(1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 廣西南寧530004;2.廣西大學(xué)機(jī)械工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心， 廣西南寧530004)

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)虛擬仿真技術(shù)及其軟硬件技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)有的臨境性、交互性、想象性和實(shí)效性得到人們的普遍認(rèn)可，在許多實(shí)際領(lǐng)域都獲得運(yùn)用，輔助各領(lǐng)域各行業(yè)的科研及生產(chǎn)實(shí)踐工作，如虛擬施工、虛擬裝配及維修等。虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芡ㄟ^計(jì)算機(jī)模擬由實(shí)物實(shí)驗(yàn)所獲得的已知規(guī)律，但無法模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)可能出現(xiàn)的某些異?，F(xiàn)象和故障，故虛擬實(shí)驗(yàn)并不能完全代替實(shí)物實(shí)驗(yàn)。而硬件在環(huán)仿真是將純虛擬仿真系統(tǒng)中的某一部分用實(shí)體代替，并通過數(shù)據(jù)通訊的方式融入到原系統(tǒng)中，解決了純虛擬仿真不足之處。如首先在計(jì)算機(jī)上搭建機(jī)械結(jié)構(gòu)的三維虛擬模型，通過構(gòu)建虛擬仿真模型和外部真實(shí)控制器之間的通信橋梁，實(shí)現(xiàn)控制器真實(shí)I/O對(duì)虛擬模型對(duì)象的測試與控制。硬件在環(huán)仿真技術(shù)在復(fù)雜機(jī)電設(shè)備及電子控制單元的研發(fā)過程中占據(jù)著越來越重要的地位，它提供了一種靈活高效、高可重構(gòu)性、低成本、低風(fēng)險(xiǎn)的仿真方法，能有效減少實(shí)體試驗(yàn)的次數(shù)，縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間[1]。

圖1 結(jié)合硬件在環(huán)的產(chǎn)品開發(fā)過程
Fig.1 Product development process with hardware-in-the-loop

圖1所示為結(jié)合硬件在環(huán)的產(chǎn)品開發(fā)過程。由CAD 工程軟件如Solidworks、Pro/Engineer、Inventor等完成設(shè)備樣本模型及制造工藝模型，并導(dǎo)入Virtual Universe Pro(以后簡稱VUP)軟件平臺(tái)，然后對(duì)仿真對(duì)象進(jìn)行動(dòng)作定義以及I/O 端口配置。為對(duì)VUP中的模型進(jìn)行控制，可以選擇直接在VUP中進(jìn)行編程控制，也可以使用外部實(shí)物PLC 如西門子、施耐德等進(jìn)行控制，此外還可以用外部嵌入式單片機(jī)進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)人員在三維交互的虛擬環(huán)境下對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行測試，實(shí)時(shí)模擬設(shè)備運(yùn)行過程，使得控制系統(tǒng)及其程序能夠比機(jī)構(gòu)樣機(jī)先一步完成開發(fā)調(diào)試，同時(shí)，通過實(shí)際的控制器對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)存在缺陷的地方可以及時(shí)在電腦上修改完善，使得研究的效率和安全性大幅提升，研發(fā)成本極大縮減[2-6]。

目前綠籬樹木的整形修剪主要通過人工手持油鋸或修枝剪完成，其工作效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大，振動(dòng)噪聲大，對(duì)作業(yè)人員的身體傷害大，因此，市場對(duì)自動(dòng)化的綠籬苗木修剪整形機(jī)械設(shè)備需求巨大。本文作者結(jié)合硬件在環(huán)仿真技術(shù)研究一種兼?zhèn)渚G籬修剪、景觀苗木造型以及低位打草功能的綠籬苗木修剪機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)綠籬的水平、豎直及波紋面修剪以及對(duì)景觀苗木的球形、圓柱形、圓錐形等的幾何造型修剪。在VUP中搭建機(jī)械手的三維虛擬模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)際控制器對(duì)虛擬模型的硬件在環(huán)仿真，以提高仿真結(jié)果的真實(shí)性。

圖2 硬件在環(huán)的綠籬修機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 Architecture of hedge trimmer control system hardware-in-the-loop simulation platform

