新形棗果收集裝置的設(shè)計及控制系統(tǒng)仿真分析

郭琳，孫銘，辛琳，高帥，劉蒙，王興源

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

梳耙式棗果收集機(jī)主要由動力裝置、收集裝置、機(jī)械手臂等組成，動力系統(tǒng)為裝置提供動力，通過控制氣壓缸的運動，實現(xiàn)對機(jī)械手臂的運動控制，柔性的梳耙將棗果與樹枝分離，分離的棗果由傘狀收集器統(tǒng)一收集。與傳統(tǒng)的人工收集相比，機(jī)器收集的效率更高，與震動式收集器相比，梳耙式棗果收集器避免了對樹枝的損傷，故對氣動梳耙式棗果收集器的研究很有價值。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

針對于棗果生長的條件,設(shè)計了一種梳耙式棗果收集機(jī)，主要由氣壓系統(tǒng)、可移動基體、機(jī)械手臂、集果裝置、傘狀收集器等組成。整機(jī)的氣壓系統(tǒng)為裝置提供動力?；蠋в熊囕?，車輪部分采用履帶式，它的優(yōu)點是越障礙能力突出。集果裝置位于裝有儲氣缸的可移動基座上方，其作用為收集從傘狀收集器收集的棗果。機(jī)械手臂和傘狀收集器安裝在集果裝置上方，負(fù)責(zé)梳耙棗果。兩臺可同時工作的機(jī)器中間有一個導(dǎo)向環(huán)，工作時它套住樹干，兩機(jī)器間的連桿可繞著導(dǎo)向環(huán)旋轉(zhuǎn)。收獲機(jī)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 工作原理

根據(jù)棗果的分布情況，控制機(jī)械手臂的運動，完成最優(yōu)收集。本機(jī)器采用的是氣動系統(tǒng)，利用PLC編程來控制氣流閥，空氣推動氣缸的活塞完成氣缸的收縮，從而實現(xiàn)機(jī)械手臂的空間運動。當(dāng)收集完一個位置的棗果時，控制車輪運動，裝置將旋轉(zhuǎn)至另一個收集位置進(jìn)行收集。經(jīng)梳耙爪梳離墜落的棗果會落到傘狀收集裝置處，傘狀收集器收口于收集盒，故棗果會沿著帆布滑落至收集盒內(nèi)，從而完成棗果的收集。

圖1 梳耙式棗果收獲機(jī)機(jī)構(gòu)圖

2 機(jī)械手臂的設(shè)計分析

2.1 機(jī)械手臂的運動學(xué)分析

機(jī)械手臂的具體工作性能與它的運動和姿態(tài)有很大的關(guān)系，當(dāng)對機(jī)構(gòu)的幾何參數(shù)初步確定后，就可以對機(jī)械手臂的動臂、斗桿、梳耙桿進(jìn)行必要的運動學(xué)分析，簡化計算圖如下圖2所示。

圖2 簡化計算圖

2.1.1 運動學(xué)坐標(biāo)的建立

2.1.2 數(shù)學(xué)模型的建立

梳耙式機(jī)械手臂采摘時，可根據(jù)氣缸的長度來得出坐標(biāo)系之間的姿態(tài)角即夾角，再由姿態(tài)角得出氣缸的真實長度。

（1）梳耙式機(jī)械手臂各點坐標(biāo)計算。當(dāng)我們已知工作裝置各點換矩陣可以求得各點在坐標(biāo)系中的位置，具體的計算方法如下。

坐標(biāo)系中的點在動態(tài)坐標(biāo)系中的位置可以計算得出為[X,Y,1]=。

坐標(biāo)系中的點在動態(tài)坐標(biāo)系中的位置可以計算得出為[X,Y,1]=，以此方法同理計算出各點坐標(biāo)。

（2）機(jī)械手臂的運動。通常在考慮機(jī)械手臂的運動時，可以利用正運動學(xué)和逆運動學(xué)。

設(shè)動臂的坐標(biāo)原點相對于的位置向量為和，相對于坐標(biāo)系原點的位置矢量為。

我們設(shè)定速度和角速度分別是角速度，和分別為相對于坐標(biāo)系。機(jī)械手臂的動臂坐標(biāo)系相對于機(jī)座坐標(biāo)系的線速度和角速度可以分別通過如下計算得到：

坐標(biāo)系相對于的角速度,棗果采摘手臂中的動臂在坐標(biāo)系是轉(zhuǎn)動的，它以為軸相對于斗桿以轉(zhuǎn)動，因此我們可知：

通過上面公式進(jìn)行化簡我們可以輕易地得到動臂相對于機(jī)械臂中斗桿的線速度和線加速度分別為：

那么動臂相對于的線速度和加速度我們也可得到為：

進(jìn)行運動學(xué)分析，有利于機(jī)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，而且對實現(xiàn)自動控制也具有非常重要的意義。

2.2 棗果采摘機(jī)械手臂位置控制系統(tǒng)的仿真分析

圖3 閉環(huán)位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

仿真分析是十分必要的。本論文先對棗果采摘機(jī)械手臂位置控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在這里以機(jī)械采摘手臂的斗桿裝置作為例子，它的開環(huán)傳遞函數(shù)可以輕易地得到，圖3為閉環(huán)位置控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖。

此系統(tǒng)為I型系統(tǒng)，影響動態(tài)性能的主要是氣壓缸和比例閥的頻率，開環(huán)增益和氣壓缸的阻尼比主要影響系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)在我們運用MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，觀察閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線能否滿足要求。

由仿真的結(jié)果我們可以看到,未調(diào)節(jié)的系統(tǒng)的峰值時間、調(diào)整時間不能夠滿足系統(tǒng)的要求，所以我們必須加入控制器進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)過綜合分析最終我們確定采取PID控制器，取各項系數(shù)為Pk=16,Ti=1,Td=0.1。未經(jīng)調(diào)整的系統(tǒng)無超調(diào)，且不能達(dá)到控制系統(tǒng)快速性的要求。經(jīng)過引入PID控制器校正后可以得知峰值時間為4.8s,調(diào)整時間為3.6s。從單位階躍響應(yīng)曲線上（如圖4）。兩條曲線對比可知，在引入了PID控制器后，控制系統(tǒng)的響應(yīng)特性得到了很大的改善，已經(jīng)符合我們對控制系統(tǒng)的要求。

圖4 閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)

3 結(jié)語

通過建立梳耙機(jī)械手臂的數(shù)學(xué)模型來確定裝置工作時的位置和姿態(tài)，機(jī)械式梳耙裝置的數(shù)學(xué)模型可以用于機(jī)構(gòu)的設(shè)計以及運動學(xué)的分析。通過對位置控制系統(tǒng)的仿真分析，我們引入PID控制器，從而使得控制系統(tǒng)的性能得到改善。

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