樊桂菊 李 釗 毛文華 婁 偉 梁 昭 姜紅花

(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 泰安 271018； 2.山東省農(nóng)業(yè)裝備智能化工程實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018；3.山東省園藝機(jī)械與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 泰安 271018； 4.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083；5.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 泰安 271018)

0 引言

水果種植屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)。為降低剪枝、疏花疏果、采摘等作業(yè)環(huán)節(jié)的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，學(xué)者們研制了多種類(lèi)型輔助人工操作的果園作業(yè)平臺(tái)[1-4]，根據(jù)升降機(jī)構(gòu)的不同，作業(yè)平臺(tái)可分為剪叉式和臂式。水果種類(lèi)繁多，各地種植模式不同[5]，果園作業(yè)平臺(tái)的工作空間直接影響其適用性。因此，開(kāi)展基于工作空間的果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究對(duì)其推廣應(yīng)用具有重要意義。

針對(duì)考慮工作空間的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，吳超宇等[6]以提出的全局混合性能指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，利用粒子群算法優(yōu)化得到直線驅(qū)動(dòng)型并聯(lián)機(jī)器人的最優(yōu)尺寸參數(shù)。權(quán)龍哲等[7]以包容目標(biāo)工作空間及桿長(zhǎng)因素為目標(biāo)，采用遺傳算法優(yōu)化立體苗盤(pán)管理機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)。丁淵明等[8]提出以工作空間和能量消耗綜合指標(biāo)為目標(biāo)函數(shù)，使用遺傳算法優(yōu)化機(jī)械臂結(jié)構(gòu)參數(shù)。孫小勇等[9]通過(guò)分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)工作空間的影響確定了結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化范圍，利用fminimax函數(shù)求解得到優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

基于工作空間的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化主要集中在機(jī)器人或機(jī)械臂等方面，針對(duì)果園機(jī)械的相關(guān)研究較少。本文基于已研制的果園作業(yè)平臺(tái)，以喬砧密植的紡錘形蘋(píng)果種植模式確定其目標(biāo)工作空間，采用網(wǎng)格迭代算法計(jì)算可達(dá)工作空間體積，分析平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其空間性能的影響規(guī)律，建立以空間性能和結(jié)構(gòu)緊湊為指標(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，利用遺傳算法求解最優(yōu)參數(shù)，并通過(guò)仿真與試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以期提高果園作業(yè)平臺(tái)的適用性和可操作性。

1 果園作業(yè)平臺(tái)工作空間分析

1.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

前期研制的果園作業(yè)平臺(tái)主要由動(dòng)力裝置、行走機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)和控制系統(tǒng)等組成，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)升降、旋轉(zhuǎn)和坡地調(diào)平等功能。其結(jié)構(gòu)、工作原理和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程見(jiàn)文獻(xiàn)[10]，但未考慮操作人員在工作臺(tái)的左右和前后移動(dòng)。為更好地描述平臺(tái)可操作性和各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，將原參考點(diǎn)在豎直方向上移動(dòng)至成人肩高[11]位置作為平臺(tái)執(zhí)行末端參考點(diǎn)，建立D-H坐標(biāo)系[12-13]，如圖1所示。其中，l1～l5為各桿長(zhǎng)度，分別為964、812、210、900、680 mm。各參數(shù)如表1所示，表中αi、ai、di、θi(i為關(guān)節(jié)編號(hào)，i=1,2,…,6)分別表示連桿轉(zhuǎn)角、連桿長(zhǎng)度、連桿偏移和關(guān)節(jié)角。d5min為工作臺(tái)鉸接點(diǎn)安裝距離，為70 mm；d6max與d6min互為相反數(shù)，使工作臺(tái)關(guān)于橫梁對(duì)稱(chēng)以保持平衡。其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為

(1)

其中

P=[pxpypz]T

式中R——姿態(tài)矩陣P——位置矩陣

n、o、a、p——關(guān)于θi與di的函數(shù)