1 綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的總體構(gòu)思

硬件在環(huán)的綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)仿真平臺(tái)關(guān)鍵點(diǎn)在于解決虛擬仿真模型的構(gòu)建以及硬件控制器與仿真模型的數(shù)據(jù)傳遞問題[7-10]?；赩UP搭建的綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)主要由3個(gè)模塊構(gòu)成，即修剪機(jī)虛擬結(jié)構(gòu)模型、修剪機(jī)控制器實(shí)體和信號(hào)機(jī)接口設(shè)備，見圖2。

在VUP建立綠籬修剪機(jī)的三維虛擬機(jī)構(gòu)模型，設(shè)置機(jī)構(gòu)零件、組件間的裝配關(guān)系及運(yùn)動(dòng)關(guān)系，并設(shè)置機(jī)構(gòu)的動(dòng)力參數(shù)；建立用于仿真模型內(nèi)部狀態(tài)檢測的虛擬傳感器模型，如位置傳感器模型、測速傳感器模型等，當(dāng)檢測到相應(yīng)的狀態(tài)觸發(fā)或變化時(shí)，傳感器向外部提供觸發(fā)信號(hào)或狀態(tài)變化數(shù)據(jù)；建立仿真環(huán)境模型，如工作場景、重力參數(shù)、工作參數(shù)等[11]。

信號(hào)接口設(shè)備是虛擬模型和修剪機(jī)實(shí)際控制器之間通信的橋梁。對(duì)實(shí)際控制器而言，虛擬的機(jī)構(gòu)仿真模型等同于實(shí)際的受控機(jī)構(gòu)對(duì)象；而對(duì)虛擬機(jī)構(gòu)模型而言，實(shí)際的控制器起到仿真軟件中信號(hào)狀態(tài)發(fā)生器的功能[12-13]。硬件在環(huán)仿真平臺(tái)中，信號(hào)接口設(shè)備接收修剪機(jī)控制器輸出的運(yùn)動(dòng)控制信號(hào)，如各修剪機(jī)執(zhí)行元件動(dòng)力電機(jī)的控制信號(hào)，然后轉(zhuǎn)換成VUP能夠識(shí)別的數(shù)據(jù)格式并寫入VUP中相對(duì)應(yīng)的零件，實(shí)現(xiàn)外部CPU對(duì)VUP中虛擬結(jié)構(gòu)模型的運(yùn)動(dòng)；接收VUP中虛擬傳感器的觸發(fā)信號(hào)或狀態(tài)數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成修剪機(jī)控制器能夠直接識(shí)別的數(shù)據(jù)格式，傳輸給修剪機(jī)控制器，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際控制器與修剪機(jī)虛擬結(jié)構(gòu)模型的真實(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 綠籬修剪機(jī)的結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of hedge trimmer

2 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的搭建

2.1 綠籬修剪機(jī)械手基本組成

綠籬修剪機(jī)具備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)綠籬苗木的平面、波浪面、圓柱面、圓球面、圓錐面等形狀修剪的空間自由度及活動(dòng)范圍。圖3所示為綠籬修剪機(jī)械手的結(jié)構(gòu)示意圖，包括修剪刀具、刀架傾斜調(diào)整機(jī)構(gòu)、刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、伸縮機(jī)構(gòu)、刀架升降機(jī)構(gòu)、主升降機(jī)構(gòu)及旋轉(zhuǎn)底盤，具有5個(gè)自由度及6個(gè)活動(dòng)度。

