基于人機協(xié)作的樹干涂白裝置研制與開發(fā)

唐磊生 侯靜 崔一帆

摘 要：樹干涂白已然成為保護樹木的必要手段，通過對樹干的涂白，可以有效防止樹干受到自然界的侵害。本文基于SolidWorks、CAD等軟件設(shè)計適應(yīng)性更廣的樹干涂白裝置，通過數(shù)據(jù)采集與分析，確定結(jié)構(gòu)尺寸，將石灰水勾兌與灌裝機構(gòu)、便攜背負式涂白機等機構(gòu)集中在樹干涂白裝置整機上。通過樹莓派與電源管理板，控制單向與雙向開關(guān)，實現(xiàn)對整個裝置的控制。所設(shè)計霧化噴涂機械手可將樹干360°包裹，實現(xiàn)樹干涂白工作的高效作業(yè)。完成樹干涂白裝置與便攜背負式樹干涂白機設(shè)計。樹干涂白裝置與便攜背負式樹干涂白機的設(shè)計旨在克服人工進行樹干涂白工作時效率低、噴涂不均勻、涂白質(zhì)量差的缺點，實現(xiàn)利用機器輔助人工完成樹干涂白工作，具有結(jié)構(gòu)精巧、操作簡單、生產(chǎn)成本低、綠色環(huán)保和穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：樹干涂白;人機協(xié)作;石灰水勾兌;便攜式

中圖分類號：S776.28 ? ?文獻標(biāo)識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0038-07

Abstract：Whitening the tree trunk has become a necessary means of protecting trees. By whitening the trunk， it can effectively prevent the trunk from being damaged by nature. This paper designs a more adaptable tree trunk whitening device based on SolidWorks， CAD and other software. Through data collection and analysis， the structure size is determined， and the lime water blending and filling structure， portable knapsack whitening machine and other institutions are concentrated on the whole trunk whitening device. Through raspberry PI and power management board， one-way and two-way switches are controlled to realize the control of the whole device. The designed atomized spraying manipulator can wrap the trunk 360° to realize the efficient operation of whitening the trunk. Complete the design of trunk whitening device and portable backpack trunk whitening machine. The design of the tree trunk whitening device and portable knapsack whitening machine aims to overcome the shortcomings of low efficiency， uneven spraying， and poor whitening quality when manually doing trunk whitening work， and realize the use of machine-assisted manual completion of trunk whitening work or the trunk whitening machine to complete the whitening work autonomously. The trunk whitening device has the advantages of exquisite structure， simple operation， low production cost， environmental protection， stability and reliability.

Keywords：Tree trunk whitening; man-machine collaboration; lime water blending; portable

0 引言

樹干涂白是通過在樹干表面刷涂樹干涂白劑，預(yù)防早春霜凍對樹干造成危害[1]，避免樹木被日灼[2]，防止樹干病菌感染，殺滅樹干寄生病菌[3]，給樹干涂白是一種高效綠色的樹干保護方式，為森林的經(jīng)營發(fā)展提供有力支持[4]。然而目前樹干涂白工作還是通過人工涂白的方式進行，涂白工作勞動強度大、效率低，涂白質(zhì)量差和涂白高度層次不一[5]，而且隨著人工工資的增長，樹干涂白作業(yè)的投入逐年增加。

由翟家怡[6]發(fā)明的一種適應(yīng)多種地形的樹干涂白機器人，通過三自由度機械爪配合移動式履帶底盤與石灰水箱實現(xiàn)樹干的涂白作業(yè)，涂白一棵樹需要20 s。由稅夢瑤等[7]發(fā)明的樹干涂白機，通過在四輪車上邊加裝曲柄與滾軸在動力系統(tǒng)的帶動下實現(xiàn)樹干的涂白作業(yè)。由趙曦陽等[8]發(fā)明的一種組合式樹干涂白刷，通過由支撐桿組成“7”字桿，在上邊安裝滾筒刷，通過滾刷實現(xiàn)樹干涂白作業(yè)。由陳浩[9]設(shè)計一款集平地行走、轉(zhuǎn)彎及臺階越障多功能輪腿式樹干涂白機實現(xiàn)樹干涂白作業(yè)。由付秀等[10]設(shè)計的智能涂白裝置主要由供能部分、涂白劑裝盛部分以及機械手3個主要部分，在裝置頂端安裝太陽能電池板，可實現(xiàn)樹干涂白作業(yè)。研究人員撰寫樹干涂白機器人相關(guān)發(fā)明專利以及樹干涂白機的設(shè)計研制，因整機體積較大、生產(chǎn)成本高和適應(yīng)能力不強，投入實際實驗與應(yīng)用相對較少。根據(jù)以上存在的問題，本文提出一種人機協(xié)作的樹涂白裝置，可實現(xiàn)輔助人工進行樹干涂白作業(yè)。

