， and a multifunctional gardening pruning robot arm is designed. The research of multifunctional gardening pruning arm is mainly analyzed from the aspects of operation principle， structural design and optimization， and model construction. Through the three-dimensional model construction and mechanical force analysis of the multi-functional gardening pruning arm， the freedom， structural strength and rigidity of the designed multi-functional gardening pruning arm structure are guaranteed to meet the requirements， and the mechanical work in the actual operation can be satisfied. The multi-functional gardening and pruning robotic arm integrates pruning and collecting functions， which can realize mechanization of pruning operations and improve work efficiency. When the pruning arm is working， it can realize the pruning and collecting of the branches in one step， solve the problem of time and laborious use of artificial pruning， make up for the deficiency of the traditional pruning process， and promote the development of the gardening pruning machine. The mechanical arm is fully functional， simple in structure， easy to operate， and can adapt to complex forestry machinery operations.
Keywords：Pruning machinery; structure design and optimization; model construction
0 引言
树木修枝是森林抚育的主要措施，对树木生长、成材有非常积极的意义[1]。行道树的合理修枝可以促进树木的成长，提高树木的通直度、抗弯强度，增强上部光合作用;同时对行道树修枝可以提高道路通行的安全，对于行道树中冠幅大、重心偏、枝条低的树枝进行修剪，使其尽可能的减少树木在恶劣天气发生倒伏的现象。国外机械化修枝技术起步较早，配套齐全[2]，低于8 m的树枝可直接采用修枝钳和伸缩臂完成修枝作业，但8 m 以上侧枝修剪缺乏适用机械[3]。目前国内在修枝机械方面也取得了一定的成果，但依旧处于半机械化状态，主要以华南热带作物机械研究所设计并试制成功的3SG-8型全液压修枝整形机为典型[4]，但该机械工作台最大起升高度为8.5 m，且需要操作员在操作台上进行人工修枝作业。因此，现在仍然迫切需要开发设计一种通过操作员在地面平台操作即可实现作业、降低劳动强度的新型多功能修枝机械。
园艺修枝机械的作业环境特殊，作业对象复杂[5]，对园艺修枝机械手臂的机构和功能相对较高。针对以上所提到的情况，本文根据城市道路两旁行道树的修枝工艺特征和工作特性，在分析其作业环境和功能的前提下，对园艺修枝机械手臂进行了结构设计与优化，并进行三维模型的构建和受力分析，使修枝机械臂满足实际修枝作业的要求。
