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在森林采伐剩余物中，伐根占有相當(dāng)大的比重且用途很廣，可用于硫酸鹽紙漿生產(chǎn)、微生物工業(yè)和制造木塑料等，但由于伐根采掘相當(dāng)困難，除少童采用人工挖掘或推土機、挖掘機挖掘外，大都任其留在來伐跡地自然腐朽，這祥不但浪費了資源，而且不利于人工或天然林營造，降低了林地利用率且易導(dǎo)致森林病蟲害的發(fā)生。"新型智能伐根清理機器人"是由原東北林業(yè)大學(xué)劉晉浩教授等主持的國家863計劃項目，該項目同時得到了國家林業(yè)局的資助，現(xiàn)己成勸地研趕出實體樣機一臺并通過了實地檢測，申請了兩項國家專利。
隨著國情與林情的發(fā)展，對繚濟效益和環(huán)境適用性的要求越來越高，先期的試驗產(chǎn)品采用的行走底盤為WY-60型挖掘機的底盤，雖然其具有可操縱性強、通過性高等優(yōu)點，但其存在購價昂貴、維護費雌高、地表破壞嚴重等缺點，影想了伐根清理機器人的推廣使用。本文站通過虛擬,}汁的方法，利用計算機三維仿真技術(shù)，在solidworks2007軟件平臺下將伐根清理機器人行走底盤更換為常林股份有限公司生產(chǎn)的2L30H輪式裝載機底盤，并依據(jù)新底盤及機械連接臂的情況重新設(shè)計機器人與行走底盤機械臂的接口，利用COSMOSMotian2006軟件對模型進行了運動仿真，對新設(shè)計的接門和機械臂進行了仿真運動測試及參數(shù)優(yōu)化，省去了設(shè)計制造樣機、進行反復(fù)試驗及修改設(shè)計的環(huán)節(jié)，大大縮短了研發(fā)周期，降低了研發(fā)費用，對新產(chǎn)品的開發(fā)具有重大意義。
1、伐根清理機器人和行走底盤的建模
1.1伐根清理機器人的三維建模
由于新型智能伐根清理機器人整體技術(shù)已經(jīng)十分成熟，所以這里直接利用伐根清理機器人零部件的CAM圖紙在SolidWorks2007軟件里逐一建模，將全部零部件分類裝配成箱體、抓具、切削簡和刀具四個主要裝配體。雖然本次建模并未要求對伐根清理機器人進行運動仿真，但為了今后的研究需要，還是按照能夠進行虛擬仿真運動的要求進行零部件裝配。其主要活動部分為旋切筒、機械抓手、機械抓手液壓缸、箱體液壓馬達及其帶動的齒輪組。伐根清理機器人總裝配時，以箱體為基礎(chǔ)進行虛擬樣機模型裝配，先插人箱體裝配體作為固定件，然后按照自上向下的設(shè)計原則，依次插入其他裝配體，在SolidWorks2007下三維建模的效果圖如圖1所示。
1.2行走底盤的三維建模
新的行走底盤選用的是常林股份有限公司的Z130H型輪式裝載機的底盤，該型底盤具有尺寸適中、輪距大、行駛穩(wěn)定、越障能力強〔最大越障高度為1030mm )、爬坡能力強(最大爬坡度)450)等特點。其鏟斗最大裝載質(zhì)量達3000kg，鏟土挖掘.力96kN(原用底盤WY-60型挖掘機機械臂的最大挖掘力100kN),動臂最大舉高2850mm,因此該底盤更符合作業(yè)要求。在進行三維建模時充分發(fā)揮Solidworks2007軟件幾何約束和尺寸驅(qū)動等參數(shù)化特征建模的設(shè)計功能，利用底盤的實際尺寸直接進行三維建模，這樣大大節(jié)省了建模時間，建模過程效果直觀，且SolidWorks2007軟件對特征的智能識別能力強，支持鼠標(biāo)動態(tài)拖動，能夠?qū)崟r直觀地查看各關(guān)節(jié)的自由度和活動特征，這些都為日后進行動態(tài)仿真做好了前期的準(zhǔn)備工作。由于底盤建模的主要目的是在設(shè)計中表現(xiàn)整體的效果，所以在底盤建模時對不必要的特征作了簡化，最終的建模效果圖見圖2。
1.3機械手臂的三維建模
