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在森林采伐剩余物中，伐根占有相当大的比重且用途很广，可用于硫酸盐纸浆生产、微生物工业和制造木塑料等，但由于伐根采掘相当困难，除少童采用人工挖掘或推土机、挖掘机挖掘外，大都任其留在来伐迹地自然腐朽，这祥不但浪费了资源，而且不利于人工或天然林营造，降低了林地利用率且易导致森林病虫害的发生。"新型智能伐根清理机器人"是由原东北林业大学刘晋浩教授等主持的国家863计划项目，该项目同时得到了国家林业局的资助，现己成劝地研赶出实体样机一台并通过了实地检测，申请了两项国家专利。
随着国情与林情的发展，对缭济效益和环境适用性的要求越来越高，先期的试验产品采用的行走底盘为WY-60型挖掘机的底盘，虽然其具有可操纵性强、通过性高等优点，但其存在购价昂贵、维护费雌高、地表破坏严重等缺点，影想了伐根清理机器人的推广使用。本文站通过虚拟,}汁的方法，利用计算机三维仿真技术，在solidworks2007软件平台下将伐根清理机器人行走底盘更换为常林股份有限公司生产的2L30H轮式装载机底盘，并依据新底盘及机械连接臂的情况重新设计机器人与行走底盘机械臂的接口，利用COSMOSMotian2006软件对模型进行了运动仿真，对新设计的接门和机械臂进行了仿真运动测试及参数优化，省去了设计制造样机、进行反复试验及修改设计的环节，大大缩短了研发周期，降低了研发费用，对新产品的开发具有重大意义。
1、伐根清理机器人和行走底盘的建模
1.1伐根清理机器人的三维建模
由于新型智能伐根清理机器人整体技术已经十分成熟，所以这里直接利用伐根清理机器人零部件的CAM图纸在SolidWorks2007软件里逐一建模，将全部零部件分类装配成箱体、抓具、切削简和刀具四个主要装配体。虽然本次建模并未要求对伐根清理机器人进行运动仿真，但为了今后的研究需要，还是按照能够进行虚拟仿真运动的要求进行零部件装配。其主要活动部分为旋切筒、机械抓手、机械抓手液压缸、箱体液压马达及其带动的齿轮组。伐根清理机器人总装配时，以箱体为基础进行虚拟样机模型装配，先插人箱体装配体作为固定件，然后按照自上向下的设计原则，依次插入其他装配体，在SolidWorks2007下三维建模的效果图如图1所示。
1.2行走底盘的三维建模
新的行走底盘选用的是常林股份有限公司的Z130H型轮式装载机的底盘，该型底盘具有尺寸适中、轮距大、行驶稳定、越障能力强〔最大越障高度为1030mm )、爬坡能力强(最大爬坡度)450)等特点。其铲斗最大装载质量达3000kg，铲土挖掘.力96kN(原用底盘WY-60型挖掘机机械臂的最大挖掘力100kN),动臂最大举高2850mm,因此该底盘更符合作业要求。在进行三维建模时充分发挥Solidworks2007软件几何约束和尺寸驱动等参数化特征建模的设计功能，利用底盘的实际尺寸直接进行三维建模，这样大大节省了建模时间，建模过程效果直观，且SolidWorks2007软件对特征的智能识别能力强，支持鼠标动态拖动，能够实时直观地查看各关节的自由度和活动特征，这些都为日后进行动态仿真做好了前期的准备工作。由于底盘建模的主要目的是在设计中表现整体的效果，所以在底盘建模时对不必要的特征作了简化，最终的建模效果图见图2。
1.3机械手臂的三维建模
采用新的行走底盘后，原有的机械手臂变化较大，但主要是结构卜的变化。原来的机械手臂是具有六自由度的单臂开链式六连杆机构，而现在的工作装置则是由运动相互独立的连杆工作装置和动臂举升工作装置两部分构成，可看作是反转的六连杆机构，因此，按照设计要求，去掉原有铲斗后，将控制铲斗的转斗液压缸作了调整，使之成为正转的六连杆机构，并增加了新的连接杆、支撑架和连接头(三者构成机器人手腕部分)。在完成装配后，通过鼠标拖动各机械臂观察各自的活动性能，初步证实其活动自由度能够满足伐根清理机器人对机械手臂控制功能的基本要求。设计建模过程中，为保证今后生产的经济性，原来的前车架、动臂、动臂液压缸和转斗液压缸均未改动，只有摇臂和拉杆根据伐根清理机器人的控制要求作了修改，其活动和控制能力将在虚拟仿真过程中加以验证。改进后的机械手臂总装效果图见图3。
1.4机器人模型的整体总装
完成各部分主要装配体的装配后，在软件平台上建立一个单独的装配体文件，以底盘装配体为主体先行插入固定不动，然后依次插入机器人机械手臂工作装置装配体和伐根清理机器人装配体，同时调整好各部分的位置和姿态，使之处于工作初始状态(行驶状态)。
对于要求具有活动能力的连接处，利用标准件建立相应的连接销轴，单独进行配合装配，装配时严格要求轴孔的同心度，否则无法实现仿真运动，同时这也是对整个机构设计的检验过程。如果尺寸设汁不合理，零部件之间将会配合不上或因相互约束而被定义锁死，这与采用物理样机试验所产生的结果基本吻合，由此也就避免了物理样机试验造成的材料和时间的浪费。经装配调整后。新的伐根清理机器人整体建模效果图如图4所示。
2伐根清理机器人整体工作装置的虚拟运动仿真