旋轉(zhuǎn)底座是修剪機(jī)基體，其下端面與承載車連接，上端面與主升降機(jī)構(gòu)連接，旋轉(zhuǎn)底座能夠繞豎直方向回轉(zhuǎn)；主升降機(jī)構(gòu)包括內(nèi)臂和外臂，其外臂固定在旋轉(zhuǎn)底盤上，而內(nèi)臂可沿外臂內(nèi)的導(dǎo)軌做豎直方向的升降；伸縮機(jī)構(gòu)包括伸縮機(jī)構(gòu)內(nèi)臂和伸縮機(jī)構(gòu)外臂，其伸縮機(jī)構(gòu)外臂與主升降機(jī)構(gòu)內(nèi)臂固定連接，伸縮機(jī)構(gòu)內(nèi)臂可沿外臂的導(dǎo)軌做水平方向的伸縮；刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)安裝在伸縮機(jī)構(gòu)內(nèi)臂的前端，它使得修剪刀架能夠繞著豎直方向的旋轉(zhuǎn)軸作360°旋轉(zhuǎn)；刀架升降機(jī)構(gòu)也包括內(nèi)臂和外臂，其外臂固定安裝在刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上方，而內(nèi)臂穿過刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的中心孔，并可沿外臂內(nèi)的導(dǎo)軌做豎直方向的升降，從而使得修剪刀具跟隨上升或者下降；刀架傾斜調(diào)整機(jī)構(gòu)安裝在刀架升降機(jī)構(gòu)內(nèi)臂的下端，工作過程中其可以調(diào)整刀架的傾斜角度；作為修剪作業(yè)工作部件的修剪刀具安裝在刀架傾斜調(diào)整機(jī)構(gòu)的末端[14]。修剪機(jī)每個(gè)關(guān)節(jié)均設(shè)置正、反極限運(yùn)動(dòng)位置的限位開關(guān)。同時(shí)，為了避免修剪作業(yè)過程中修剪刀具過載導(dǎo)致工作阻力過大而損害機(jī)械手結(jié)構(gòu)，在伸縮機(jī)構(gòu)的末端與刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)間設(shè)置了過載防護(hù)機(jī)構(gòu)。綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)的作用是根據(jù)上位機(jī)發(fā)出的控制指令對(duì)機(jī)構(gòu)本體進(jìn)行控制，以完成園林和景觀造型的各種動(dòng)作。

2.2 仿真模型的建立

VUP是仿真的主體平臺(tái)，整個(gè)虛擬控制平臺(tái)的構(gòu)建工作都是在該仿真平臺(tái)上完成。若要使繪制的三維模型能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備的各種功能動(dòng)作，首先需要將三維制圖軟件(Solidworks、Pro/Engineer等)中的3D模型導(dǎo)入VUP中。本文基于常用的Solidworks軟件建立綠籬修剪機(jī)械手的三維零件模型，并完成虛擬裝配。將修剪機(jī)械手的三維模型轉(zhuǎn)為3DXML數(shù)據(jù)格式，在VUP中Monde層次下導(dǎo)入修剪機(jī)械手的模型，如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入VUP后的修剪機(jī)模型Fig.4 Hedge trimmer manipulator model after imported VUP

2.3 模型設(shè)置

①parent-son tree(父子級(jí)別關(guān)系)的設(shè)置

在實(shí)際的機(jī)械設(shè)備中，不同的機(jī)械零件根據(jù)其實(shí)際連接關(guān)系可以固定成一個(gè)整體，并一起完成相應(yīng)的動(dòng)作。在虛擬模型中，通過設(shè)置零部件的父子級(jí)別關(guān)系來實(shí)現(xiàn)主動(dòng)零部件與從動(dòng)零部件的整合，主動(dòng)件設(shè)置成parent(父級(jí))，而其他從動(dòng)的零部件設(shè)置成son(子級(jí))，將一起完成的動(dòng)作添加到父級(jí)，從而使得父子級(jí)零部件能夠完成共同的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作。在一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)中，正確地設(shè)置零部件間的父子級(jí)別關(guān)系可以使得模型的邏輯關(guān)系更為清晰，大大減少處理模型細(xì)節(jié)設(shè)置及調(diào)整的工作量[15-18]。各個(gè)父子級(jí)關(guān)系如圖5所示。

圖5 父子級(jí)別關(guān)系圖Fig.5 Parent-son tree diagram

②連接設(shè)置

VUP中為外部實(shí)際設(shè)備提供輸入/輸出信號(hào)的元件元會(huì)在外部連接器中對(duì)應(yīng)不同寄存器地址，而該寄存器地址又會(huì)在VUP軟件映射到相對(duì)應(yīng)的動(dòng)作。通過設(shè)置驅(qū)動(dòng)器類型，可以將VUP中的虛擬機(jī)器與外部實(shí)體控制器或者內(nèi)部的虛擬控制器連接。由于修剪機(jī)的控制器采用的是ARM處理器作為控制芯片，VUP目前尚不支持對(duì)ARM處理器的直接通訊，需要通過“橋梁”設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。選擇“研華I/O板卡”作為修剪機(jī)虛擬模型的驅(qū)動(dòng)器，如圖6所示。