O——零矩陣

表1 果園作業(yè)平臺(tái)D-H參數(shù)Tab.1 D-H parameter of orchard platform

1.2 目標(biāo)工作空間

果園作業(yè)平臺(tái)的目標(biāo)工作空間是其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的重要依據(jù)，與果園地形、果樹(shù)種類(lèi)和種植模式密切相關(guān)。而我國(guó)果樹(shù)種類(lèi)繁多，種植模式各異，為使作業(yè)平臺(tái)能夠靈活、高效地在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行升降、旋轉(zhuǎn)和調(diào)平等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)輔助人工完成剪枝、疏花疏果、套袋及果實(shí)采摘等作業(yè)環(huán)節(jié)，結(jié)合作業(yè)平臺(tái)的通用性，本文以種植面積位居前列的蘋(píng)果為研究對(duì)象，目前其種植模式仍以喬砧密植為主，樹(shù)形多為紡錘形[14-15]，株距為3～4 m，行距4～5 m，株高為2.8～3.5 m，主干高度為0.6～1.0 m，冠徑為1.4～3.0 m。以O(shè)0為坐標(biāo)原點(diǎn)，X軸為行距方向，Y軸為平臺(tái)前進(jìn)方向，Z軸為株高方向，平臺(tái)參考點(diǎn)的目標(biāo)工作空間如圖2所示。其中，陰影部分為平臺(tái)參考點(diǎn)的目標(biāo)工作空間；Dtx、Dty、Dtz分別表示目標(biāo)工作空間在X、Y、Z方向范圍，分別為[-((L0-Ld)/2-Lr)，(L0-Ld)/2-Lr]、(0，D0/2-Lr]、[Hr+Lr，Hs-Lr]，其中L0為行距，Ld為冠徑，D0為株距，Hr為成人肩高，Hs為株高，Lr為成人掌心與肩膀距離。

為使平臺(tái)最大限度地滿足作業(yè)需求，各參數(shù)取值為：L0、D0、Hs分別取最大值，冠徑取最小值，由文獻(xiàn)[11]可知，成人掌心與肩膀距離取0.5 m，肩高取1.4 m。得目標(biāo)工作空間在X、Y、Z方向范圍分別為：Dtx為[-1 300 mm,1 300 mm]、Dty為(0,1 500 mm]、Dtz為[1 900 mm,3 000 mm]。

1.3 可達(dá)工作空間

平臺(tái)參考點(diǎn)的可達(dá)工作空間指在各關(guān)節(jié)約束下參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程所有解的集合。本文采用改進(jìn)的蒙特卡洛法[10]得到其工作空間點(diǎn)云圖，如圖3所示。由圖3可知，參考點(diǎn)可達(dá)工作空間在X、Y、Z方向范圍分別為：Drx為[-1 781 mm,1 802 mm]、Dry為[-730 mm,1 819 mm]、Drz為[1 190 mm,2 917 mm]。

2 可達(dá)工作空間性能指標(biāo)

2.1 工作空間尺寸偏差

由上文可知，作業(yè)平臺(tái)參考點(diǎn)的可達(dá)工作空間與目標(biāo)工作空間存在偏差，X方向和Y方向偏差可以通過(guò)調(diào)整平臺(tái)底盤(pán)位置消除，因此本文僅研究Z方向偏差。

對(duì)比圖2和圖3，為保證操作人員對(duì)兩行果樹(shù)有效作業(yè)，以μz1和μz2描述平臺(tái)工作空間尺寸偏差，計(jì)算式為

(2)

式中Zr1max、Zr1min——X為-1 300 mm時(shí)可達(dá)工作空間中Z的最大值、最小值，mm

Zr2max、Zr2min——X為1 300 mm時(shí)可達(dá)工作空間中Z的最大值、最小值，mm

Ztmax、Ztmin——目標(biāo)工作空間在Z方向的最大值、最小值，mm

2.2 工作空間體積

工作空間體積[16]是表述作業(yè)平臺(tái)工作能力的重要參數(shù)。為得到較高精度的空間體積，本文采用網(wǎng)格迭代算法[17]。設(shè)某子網(wǎng)格編號(hào)為Numi，其相鄰網(wǎng)格編號(hào)如圖4所示，算法流程如圖5所示。