工作装置的运动仿真主要是指模拟工作装置的每一运动时刻，其各个机构根据几何约束关系，呈现在空间的位置及状态，由此验证其设计的合理性。COSMOSMotion2006软件是与SolidWorks软件无缝集成的CAE应用插件，是一个全功能运动仿真软件。其可用于建立运动机构模型，进行机构的干涉分析，跟踪零件的运动轨迹，分析机构中零件的速度、加速度、作用力和力矩等，并可用动画、图形、表格等多种形式输出结果，其分析结果可指导修改零件的结构设计和调整零件的材料。设计的更改可以实时地反映到装配体模型中，重新进行分析后再进行修改，直至确定最终的优化方案。
伐根清理机器人工作装置的运动是由动臂液压缸和机器人手腕液压缸(原转斗液压缸)分别驭动的，按照伐根清理机器人的工作要求，机器人的工作分行驶、抓根、旋切进给和拔根提起四个主要状态。其运动仿真原理为:设l、m分别为动臂液压缸伸缩臂和机械手腕液压缸伸缩臂的移动距离，与装载机初始状态不同的是，初始状态下动臂是处于提升状态的，原因是机器人的高度要远大于铲斗的高度，所以机器人的底部应离开地面一定的距离，以避免行驶时碰到障碍物。依据机器人的工作状态来设定l、m变化值，以0为界，大于0时代表液压臂伸出，小于0时则代表其收回。实际工作中l是随m变化的，即动臂和机械手臂是联动的，联动的原则是机器人的中轴线必须与伐根的中轴线重合，这样才能保证旋切筒能够准确地罩在伐根上。l变化改变的是机器人的垂直高度，m变化改变的则是机器人中轴线与伐根中轴线的角度。按照以上原理，机器人的分解运动仿真设定原则如下(以伐根所在地表为水平地面为例)。
①行驶状态:l、m为0(为减小机器人碰撞的几率，必要时可将机器人靠向车体方向收回一定角度，以增加机器人的离地间隙)。
②抓根状态：l减小、m增大，动臂下降，机械手腕液压臂仲长调整机器人中轴线与伐根中轴线的角度，至机器人将伐根七部罩住，两轴线重合为止。
③旋切进给状态:此时机器人旋切筒转动，旋切刀开始切割伐根的侧根，l进一步减小降低机器人的高度，m也进一步增大保持两轴的重合，至侧根全部被切断为止。
④拔根提起状态:夹紧液压缸启动后，四个机械抓夹紧伐根，此时l开始逐渐增大，动臂提升机器人将伐根拔出，m将根据实际情况适时调整。因为此时伐根大部分已在旋切筒内，所以依靠行走地盘将m值侧重于保持机器人的稳定，最后依靠行走底盘将伐根送到指定地点归堆或装车。整个仿真运动的实时效果见图5。
3伐根清理机器人各工作状态极限位置的参数测量
利用SolidWorks2007提供的测量工具，可以准确地测量设计需要的参数，通过这些参数与实际工作要求的参数进行比较，并根据比较结果实时地修改设计参数以满足实际工作需要。
行驶状态，机器人可根据路况适当调整高度和角度，避免因碰撞障碍物而损坏机器人。在抓根和旋切进给状态，按照机器人的工作要求，以大兴安岭地区的落叶松、桦树等伐根形状和根系分布的数据为依据(大兴安岭地区的落叶松、桦树等伐根形状为三角形和五角形，根系分布为片状，没有中央主根)，主侧根即为主根，人土20-30cm后则向伐根周围分布(因再往下就是岩石)，伐根径级在25-5Ocm时主侧根径级平均为10-20cm，长度平均为200-300cm。根据采伐规程要求，伐根高度应离地6cm。鉴于此，该样机的旋切筒能切人土层的最大深度达到40cm即可。但在实际上，可根据不同需要加大旋切筒的入土深度和改变旋切筒的直径来满足对不同径级伐根的作业要求，同时也能促进机器人的系列化和通用化。通过对整体模?}")在这两个状态下机器人相应参数的测量表明，整套装置完全满足设针要求(以地表为水平，机器人在动臂的控制下最大降很高度为5O0mm,最大提升高度为2000mm )。且通过鼠标拖动可知，在液压缸工作允许范围内，适当修改液压缸伸缩行程或更换不同型号液压缸即可满足对不同地区、不同树种伐根清理的要求。利用C05MOSMotion2006仿真运动时的"碰撞干涉检查"功能提供的碰撞千涉部位，通过对机械手臂和接日的测量，分析其产生碰撞干涉的原因，实时修改设计参数，然后重做运动仿真，直至没有碰撞于涉为止，由此既可达到优化设计的目的，SolidWorks2007也将自动更新其零件库和装配模型。
4结束语
综上所述，在充分利用SolidWorks2007强大的参数化特征建模功能和兰维动态装配技术，结合COSMdSMution 2000运动力学仿真功能，实现了伐根清理机器人在采用新的行走底盘后整套工作装置参数化特征建模和三维动态运动仿真。从整个虚拟设计和运动仿真的过程中可以看出，通过在计算机软件平台下对整套装置的设计和仿真分析，能够及时地发现设计中的缺陷，并根据分析结果进行实时改进，为以后利用更加专业的力学分析软件进一步分析机构的工作原理和性能、再次优化改进作好准备，也为进行物理样机的试制提供了试验依据，可显著地缩短研发周期，降低设计成本.一次建模分析加上数据材料的收集总共用时不到两周，其工作效率提高非常明显。实践证明，本次建模与运动仿真分析具有实际的指导意义，有助于伐根清理机器人的进一步改制推广。
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