圖6 設(shè)置外部驅(qū)動(dòng)器Fig.6 Set up external drives

選用型號(hào)為USB4751的研華I/O板卡，其具有2路高速脈沖捕獲端口，輸入脈沖頻率范圍為0.1 Hz～8 MHz，能夠滿足對(duì)實(shí)際控制器所輸出的制脈沖采集頻率范圍要求；且具有48 個(gè)與實(shí)際控制器的電平兼容的TTL電平數(shù)據(jù) I/O 口，可通過軟件定義輸入與輸出的端口，具有較高的可擴(kuò)展性。

③behavior(動(dòng)作)設(shè)置

動(dòng)作是VUP軟件的靈魂，向必要的零部件賦予動(dòng)作是實(shí)現(xiàn)虛擬工藝流程的基礎(chǔ)。VUP中所包含的動(dòng)作有力與扭矩、速度、運(yùn)動(dòng)與位置、測試、屬性、I/O和其他等7種類型。在每一個(gè)類別中還包含很多具體的動(dòng)作類型，比如繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn)、沿X、Y、Z軸的移動(dòng)、向外界發(fā)送數(shù)據(jù)、從外界讀取數(shù)據(jù)等。動(dòng)作的具體參數(shù)設(shè)置需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，如調(diào)整繞軸旋轉(zhuǎn)角速度，調(diào)整某方向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)速度、加速度等。 綠籬修剪機(jī)包括的動(dòng)作有：6個(gè)關(guān)節(jié)的各自沿正向和反向的轉(zhuǎn)動(dòng)或平移動(dòng)作，每個(gè)關(guān)節(jié)還有正向限位和反向限位兩個(gè)限位開關(guān)觸發(fā)的動(dòng)作，以及刀具轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)作。

建立動(dòng)作后，在動(dòng)作的屬性中通過設(shè)置動(dòng)作的外部連接來實(shí)現(xiàn)該動(dòng)作的外部數(shù)據(jù)訪問屬性。如將“底盤輸入脈沖”動(dòng)作設(shè)置連接到研華板卡的“Counter”脈沖計(jì)數(shù)寄存器，板卡序號(hào)設(shè)置為序號(hào)1，數(shù)據(jù)通道設(shè)置為通道1，表示模型仿真時(shí)，1號(hào)研華板卡中通道1“Counter”脈沖計(jì)數(shù)寄存器的數(shù)值將賦予“底盤輸入脈沖”動(dòng)作。綠籬修剪機(jī)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作列表如表1所示。

表1 綠籬修剪機(jī)運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作列表Tab.1 Action list of hedge trimmer moving parts

④虛擬控制器設(shè)置

對(duì)于簡單的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)，可將behavior(動(dòng)作)設(shè)置成與外部控制器的直接連接。而VUP中的虛擬控制器具備編程功能，能夠?qū)浖性O(shè)置的動(dòng)作進(jìn)行高級(jí)運(yùn)算及管理。通過在控制器中定義變量進(jìn)行變量的邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算，讀取和寫入工程中各動(dòng)作的值，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜虛擬系統(tǒng)的仿真。

旋轉(zhuǎn)底盤的運(yùn)動(dòng)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，轉(zhuǎn)盤電機(jī)的轉(zhuǎn)向從“底盤旋轉(zhuǎn)方向”動(dòng)作所映射的研華板卡數(shù)字I/O通道獲得；轉(zhuǎn)盤電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度需要根據(jù)“底盤輸入脈沖”動(dòng)作所映射的研華板卡Counter通道獲得的累積脈沖當(dāng)量數(shù)值以及旋轉(zhuǎn)方向計(jì)算得來；此外，還要根據(jù)“底盤正向限位輸出”和“底盤反向限位輸出”動(dòng)作判斷轉(zhuǎn)盤是否到達(dá)極限位置，如果到達(dá)極限位置則停止相應(yīng)方向的旋轉(zhuǎn)。圖7為轉(zhuǎn)盤虛擬控制器流程圖，圖8為對(duì)應(yīng)編寫的轉(zhuǎn)盤虛擬控制器程序。

圖7 底盤虛擬控制器的程序流程圖Fig.7 Flow chart of the chassis virtual controller

圖8 底盤虛擬控制器的程序Fig.8 Program of the chassis virtual controller

同理添加主升降機(jī)構(gòu)虛擬控制器、伸縮機(jī)構(gòu)虛擬控制器、刀架回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)虛擬控制器、刀架升降機(jī)構(gòu)虛擬控制器以及刀架傾斜調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)虛擬控制器。

