学术前沿 | 新疆农业大学机电工程学院刘向东教授:果园升降平台机械臂优化设计与运动学分析

DOI: 10.13733/j.jcam.issn.2095‑5553.2026.04.004（点击跳转知网阅读）

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为使果园升降平台作业空间满足南疆核桃果园作业要求，根据园内核桃树的栽培模式与树形参数，对折臂式升降装置进行优化设计、计算与仿真。通过分析机械设备升降作业要求和树冠对作业空间的限制条件，建立尺寸优化设计数学模型；在此基础上，基于D—H（Denavit—Hartenberg）参数法建立折臂式升降装置的连杆坐标系，利用MATLAB软件中的Robotics Toolbox对升降装置建立仿真模型，并对升降装置进行正向、逆向运动学分析；采用蒙特卡洛法模拟出升降装置的工作空间，并对升降装置进行轨迹规划仿真和分析。理论分析和仿真结果表明，优化后的折臂式果园升降装置结构合理，工作空间高度为980~4 728 mm，符合果园作业任务要求，为后续物理样机的设计制造和升降装置动力学分析提供理论依据。

果园；升降平台；机械臂；优化设计；运动学分析；工作空间；轨迹规划

新疆素有“瓜果之乡”的美誉，果树种类繁多，拥有丰富的林果资源。目前，新疆林果业生产已发展为农民脱贫致富的一条重要渠道，也是推进乡村振兴的有力支撑。在果园管理过程中，果实采摘和果树修剪等环节均属于劳动密集型作业，主要依靠果农攀爬树体或搭建扶梯来完成。传统的人工作业方式不仅劳动强度高、工作效率低，还容易造成果农高空坠落，产生大量的劳务纠纷。现有的剪叉式升降平台作业空间难以满足修剪、采收的作业要求，折臂式升降平台灵活的机械臂极大限度地拓展了平台作业空间，使设备可用于辅助人工管理果园。

与工业折臂式升降平台作业场地相比，果树树冠空间限定了折臂式果园升降平台工作机构的作业空间。升降装置作为折臂式升降平台的主要执行部件，需要在较为狭窄的果园环境中将工作人员升至作业位置，目前现有的工业折臂式升降平台体积大，不利于机械化操作。

综上所述，对折臂式升降装置进行优化设计，一般以机械臂的“最小受力情况”和“最小质量”等目标建立优化函数并求解，且目前针对农业使用的折臂式果园升降平台研究相对较少。本文结合非标准化果园作业环境的特点，建立升降装置整体数学模型，并对升降装置的尺寸进行优化设计，使各段机械臂长度之和最小，并进行作业空间的求解和轨迹规划。

1） 利用遗传算法工具箱对折臂式升降作业平台工作机构进行优化设计，求得升降底座的高度为380 mm，作业上臂、作业下臂和飞臂的长度分别为2 460 mm、1 830 mm和780 mm，作业下臂转角最大值和作业上臂转角最大值分别为67°和57°。

2） 运用标准D—H参数法对升降装置进行正运动学分析和逆运动学分析。利用机器人工具箱并采用蒙特卡洛法对升降装置的工作空间进行仿真，其工作空间的高度为980~4 728 mm，各高度处的水平范围满足作业半径需求，故仿真结果表明，设计的折臂式升降平台满足核桃示范园的作业空间要求，为后续折臂式升降平台样机的设计和动力学分析提供一定的理论基础。

3） 对升降装置进行轨迹规划仿真和分析，结果表明，升降装置能够从初始位置到达作业位置，进一步验证设计参数的合理性。