通過(guò)多次迭代計(jì)算平臺(tái)參考點(diǎn)的工作空間體積，體積迭代差計(jì)算式為

(3)

式中Vj、Vj-1——第j、j-1次迭代工作空間體積，m3

以體積迭代差ε≤0.1%為體積收斂標(biāo)準(zhǔn)。圖6為工作空間體積迭代變化曲線，第16次迭代時(shí)體積迭代差為0.045%，故取工作空間體積為4.26 m3。

2.3 平均可操作度

為量化作業(yè)平臺(tái)在X、Y、Z方向的運(yùn)動(dòng)能力，以平臺(tái)可操作性作為評(píng)價(jià)參數(shù)。目前關(guān)于機(jī)器人可操作性的研究方法主要有：基于雅可比矩陣、基于Hessian矩陣和基于剛度矩陣[18-20]，其中由于雅可比矩陣代表了機(jī)器關(guān)節(jié)空間的微分運(yùn)動(dòng)向操作空間的微分運(yùn)動(dòng)之間的映射轉(zhuǎn)換，而被廣泛應(yīng)用。因此，本文在平臺(tái)參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)雅可比矩陣，計(jì)算式為

(4)

其中

D=[dxdydzδxδyδz]TJ=[J1J2J3J4J5J6]Θ=[θ1θ2θ3θ4d5d6]T

(5)

式中D——參考點(diǎn)沿X、Y、Z軸的微分平移和繞X、Y、Z軸的微分旋轉(zhuǎn)矩陣

J——雅可比矩陣Θ——關(guān)節(jié)空間

基于雅可比矩陣有多種指標(biāo)可以描述平臺(tái)可操作性，其中可操作度κ考慮了機(jī)構(gòu)執(zhí)行末端的各方向運(yùn)動(dòng)能力而優(yōu)于其他指標(biāo)[21]，計(jì)算式為

(6)

式中λi——矩陣JJT的特征值

由式(4)、(6)可知，當(dāng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)給定后，可操作度隨平臺(tái)參考點(diǎn)空間位置變化而不同，為描述作業(yè)平臺(tái)在工作空間的全局操作性能，引入平均可操作度τ，計(jì)算式為

(7)

其中Ω={(x,y,z)|x∈Drx,y∈Dry,z∈Drz}

式中Vi——平臺(tái)可達(dá)工作空間子網(wǎng)格空間體積，m3

V——平臺(tái)可達(dá)工作空間體積，m3

Ω——平臺(tái)可達(dá)工作空間范圍，m

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)可達(dá)工作空間性能的影響

通過(guò)分析果園作業(yè)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和其工作空間，影響其空間性能的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要是桿長(zhǎng)和關(guān)節(jié)變量(關(guān)節(jié)角和連桿偏移)。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及作業(yè)要求，主要分析桿2、4長(zhǎng)度，關(guān)節(jié)1、3關(guān)節(jié)角，以及關(guān)節(jié)5、6連桿偏移對(duì)空間性能的影響規(guī)律。

2.4.1桿長(zhǎng)

保持關(guān)節(jié)變量和桿1、3、5長(zhǎng)度不變，桿2、4長(zhǎng)度在0～1 600 mm之間變化，通過(guò)蒙特卡洛方法多次模擬可達(dá)工作空間，由2.1～2.3節(jié)分別得桿2、4對(duì)可達(dá)工作空間尺寸偏差μz1和μz2、體積V及平均可操作度τ的影響，如圖7所示。

由圖7可知，桿2、4對(duì)μz1和μz2影響趨勢(shì)一致，桿2影響更大：當(dāng)桿2長(zhǎng)度約為950、960 mm時(shí)，μz1和μz2最小，分別為42.82、40.05 mm；當(dāng)桿4長(zhǎng)度約為800、810 mm時(shí)，μz1和μz2最小，分別為260.49、258.97 mm；桿2對(duì)V和τ影響較小，桿4對(duì)V和τ影響較大且呈正相關(guān)。