2.4 硬件連接

如圖9所示，綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的脈沖輸出信號(hào)連接至各個(gè)研華板卡的脈沖捕獲端口，步進(jìn)電機(jī)方向信號(hào)以及傳感器信號(hào)連接至研華板卡的數(shù)字輸入/輸出端口。由于選用的研華USB4751 板卡只有兩個(gè)高速脈沖捕獲端口，而綠籬修剪機(jī)需要6路高速脈沖來控制步進(jìn)電機(jī)，因此，使用了3個(gè)板卡與控制系統(tǒng)連接。圖10為連接完成后的硬件在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)物圖。

圖9 連接示意圖Fig.9 Connection diagram

圖10 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)實(shí)物圖Fig.10 Real figureof hardware-in-the-loop simulation platform

3 硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的測試及實(shí)驗(yàn)

硬件在環(huán)的修剪機(jī)控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)使得控制系統(tǒng)可以在制造修剪機(jī)的機(jī)構(gòu)實(shí)物之前完成設(shè)計(jì)制作、調(diào)試及性能測試工作。硬件在環(huán)仿真的目的是多方面的，既可驗(yàn)證控制器是否能夠準(zhǔn)確無誤地接收修剪機(jī)虛擬模型反饋的數(shù)據(jù)信號(hào)，也可測試虛擬虛擬平臺(tái)是否能準(zhǔn)確無誤地接收實(shí)際控制器發(fā)出的數(shù)據(jù)信號(hào)，以及測試實(shí)際控制器是否能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)修剪機(jī)各種工況的控制。此外，也可對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的空間運(yùn)行效果、運(yùn)動(dòng)干涉性等進(jìn)行測試。

3.1 雙向數(shù)據(jù)信號(hào)的測試與分析

實(shí)際控制器通過研華I/O采集卡的橋梁作用實(shí)現(xiàn)其與修剪機(jī)虛擬模型的雙向數(shù)據(jù)交換。實(shí)際控制器向虛擬模型輸入6個(gè)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)或平移的動(dòng)作信號(hào)，并接收虛擬模型中每個(gè)關(guān)節(jié)正向限位和反向限位開關(guān)觸發(fā)的動(dòng)作信號(hào)。雙向數(shù)據(jù)交換過程中是否存在數(shù)據(jù)的漏失和錯(cuò)誤決定著硬件在環(huán)平臺(tái)仿真實(shí)驗(yàn)的成敗。

使用示波器同時(shí)測量修剪機(jī)控制器數(shù)據(jù)接口中的底盤脈沖信號(hào)與底盤正向限位信號(hào)，在控制器上操控修剪機(jī)底盤正向旋轉(zhuǎn)。如圖11所示，未到達(dá)極限位置時(shí)控制器輸出500 Hz的脈沖信號(hào)以控制底盤旋轉(zhuǎn)，在123 ms時(shí)底盤正向限位信號(hào)從低電平變高電平，之后控制器自動(dòng)停止脈沖信號(hào)的輸出，同時(shí)，修剪機(jī)虛擬模型中底盤停止正向轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬模型內(nèi)的底盤限位動(dòng)作能夠正確觸發(fā)，控制器能夠順利接受觸發(fā)狀態(tài)信號(hào)。

圖11 底盤的正限位信號(hào)波形與脈沖信號(hào)波形Fig.11 Forward limit signal waveform and pulse signal waveform of chassis

使用示波器同時(shí)測量修剪機(jī)控制器數(shù)據(jù)接口中的底盤脈沖信號(hào)引腳與方向信號(hào)?？刂破鬏敵鲆唤M控制信號(hào)，使機(jī)械手在0～90 ms期間進(jìn)行正向運(yùn)動(dòng)，在90～180 ms期間進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中速度恒定為500步/s。圖12為控制器輸出的控制信號(hào)波形，由圖12可知，在正向運(yùn)動(dòng)過程中，控制器輸出了45個(gè)脈沖，反向運(yùn)動(dòng)過程中也輸出了45個(gè)脈沖。

圖12 底盤的方向信號(hào)波形與脈沖信號(hào)波形Fig.12 Direction signal waveform and pulse signal waveform of chassis