采用新的行走底盤后，原有的機械手臂變化較大，但主要是結(jié)構(gòu)卜的變化。原來的機械手臂是具有六自由度的單臂開鏈?zhǔn)搅B桿機構(gòu)，而現(xiàn)在的工作裝置則是由運動相互獨立的連桿工作裝置和動臂舉升工作裝置兩部分構(gòu)成，可看作是反轉(zhuǎn)的六連桿機構(gòu)，因此，按照設(shè)計要求，去掉原有鏟斗后，將控制鏟斗的轉(zhuǎn)斗液壓缸作了調(diào)整，使之成為正轉(zhuǎn)的六連桿機構(gòu)，并增加了新的連接桿、支撐架和連接頭(三者構(gòu)成機器人手腕部分)。在完成裝配后，通過鼠標(biāo)拖動各機械臂觀察各自的活動性能，初步證實其活動自由度能夠滿足伐根清理機器人對機械手臂控制功能的基本要求。設(shè)計建模過程中，為保證今后生產(chǎn)的經(jīng)濟性，原來的前車架、動臂、動臂液壓缸和轉(zhuǎn)斗液壓缸均未改動，只有搖臂和拉桿根據(jù)伐根清理機器人的控制要求作了修改，其活動和控制能力將在虛擬仿真過程中加以驗證。改進后的機械手臂總裝效果圖見圖3。
1.4機器人模型的整體總裝
完成各部分主要裝配體的裝配后，在軟件平臺上建立一個單獨的裝配體文件，以底盤裝配體為主體先行插入固定不動，然后依次插入機器人機械手臂工作裝置裝配體和伐根清理機器人裝配體，同時調(diào)整好各部分的位置和姿態(tài)，使之處于工作初始狀態(tài)(行駛狀態(tài))。
對于要求具有活動能力的連接處，利用標(biāo)準(zhǔn)件建立相應(yīng)的連接銷軸，單獨進行配合裝配，裝配時嚴格要求軸孔的同心度，否則無法實現(xiàn)仿真運動，同時這也是對整個機構(gòu)設(shè)計的檢驗過程。如果尺寸設(shè)汁不合理，零部件之間將會配合不上或因相互約束而被定義鎖死，這與采用物理樣機試驗所產(chǎn)生的結(jié)果基本吻合，由此也就避免了物理樣機試驗造成的材料和時間的浪費。經(jīng)裝配調(diào)整后。新的伐根清理機器人整體建模效果圖如圖4所示。
2伐根清理機器人整體工作裝置的虛擬運動仿真
工作裝置的運動仿真主要是指模擬工作裝置的每一運動時刻，其各個機構(gòu)根據(jù)幾何約束關(guān)系，呈現(xiàn)在空間的位置及狀態(tài)，由此驗證其設(shè)計的合理性。COSMOSMotion2006軟件是與SolidWorks軟件無縫集成的CAE應(yīng)用插件，是一個全功能運動仿真軟件。其可用于建立運動機構(gòu)模型，進行機構(gòu)的干涉分析，跟蹤零件的運動軌跡，分析機構(gòu)中零件的速度、加速度、作用力和力矩等，并可用動畫、圖形、表格等多種形式輸出結(jié)果，其分析結(jié)果可指導(dǎo)修改零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和調(diào)整零件的材料。設(shè)計的更改可以實時地反映到裝配體模型中，重新進行分析后再進行修改，直至確定最終的優(yōu)化方案。
伐根清理機器人工作裝置的運動是由動臂液壓缸和機器人手腕液壓缸(原轉(zhuǎn)斗液壓缸)分別馭動的，按照伐根清理機器人的工作要求，機器人的工作分行駛、抓根、旋切進給和拔根提起四個主要狀態(tài)。其運動仿真原理為:設(shè)l、m分別為動臂液壓缸伸縮臂和機械手腕液壓缸伸縮臂的移動距離，與裝載機初始狀態(tài)不同的是，初始狀態(tài)下動臂是處于提升狀態(tài)的，原因是機器人的高度要遠大于鏟斗的高度，所以機器人的底部應(yīng)離開地面一定的距離，以避免行駛時碰到障礙物。依據(jù)機器人的工作狀態(tài)來設(shè)定l、m變化值，以0為界，大于0時代表液壓臂伸出，小于0時則代表其收回。實際工作中l(wèi)是隨m變化的，即動臂和機械手臂是聯(lián)動的，聯(lián)動的原則是機器人的中軸線必須與伐根的中軸線重合，這樣才能保證旋切筒能夠準(zhǔn)確地罩在伐根上。l變化改變的是機器人的垂直高度，m變化改變的則是機器人中軸線與伐根中軸線的角度。按照以上原理，機器人的分解運動仿真設(shè)定原則如下(以伐根所在地表為水平地面為例)。
①行駛狀態(tài):l、m為0(為減小機器人碰撞的幾率，必要時可將機器人靠向車體方向收回一定角度，以增加機器人的離地間隙)。
②抓根狀態(tài)：l減小、m增大，動臂下降，機械手腕液壓臂仲長調(diào)整機器人中軸線與伐根中軸線的角度，至機器人將伐根七部罩住，兩軸線重合為止。