2.4.2關(guān)節(jié)變量

保持桿長(zhǎng)和關(guān)節(jié)2、4關(guān)節(jié)角不變，關(guān)節(jié)1、3的關(guān)節(jié)角分別在[60°,300°]和[-130°,-50°]范圍內(nèi)變化；由表1可知，d5min為70 mm，|d6max|=|d6min|，故僅考慮d5max、d6max對(duì)工作空間的影響，關(guān)節(jié)5、6的連桿偏移最大值在[0,1 200 mm]范圍內(nèi)變化。得關(guān)節(jié)1、3的關(guān)節(jié)角和關(guān)節(jié)5、6的連桿偏移對(duì)可達(dá)工作空間性能的影響，如圖8～10所示。

由圖8～10可知，θ1對(duì)μz1、μz2影響較小，當(dāng)θ3為-111°～-63°時(shí)，μz1和μz2最小，分別為62.18、54.74 mm；θ1與θ3對(duì)V影響較大，對(duì)τ影響較小但均呈正相關(guān)。當(dāng)d5max大于700 mm時(shí)，μz1和μz2基本不再變化；當(dāng)d6max大于800 mm時(shí)，μz1和μz2基本不再變化；d5max對(duì)V和τ均影響較大呈正相關(guān)；d6max對(duì)V影響較大呈正相關(guān)，對(duì)τ影響較小呈負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化模型

針對(duì)復(fù)雜的果園作業(yè)環(huán)境空間，為使作業(yè)平臺(tái)能夠安全可靠地完成動(dòng)作，在能夠滿足目標(biāo)工作空間的作業(yè)要求下，執(zhí)行升降、旋轉(zhuǎn)和調(diào)平任務(wù)時(shí)更加靈活、高效，可達(dá)工作空間與目標(biāo)工作空間的尺寸偏差應(yīng)盡量小，空間體積和平均可操作度應(yīng)盡量大。因此可達(dá)工作空間性能目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為

(8)

式中w——待優(yōu)化參數(shù)矩陣

同時(shí)，為使作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)更加緊湊，在滿足目標(biāo)工作空間作業(yè)任務(wù)前提下，平臺(tái)結(jié)構(gòu)尺寸和關(guān)節(jié)變量應(yīng)盡量小，即總桿長(zhǎng)和關(guān)節(jié)變量總和應(yīng)盡量小。因此結(jié)構(gòu)緊湊目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)為

(9)

式中ζ1、ζ2——量綱統(tǒng)一系數(shù)

根據(jù)2.4節(jié)的分析和上述目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)涉及的變量可得出平臺(tái)待優(yōu)化的參數(shù)為桿2、4長(zhǎng)度，關(guān)節(jié)1、3關(guān)節(jié)角范圍和關(guān)節(jié)5、6連桿偏移范圍，用矩陣w表示為

w=[l2l4θ1maxθ1minθ3maxθ3mind5maxd6max]T

(10)

綜上所述，作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化函數(shù)共有6個(gè)子目標(biāo)，8個(gè)待優(yōu)化參數(shù)，屬于多元多目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，引入比例因子和權(quán)重，將其變?yōu)閱文繕?biāo)優(yōu)化函數(shù)；由圖7～10得到待優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)范圍作為約束條件，優(yōu)化模型為

(11)

其中

∑ηi=1

式中fi(w)——各子目標(biāo)函數(shù)

F(w)——總目標(biāo)函數(shù)

si——比例因子ηi——權(quán)重

3.2 優(yōu)化過(guò)程

根據(jù)平臺(tái)原有結(jié)構(gòu)和實(shí)際作業(yè)需求，對(duì)優(yōu)化模型的各指標(biāo)設(shè)定適當(dāng)?shù)谋壤蜃雍蜋?quán)重。

