园林修剪机器人臂端刀具优化设计与稳态分析

我国园林绿化面积不断扩大,但园林修剪机设备目前处于半人工半自动化状态。为此,提出并设计了园林修剪机器人,并对园林修剪机器人末端执行机构刀具进行优化设计与稳态特性研究,最终达到设备稳定修剪的目的;阐述了园林修剪机器人末端中机构的结构、工作原理及操作方法;以多种组合刀具为研究对象,利用ANSYS有限元分析以及其Ls-Dyna有限元显式求解程序对多种组合修剪刀具进行静力学分析、模态分析及动力学仿真计算,构建出应力值与应变值、刀具齿数、刃口形状的关系模型;然后,进行齿数、刃口形状对刀具进行稳态特性优化,研究稳态性能,找出刀具最优组合。结果表明:最佳刀具组合为100齿双刃,其最大应力、最大应变值分别为5.3475×10^(6)Pa、2.6342×10^(-5)m/m,刀具共振频率为243Hz。切割动力学仿真分析表明:刀具在切割外径8mm的树枝时,刀具修剪能量变化均匀,对树枝修剪产生的切割力呈现有规律的曲线,最大切割力为498N。智能园林修剪机器人修剪试验结果表明:修剪刀具在不同的转速下进行园林修剪,呈现出良好的稳态特性,运行平稳,刀齿端磨损较少,无共振现象,达到了设计目标要求。

基于改进粒子群算法的油茶花粉采摘机械臂轨迹规划

针对人工收集油茶花粉存在劳动强度大、效率低等问题,基于油茶花的生长特性,设计了一种油茶花粉采摘机器人。以油茶花粉采摘机械臂为研究对象,采用D-H方法对其进行建模和正、逆运动学分析;在Matlab软件环境下,采用蒙特卡罗方法求解末端手爪的工作空间,得到机械臂末端工作空间的点云图像。仿真数据表明,所设计的机械臂能够很好地满足油茶花粉采摘要求。由于传统机器人轨迹规划存在效率低、运行不稳定等问题,提出了一种改进粒子群(IPSO)算法对油茶花粉采摘机械臂的轨迹进行优化。该方法以时间为适应度函数,有效地将5-5-5多项式插值函数与IPSO算法相结合。通过对比传统遗传算法(SGA)与传统粒子群算法(SPSO),表明IPSO算法能更好地适用于油茶花粉采摘机械臂的时间最优轨迹规划。

旱地果园深松机机架受力特性研究及优化

为使结构轻量化,对旱地果园深松机机架进行有限元分析及优化。对深松刀切削土壤的过程进行运动仿真分析获得最大深松阻力,通过力学分析计算确定机架受力情况。在Workbench中进行机架极限载荷强度分析,得到机架所受最大应力为67.8MPa,未达到材料许用应力117.5MPa,验证了机架工作的可靠性,且存在较大应力裕度。选用响应面优化法对机架进行优化设计,将机架质量及后悬挂托钩钢管前端应力作为目标函数,构建机架优化数学模型。基于Box-behnken试验设计原理,选取17组试验模型进行仿真试验,采用最小二乘法对试验结果进行响应面拟合;以最小质量及应力不超过110MPa为约束条件进行优化求解,得到最优参数组合,其优化后机架应力值为89.8MPa,质量为53.2kg。通过实地试验进行验证,3次试验测得其应力平均值为78.3、77.7、79.4MPa,与仿真误差均不超过13%,验证了优化数学模型的准确性。优化结果表明:在保证机架工作可靠性的前提下,机架质量由62.2kg减少到50.1kg,降幅19.4%,减重效果明显,达到了优化目标。