1 裝置結(jié)構(gòu)方案

樹干涂白裝置主要包括車架、石灰水灌裝箱、石灰水泵、一分三分流機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、自動噴涂機械手、便攜背負式樹干涂白機、控制按鈕以及驅(qū)動機構(gòu);便攜背負式樹干涂白機包括手持噴涂機械手、石灰水箱和增壓泵等機構(gòu);石灰水灌裝箱可進行石灰水的勾兌和攪拌;驅(qū)動機構(gòu)可驅(qū)動自動噴涂機械手在軌道滑塊機構(gòu)的作用下沿樹干移動并進行石灰水的噴涂;手持噴涂機械手由人工背負操作，進行石灰水的噴涂。利用SolidWorks軟件設(shè)計樹干涂白裝置三維結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.1 樹干涂白裝置的參數(shù)選擇

對街道上的樹木，采用間隔為5顆的數(shù)據(jù)采樣方法，采集2 000顆樹木周長數(shù)據(jù)樣本，1 000顆涂白高度數(shù)據(jù)樣本，1 000顆圍欄數(shù)據(jù)樣本，樣本按照20、50、100顆數(shù)據(jù)量進行分組，將樹木周長、樹干涂白高度、圍欄尺寸分成100、20、10組統(tǒng)計數(shù)據(jù)，利用公式（1）計算。

x-=∑ni=1xin 。（1）

式中：x-為樣本數(shù)據(jù)平均值;xi為每一個樣本數(shù)據(jù);n為樣本總數(shù)。

取算數(shù)平均值x-繪制數(shù)據(jù)分析圖，如圖2所示。對數(shù)據(jù)進行研究，確定機械手的大小、霧化噴涂機械手作業(yè)高度。

根據(jù)取樣調(diào)查結(jié)果圖2可知，樹干周長主要集中在500～700 mm，樹干的半徑是在79.58～111.41 mm，因為樹干噴涂機器人的機械手要完全包裹住樹干，故機械手的半徑要大于111.41 mm，需要對其進行取整，并擴大適用范圍，因此采用半徑為150 mm的機械手，機械手的作業(yè)半徑范圍在80～150 mm;樹干涂白高度在1 000～1 100 mm，為了方便車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，選用1 050 mm作為樹干涂白高度，保證樹干涂白高度均為1 050 mm;樹干圍欄尺寸在1 100～1 300 mm，且主要集中分布在1 200 mm左右，為了方便車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，采用1 200 mm的樹干圍欄尺寸，假設(shè)每棵樹都種在圍欄中間位置，根據(jù)結(jié)果計算出樹干圓心到圍欄邊的尺寸為600 mm。

最終確定車身尺寸為：450 mm×390 mm×1 200 mm，第一層高度240 mm，第二層高度700 mm。

1.2 車身結(jié)構(gòu)方案

（1）樹干涂白裝置車身結(jié)構(gòu)部分：車身材料全部采用20 mm×20 mm鋁合金型材，采用兩個萬向輪和兩個定向輪的四輪結(jié)構(gòu)，使其具有更強的機動性[11-12]，人工可方便地控制樹干涂白裝置，由人工操作萬向輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，由驅(qū)動裝置驅(qū)動樹干涂白裝置的定向輪移動。

（2）機械手運動軌道部分：采用長方形軌道與滑塊相配合的滑動軌道，代替滾珠絲杠結(jié)構(gòu)[13-14]，對滑塊進行改裝，將機械手固定安裝，讓滑塊帶動機械手，在滑動軌道上快速移動，完成樹干涂白作業(yè)。

（3）在機械手部分：采用直徑16 mm的空心銅管與10 mm的黃銅霧化噴嘴。通過高溫將機械手臂、霧化噴嘴，在焊錫的作用下連接在一起。在使用過程中不會出現(xiàn)霧化噴嘴脫落的情況。提高了樹干涂白機器人工作的穩(wěn)定性。

（4）樹干涂白機器人控制部分：利用雙向開關(guān)與點動開關(guān)控制機械手臂運動、水泵開關(guān)控制、機械手臂張開與閉合等狀態(tài)。簡便的控制設(shè)計，讓涂白作業(yè)工人，可通過開關(guān)來控制樹干涂白機器人的運動。

1.3 樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構(gòu)

樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構(gòu)采用4個攪拌葉片（圖3），在攪拌軸的帶動下，實現(xiàn)三層循環(huán)攪拌（簡稱四葉三層攪拌機構(gòu)），以保證勾兌完成的石灰水不會在石灰水箱底出現(xiàn)沉淀。