3.2.1比例因子

工作空間尺寸偏差越小越好，考慮優(yōu)化精度和實(shí)際作業(yè)情況，其比例因子取10 mm；工作空間體積、平均可操作度及結(jié)構(gòu)參數(shù)指標(biāo)的比例因子均以原樣機(jī)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別按照前述對(duì)應(yīng)內(nèi)容計(jì)算求解，結(jié)果如表2所示。

表2 子目標(biāo)函數(shù)指標(biāo)權(quán)重及比例因子Tab.2 Index weight and scale factor of sub-objective function

3.2.2權(quán)重

基于果園種植模式和優(yōu)化模型，在能夠完成作業(yè)任務(wù)的前提下，考慮農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合和人機(jī)工程學(xué)，各指標(biāo)權(quán)重確定原則如下：①空間性能指標(biāo)較結(jié)構(gòu)緊湊指標(biāo)更為重要。②在空間性能指標(biāo)中，工作空間尺寸偏差最重要，μz1、μz2為同一性質(zhì)優(yōu)化指標(biāo)，二者同等重要。③為保證平臺(tái)靈活高效地完成執(zhí)行動(dòng)作，平均可操作度較工作空間體積更為重要。④通過(guò)分析圖8～10中桿長(zhǎng)和關(guān)節(jié)變量對(duì)工作空間尺寸偏差的影響，前者大于后者，因此桿長(zhǎng)較關(guān)節(jié)變量重要。

以工作空間性能和結(jié)構(gòu)緊湊為一級(jí)指標(biāo)，6個(gè)子目標(biāo)函數(shù)為二級(jí)指標(biāo)。在上述原則前提下，采用德?tīng)柗品╗22]征詢相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙庖?jiàn)，同時(shí)結(jié)合層次分析法[23-24]的分析計(jì)算，最終確定各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重。以空間性能(A1)為準(zhǔn)則的二級(jí)指標(biāo)μz1(B11)、μz2(B12)、V(B13)和τ(B14)為例，其步驟如下：

(1)將專(zhuān)家對(duì)各指標(biāo)重要性評(píng)分匯總，依據(jù)判斷矩陣標(biāo)度[25]對(duì)指標(biāo)B11～B14進(jìn)行兩兩判斷，構(gòu)造出判斷矩陣EA1，計(jì)算式為

(12)

(2)將上述矩陣每一行元素相乘得積為PA1i，對(duì)其歸一化處理，即得權(quán)重ηA1i計(jì)算式為

(13)

(3)為保證專(zhuān)家對(duì)指標(biāo)B11～B14重要程度的判斷一致，以一致性比率CR檢驗(yàn)判斷矩陣的一致性，計(jì)算式為

(14)

式中RI——隨機(jī)指標(biāo)，判斷矩陣4階時(shí)RI取0.89[26]

根據(jù)以上步驟，將判斷矩陣EA1和權(quán)重ηA1代入式(14)，得CR=0.057<0.1，即判斷矩陣通過(guò)一致性檢驗(yàn)，ηA1=[0.355 0.355 0.135 0.155]T。

同理，按上述步驟計(jì)算其余指標(biāo)權(quán)重，結(jié)果如表2所示。

3.3 優(yōu)化結(jié)果

將表2的數(shù)據(jù)代入式(11)，并將其編譯為適應(yīng)Matlab遺傳算法工具箱的適應(yīng)度函數(shù)，將優(yōu)化模型的約束條件編譯為適應(yīng)于算法工具箱的區(qū)域描述器。設(shè)置初始種群個(gè)體數(shù)目為40，遺傳代數(shù)為200，交叉概率為0.7，變異概率為0.007。運(yùn)行算法得到適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)化曲線如圖11所示。

由圖11可知，適應(yīng)度函數(shù)約在第50代收斂?？紤]實(shí)際加工因素，規(guī)整優(yōu)化參數(shù)，如表3所示。

將優(yōu)化前后參數(shù)代入運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，模擬可達(dá)工作空間，分別計(jì)算其空間性能指標(biāo)、總桿長(zhǎng)和關(guān)節(jié)變量總和，結(jié)果如表4所示。