圖13為監(jiān)測到的底盤旋轉(zhuǎn)情況。由圖13可知底盤在0～90 ms期間正向勻速旋轉(zhuǎn)，在90 ms時(shí)旋轉(zhuǎn)了45步；轉(zhuǎn)盤在90～180 ms期間反向勻速旋轉(zhuǎn)，在180 ms時(shí)旋轉(zhuǎn)回到原點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，虛擬模型接收到的控制器控制信號(hào)準(zhǔn)確無誤，無數(shù)據(jù)的遺失。

圖13 底盤旋轉(zhuǎn)位置曲線Fig.13 Rotation position curve of chassis

3.2 軌跡自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)

控制系統(tǒng)的最重要功能是控制綠籬修剪機(jī)按照程序設(shè)定的軌跡自動(dòng)運(yùn)行，并完成景觀苗木的造型修剪。在控制系統(tǒng)中操縱綠籬修剪機(jī)進(jìn)行自動(dòng)的造型軌跡運(yùn)動(dòng)，在VUP中可查看機(jī)修剪機(jī)的運(yùn)行效果，如圖14～17所示。

圖14 圓球修剪
Fig.14 Clip into a ball

圖15 圓柱修剪
Fig.15 Clip into a cylinder

圖16 圓臺(tái)修剪
Fig.16 Clip into a frustum of a cone

圖17 圓錐修剪
Fig.17 Clip into a circular cone

實(shí)驗(yàn)表明，修剪機(jī)在各功能運(yùn)行中不存在空間干涉現(xiàn)象，機(jī)構(gòu)上滿足預(yù)設(shè)的空間運(yùn)行要求。修剪機(jī)控制系統(tǒng)各功能均能正常運(yùn)行，如能穩(wěn)定控制修剪機(jī)進(jìn)行圓球修剪、圓柱修剪、圓臺(tái)修剪及圓錐修剪等。

圖18、圖19給出了圓球修剪時(shí)，理論計(jì)算軌跡與硬件在環(huán)控制下的仿真軌跡，兩者完全重合，表明實(shí)際控制器能夠按照期望目標(biāo)對(duì)綠籬修剪機(jī)進(jìn)行正確有效的控制，同時(shí)也說明本文設(shè)計(jì)的綠籬修剪機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的仿真結(jié)果合理性較高。

圖18 X-Y軸軌跡對(duì)比曲線
Fig.18 Curve comparison of X-Y axes trajectory

圖19 Z軸軌跡對(duì)比曲線
Fig.19 Curve comparison of Z axes trajectory

連續(xù)運(yùn)行修剪機(jī)控制系統(tǒng)，在重復(fù)進(jìn)行功能實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，觀察控制系統(tǒng)操控的易用性、穩(wěn)定性。連續(xù)實(shí)驗(yàn)表明，修剪機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)，操作靈活簡易，可靠性高。

4 結(jié)語

本研究的綠籬修剪機(jī)控制系統(tǒng)硬件在環(huán)仿真平臺(tái)的開發(fā)和設(shè)計(jì)中，以研華USB4751數(shù)據(jù)板卡為“橋梁”數(shù)據(jù)接口，解決了以VUP中構(gòu)建的虛擬機(jī)構(gòu)模型與修剪機(jī)實(shí)際控制器的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)與數(shù)據(jù)反饋問題。對(duì)控制器與虛擬模型的雙向數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行了測試與分析，結(jié)果表明，仿真過程中控制器能夠準(zhǔn)確地接收到虛擬模型反饋的動(dòng)作觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)，虛擬模型能夠準(zhǔn)確地響應(yīng)控制器的控制信號(hào)。基于控制器在環(huán)的修剪機(jī)械手控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)表明，實(shí)際控制器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)綠籬修剪機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化造型修剪控制的功能，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。由于融入了實(shí)際的控制器，綠籬修剪機(jī)虛擬模型是在實(shí)際控制器的控制下進(jìn)行的仿真，仿真模擬的場景與現(xiàn)實(shí)情況更接近，得到的仿真評(píng)價(jià)結(jié)果也更合理。在實(shí)際加工制造綠籬修剪機(jī)本體之前就能通過控制器在環(huán)的手段對(duì)其仿真，因此提高了產(chǎn)品的研發(fā)效率。