③旋切進給狀態(tài):此時機器人旋切筒轉(zhuǎn)動，旋切刀開始切割伐根的側(cè)根，l進一步減小降低機器人的高度，m也進一步增大保持兩軸的重合，至側(cè)根全部被切斷為止。
④拔根提起狀態(tài):夾緊液壓缸啟動后，四個機械抓夾緊伐根，此時l開始逐漸增大，動臂提升機器人將伐根拔出，m將根據(jù)實際情況適時調(diào)整。因為此時伐根大部分已在旋切筒內(nèi)，所以依靠行走地盤將m值側(cè)重于保持機器人的穩(wěn)定，最后依靠行走底盤將伐根送到指定地點歸堆或裝車。整個仿真運動的實時效果見圖5。
3伐根清理機器人各工作狀態(tài)極限位置的參數(shù)測量
利用SolidWorks2007提供的測量工具，可以準(zhǔn)確地測量設(shè)計需要的參數(shù)，通過這些參數(shù)與實際工作要求的參數(shù)進行比較，并根據(jù)比較結(jié)果實時地修改設(shè)計參數(shù)以滿足實際工作需要。
行駛狀態(tài)，機器人可根據(jù)路況適當(dāng)調(diào)整高度和角度，避免因碰撞障礙物而損壞機器人。在抓根和旋切進給狀態(tài)，按照機器人的工作要求，以大興安嶺地區(qū)的落葉松、樺樹等伐根形狀和根系分布的數(shù)據(jù)為依據(jù)(大興安嶺地區(qū)的落葉松、樺樹等伐根形狀為三角形和五角形，根系分布為片狀，沒有中央主根)，主側(cè)根即為主根，人土20-30cm后則向伐根周圍分布(因再往下就是巖石)，伐根徑級在25-5Ocm時主側(cè)根徑級平均為10-20cm，長度平均為200-300cm。根據(jù)采伐規(guī)程要求，伐根高度應(yīng)離地6cm。鑒于此，該樣機的旋切筒能切人土層的最大深度達到40cm即可。但在實際上，可根據(jù)不同需要加大旋切筒的入土深度和改變旋切筒的直徑來滿足對不同徑級伐根的作業(yè)要求，同時也能促進機器人的系列化和通用化。通過對整體模?}")在這兩個狀態(tài)下機器人相應(yīng)參數(shù)的測量表明，整套裝置完全滿足設(shè)針要求(以地表為水平，機器人在動臂的控制下最大降很高度為5O0mm,最大提升高度為2000mm )。且通過鼠標(biāo)拖動可知，在液壓缸工作允許范圍內(nèi)，適當(dāng)修改液壓缸伸縮行程或更換不同型號液壓缸即可滿足對不同地區(qū)、不同樹種伐根清理的要求。利用C05MOSMotion2006仿真運動時的"碰撞干涉檢查"功能提供的碰撞千涉部位，通過對機械手臂和接日的測量，分析其產(chǎn)生碰撞干涉的原因，實時修改設(shè)計參數(shù)，然后重做運動仿真，直至沒有碰撞于涉為止，由此既可達到優(yōu)化設(shè)計的目的，SolidWorks2007也將自動更新其零件庫和裝配模型。
4結(jié)束語
綜上所述，在充分利用SolidWorks2007強大的參數(shù)化特征建模功能和蘭維動態(tài)裝配技術(shù)，結(jié)合COSMdSMution 2000運動力學(xué)仿真功能，實現(xiàn)了伐根清理機器人在采用新的行走底盤后整套工作裝置參數(shù)化特征建模和三維動態(tài)運動仿真。從整個虛擬設(shè)計和運動仿真的過程中可以看出，通過在計算機軟件平臺下對整套裝置的設(shè)計和仿真分析，能夠及時地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，并根據(jù)分析結(jié)果進行實時改進，為以后利用更加專業(yè)的力學(xué)分析軟件進一步分析機構(gòu)的工作原理和性能、再次優(yōu)化改進作好準(zhǔn)備，也為進行物理樣機的試制提供了試驗依據(jù)，可顯著地縮短研發(fā)周期，降低設(shè)計成本.一次建模分析加上數(shù)據(jù)材料的收集總共用時不到兩周，其工作效率提高非常明顯。實踐證明，本次建模與運動仿真分析具有實際的指導(dǎo)意義，有助于伐根清理機器人的進一步改制推廣。
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