表3 優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of structural parameters before and after optimization

表4 優(yōu)化前后指標(biāo)對(duì)比Tab.4 Comparison of index before and after optimization

由表4可知，優(yōu)化后可達(dá)工作空間最大偏差僅為12.33 mm，平均可操作度提高1.43%，表明優(yōu)化后更接近目標(biāo)工作空間，且操作更靈活。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)條件

4.1.1試驗(yàn)準(zhǔn)備

基于優(yōu)化后的果園作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)改進(jìn)樣機(jī)，于2020年7月在山東農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝實(shí)驗(yàn)基地果園(圖12)進(jìn)行工作空間試驗(yàn)。該果園為喬砧密植蘋(píng)果園，樹(shù)形為自由紡錘形，株行距為2 m×3 m，平均株高約為3.5 m，試驗(yàn)人員肩高為1.41 m，體質(zhì)量為65 kg。

試驗(yàn)儀器包括：直川電子科技有限公司ZCT 230M型傾角儀，Panasonic公司HG-C1100型激光位移傳感器，杰科斯JK-100F系列土壤水分儀，史丹利STHT 36191-23型鋼卷尺和李寧AQAP322型秒表等。

4.1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以D-H坐標(biāo)原點(diǎn)為實(shí)際坐標(biāo)系原點(diǎn)，工作臺(tái)保持水平，以平臺(tái)承載質(zhì)量、橫坡坡度及縱坡坡度為影響因素進(jìn)行工作空間尺寸偏差測(cè)量試驗(yàn)，設(shè)計(jì)三因素三水平試驗(yàn)，如表5所示。

表5 試驗(yàn)因素水平Tab.5 Factors and levels

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

(k=1,2;i=1,2,…,9)

(15)

(16)

式中y′ik——第k項(xiàng)指標(biāo)第i指標(biāo)值的評(píng)分

yik——第k項(xiàng)指標(biāo)的第i指標(biāo)實(shí)測(cè)值

yMk、ymk——第k項(xiàng)指標(biāo)最大、最小實(shí)測(cè)值

Rk——第k項(xiàng)指標(biāo)的實(shí)測(cè)值極差

ηk——第k項(xiàng)指標(biāo)的權(quán)重，由表2給出

表6 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.6 Test scheme and result

5 結(jié)論

(1)在果園作業(yè)平臺(tái)前期研究基礎(chǔ)上，結(jié)合農(nóng)機(jī)農(nóng)藝融合確定了其目標(biāo)工作空間，采用網(wǎng)格迭代算法求取可達(dá)工作空間體積，以工作空間尺寸偏差、工作空間體積和平均可操作度描述可達(dá)工作空間性能，分析了平臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)桿長(zhǎng)、關(guān)節(jié)角和連桿偏移對(duì)可達(dá)工作空間性能的影響。

(2)建立了以可達(dá)工作空間性能和結(jié)構(gòu)緊湊為目標(biāo)的優(yōu)化模型，通過(guò)引入各指標(biāo)比例因子和權(quán)重轉(zhuǎn)換為單目標(biāo)函數(shù)，利用遺傳算法求解得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為：桿2和桿4的長(zhǎng)度分別為988、879 mm，關(guān)節(jié)1、3的關(guān)節(jié)角范圍分別為[107°,256°]、[-118°,-76°]，關(guān)節(jié)5、6的連桿偏移最大值分別為720、340 mm。優(yōu)化后工作空間尺寸偏差分別減小96.09%、95.60%，平均可操作度增加1.43%，表明優(yōu)化后更接近目標(biāo)工作空間，且操作更靈活。

(3)進(jìn)行了不同承載質(zhì)量、不同坡度下的優(yōu)化樣機(jī)實(shí)地果園工作空間試驗(yàn)，當(dāng)平臺(tái)承載質(zhì)量65 kg、橫坡坡度15°、縱坡坡度15°時(shí)，實(shí)際工作空間尺寸偏差最大值僅為16.7 mm，較原型減小了93.76%。