1 多功能园艺修枝机械手臂结构设计
1.1 多功能修枝机械手臂的总体设计与工作原理
多功能修枝机械手臂由夹持及修枝部分、承载部分和驱动控制等3个部分组成。夹持及修枝部分由机械臂前端的电锯和机械爪等工作构件组成。承载部分为多功能园艺修枝机械手臂最基础的组成部分，根据承载结构的不同，该部分分为可固定的水平承载台和运动伸缩的承载臂。园艺修枝机械手臂的驱动控制是通过液压气驱动为机械臂的工作部分提供动力，通过液压杆为机械臂的伸缩运动提供动力，同时在园艺修枝机械手臂的运动关节处用插销板对机械臂进行辅助的点控制，用编程控制器和计算机来控制进行机械臂的整体控制和工作记录。多功能修枝机械手臂结构图如图1所示。
在实际工作中用修枝机械进行修枝时树枝的位置是不可确定的，而且实际修枝过程中树枝没有对应固定空间坐标，因此无法在修枝前直接得到树枝的空间坐标（x，y，z）进行树枝的修剪。修枝机械臂是通过系统硬件、支撑臂和功能臂系统硬件、电锯和机械爪系统硬件发送指令，进而控制转动台、电锯、机械爪和修枝臂，与同类机械相比具有更高的相对定位精度，能够实现精确定位和锯切作业[6]。本机械臂实现树枝的空间定位的方法是：首先将修枝臂调整到某一空间位置，通过计算机扫描测算树枝距离工作臂的相对位置;然后通过对机械臂和下方旋转台的控制将机械爪运动到被修树枝，机械爪抓取树枝后启动修枝电锯修剪树枝;最后机械臂运动收集树枝，从而完成修枝作业。在机械手臂完成修枝作业后，工作人员通过控制系统调整机械臂回到初始位置，并关闭机械动力系统，修枝臂就完成一个工作循环[7]。修枝机械修枝流程如图2所示。
1.2 机械手臂驱动原理
多功能修枝机械手臂的控制系统是通过主控制单元和工业CAN总线相互配合共同构成各机械臂的网络控制系统，而修枝机械臂的每一节臂是网络控制系统中的一个控制单元。各节臂上的控制单元搭接在CAN总线上，实现控制信号的输送。每个节臂上的控制单元又间接的搭接在主控制單元上，因此在主控制单元发出控制信号后，各节臂能够快速的接收总线传输的控制信号。各节臂上的控制单元根据接收的信号对机械臂进行运动控制并进行信息反馈，从而实现对园艺修枝机械臂的运动控制和监测，实现修枝作业功能。同时，各关节也会将修枝机械手臂的动作信息实时通过CAN接口发送到主控制单元，从而实现完整的闭环网络控制系统，具体的驱动控制原理如图3所示。
2 机械手臂的设计优化
2.1 设计变量的确定
多功能园艺修枝机械手臂的设计变量包括主控制台高度L1，第一节支撑臂臂长L2，第二节支撑臂臂长L3，第三节支撑臂臂长L4，第四节伸缩臂臂长L5，第一、二、三臂的转角范围为[θ2min，θ2max]，[θ3min，θ3max]，[θ4min，θ4max]。如图4所示，为简化机械臂优化的过程，根据地区树木大致高度以及修枝机械手臂修枝的实际情况，确定L1=0.6 m。导轨行程与机械手臂的水平工作空间有关，综合考虑，确定L2= L3= L4= L5=3 m。结合树枝修剪区域情况以及机械手运动情况，可取θ2min=0°，θ3min=180°，θ4min=-90°;因此，需要优化设计的变量为第一节支撑臂臂长L2，第二节支撑臂臂长L3，第三节支撑臂臂长L4，以及机械臂的转角θ2max，θ3max和θ4max，即
X=[X1，X2，X3，X4]T
=[L2，L3，L4，θ2max，θ3max，θ4max]T 。（1）
2.2 结构参数的优化
进行机械臂的结构参数设定，主要是建立各个关节间的自由度联系，确定旋转角度和变化范围[8]。在满足修枝要求的前提下，实现作业无效空间最小化[9]。故以其实际工作空间所围成的面积为目标函数，并使其在所包含的矩形工作区间LMNKL条件下为最小值[10]，即
minf（x）=SABCDFGA 。（2）
SABCDFGA=SPABP-SGFE-S△JFG-SAHI
=[r2pA（αβ-αA）-2r2IA（αH-AA）]/2。 （3）
式中：αA、αB、αH为各点的向量角;r为圆弧的半径。
2.3 修枝机械臂运动分析
对于实际情况中的机械臂每个作业位置都可以通过调节机械手臂的姿态与之对应，采用D-H方法对修剪机械臂进行运动学建模分析[11]。为了使分析和计算更加便捷，对机械臂的结构进行简化，并对机械臂进行参数化，第一、二、三节臂长分别为L2、L3、L4;旋转台的转角为θ1;第一、二、三节臂的转角分别为θ2、θ3、θ4;则修枝机械臂的齐次变换矩阵为：
修枝机械臂的修枝动作是在各节臂已知各个关节角的情况下，求修枝机械臂动作时工作部分的动作形式和动作位置，即求出齐次变换矩阵15T，即可得到修枝机械臂作业时的姿态和前端修枝部分的空间位置，变化矩阵为：
变换矩阵中，sinθ23表示sin（θ2+θ3），cosθ23表示cos（θ2+θ3），sinθ234表示sin（θ2+θ3+θ4），cosθ234表示cos（θ2+θ3+θ4）。
3 动力学仿真分析
3.1 建立三维模型
根据多功能园艺修枝机械手臂的实际设计要求按2∶1比例在SOLIDWORKS环境中建立修枝机械臂动力学仿真模型[12]，如图5所示。机械臂是金属框架结构，连接处和金属支撑臂均倒有圆角，在安装动力装置和传动装置的地方均有相应的安装空间。为避免部分特征和小结构特征影响网格的质量，在实际建模时对模型进行简化，从而降低造成分析精度等问题。
3.2 确定材料及模型分析划分
在实际机械制造生产中主要使用的材料为铸铁和钢，为选择出制造机械臂的最佳材料，将常用的5种金属材料进行材料属性比较，材料属性见表1，从材料属性表可以比较出合金钢的张力强度和屈服强度是最高的，且其抗剪模量高、膨胀系数低，根据修枝机械的工作环境和作业特性可知合金钢是制造多功能园艺修枝机械手臂最优选择。由于机械手臂尺寸和体积较大，综合修枝作业时机械臂的受力形式，在对机械臂进行三维模型受力分析时，主要对园艺修枝机械臂前部的机械爪等主要受力部分进行受力分析和工作属性验证，其他非主要受力部分只需满足受力要求即可。
3.3 添加约束及施加载荷
该修枝机械手臂在进行修剪和集材工作时，工作部分的机械爪需夹持所要修剪的树枝，并在树枝修剪后将其夹持起升和收集。根据修枝机械臂的实际工作情况和受力可知，修枝机械工作时作用在修枝作业部分的载荷为0～6 000 N，由于模型是按2∶1比例构建，所以模型所加的外部载荷为0～3 000 N。修枝机械在实际修枝作业时所承受的力非恒定的，且受外部环境影响，因此在进行仿真分析时以300 N为增量对机械臂进行受力分析，同时对修枝机械在高温和低温条件下进行受力分析。
在受力分析时对第四节机械臂前端施加固定约束，对机械爪施加外载荷，并进行实体网格化，模拟机械臂实际修枝工作情况下的受力分析，具体实施如图6所示。
3.4 受力结果分析
对修枝机械臂仿真模型施加约束后，放松其纵向移动，在上部工作部分的机械爪处施加修枝的计算压力N，方向为所修剪树枝与机械爪接触面的法线方向。通过对机械臂进行静应力受力分析和屈曲分析，得出修枝机械臂仿真模型在不同环境条件下安全系数、应力、静态位移和应变的变化曲线图，见表2、图7～图9;机械臂在正常工作条件下的屈曲分析如图10所示;以及机械臂在平均外载荷作用下的受力分析如图11～图13所示。由表2、图7至图9可以看出机械臂在不同环境条件下安全系数、应力、静态位移和应变虽然都因环境影响存在差异，但在允许施加的外载荷范围内各影响因素均满足实际工作要求，不影响正常修枝作业;由图10可知修枝臂在修剪额定外载荷内的树枝时屈曲特征值均大于等于1，且当外载荷超过修枝机械的屈服极限后屈曲特征值将趋于稳定;由图11～图13可以看出当对修枝机械施加平均外载荷時工作部分最大受力为机械爪与树枝接触部分，机械变形比例为1，最大静应力为1 510.6 N/mm2，最大变形位移为1.094 mm，最大应变为0.005，根据模拟受力分析和实际作业情况相比较可知修枝机械臂满足使用要求。
4 结论
从分析机械臂的总体机构入手，在深入明确机械臂修枝作业原理的前提下，通过对各机械节臂的参数分析、选择和运动分析，对机械结构进行设计优化。在理论模型的指导下，构建了多功能园艺修枝机械的三维模型，通过对模型的受力分析，验证了其结构的可操作性和安全性。同时证明了多功能园艺修枝机械能够克服园艺修枝中所遇到的诸多困难，能够实现修枝作业的机械化，提高作业效率，解决采用人工修枝费时费力的问题。
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