樹干涂白劑的配置中，根據(jù)不同的防治目的可選用不同的配置，主要成分和比例是：生石灰5 kg、硫磺粉1.5 kg、水36 kg、食鹽2 kg[15]。

利用石灰水勾兌與灌裝機構(gòu)實現(xiàn)石灰水的配置，在通過過濾網(wǎng)篩除生石灰中的雜質(zhì)，在攪拌電機、第一層四葉攪拌機構(gòu)、第二層四葉攪拌機構(gòu)、第三層四葉攪拌機構(gòu)配合下，將生石灰攪拌均勻，實現(xiàn)石灰水的配置。配備好的石灰水從石灰水箱底部的側(cè)壁輸出。石灰水箱側(cè)壁設(shè)計有連通器，可很直觀地觀測到石灰水箱內(nèi)部石灰水液的剩余量，給后續(xù)工作帶來很大的方便。

1.4 軌道滑塊機構(gòu)設(shè)計

樹干涂白裝置中的霧化噴涂機械手是通過軌道滑塊機構(gòu)（圖4），以此實現(xiàn)機械手的往復(fù)運動。

機械手需要實現(xiàn)穩(wěn)定的往復(fù)運動，運動速度和運動精度要求較低，故采用結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便的矩形滑動軌道。機械手安裝在機械手固定塊上，固定塊與滑塊組合在一起，驅(qū)動電機通過鋼絲繩利用定滑輪實現(xiàn)機械手的往復(fù)運動。

1.5 便攜背負式樹干噴涂機設(shè)計

便攜背負式樹干噴涂機[16-17]，如圖6所示，在面對小樹林以及樹木密度大的樹干待涂白區(qū)域，樹干涂白裝置整車不變進入作業(yè)區(qū)域，此時人工可背負樹干涂白機進入作業(yè)區(qū)域進行樹干涂白作業(yè)。

通過樹干涂白機的石灰水箱對便攜背負式樹干噴涂機進行樹干涂白石灰水的灌裝，人工將其背負進入密度比較大的樹林，觀察準(zhǔn)備噴涂樹干的粗細選擇霧化噴涂機械手，人工手持噴涂機械手臂手柄，選擇合適的霧化噴涂，調(diào)整機械手臂的位置，讓霧化噴涂機械手對準(zhǔn)樹干，開啟控制開關(guān)，人工手持機械手臂完成自下而上與自上而下的周期運動，完成樹干的涂白。

樹干涂白裝置可以通過輸送管對便攜背負式樹干噴涂機進行石灰水的補充，以實現(xiàn)便攜背負式樹干涂白機器長時間工作。

1.6 樹干涂白裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

在完成四葉三層樹干涂白石灰水勾兌與罐裝機構(gòu)、便攜背負式樹干噴涂機的設(shè)計工作，開展樹干涂白裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計。樹干涂白裝置整體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

樹干涂白裝置結(jié)合機電一體化技術(shù)，主體涂白機構(gòu)由涂白機械手臂、軌道滑塊機構(gòu)和驅(qū)動裝置等部分組成。

2 樹干涂白裝置控制結(jié)構(gòu)

樹干涂白裝置將樹莓派[18]作為主控板，利用電源管理板管理霧化噴涂機械手、軌道滑塊機構(gòu)、增壓泵、驅(qū)動機構(gòu)和石灰水勾兌灌裝機構(gòu)，采用鉛酸免維護蓄電池[19]為整個裝置供電，硬件接線方案如圖8所示。

樹干涂白裝置人機控制方案采用單向與雙向點控開關(guān)，圖8中：1號和2號開關(guān)均為雙向開關(guān)，3號、4號、5號開關(guān)均為單向開關(guān)。操作人員根據(jù)實際需求進行操作，操作簡單方便。

樹干涂白裝置工作流程如圖9所示，簡化說明如下。

（1）在人工的輔助下，樹干涂白裝置運動到待作業(yè)區(qū)域。

（2）選擇待涂白樹干作業(yè)區(qū)域，利用樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構(gòu)罐裝石灰水，并啟動樹干噴涂裝置。

（3）將其推至距樹干合適的距離，利用霧化噴涂機械手控制開關(guān)，打開機械手將樹干包裹其中，關(guān)閉機械手。

（4）開啟增壓泵開關(guān)，進行噴涂作業(yè)，驅(qū)動電機驅(qū)動軌道滑塊機構(gòu)，使霧化噴涂機械手實現(xiàn)上下往復(fù)運動，進行樹干涂白作業(yè)。

（5）樹干涂白作業(yè)結(jié)束后，張開霧化噴涂機械手，準(zhǔn)備下一階段的工作。

（6）當(dāng)石灰水用完后，利用石灰水勾兌與罐裝機構(gòu)，實現(xiàn)石灰水灌裝或勾兌新的石灰水，罐裝其中。

（7）可背負便攜背負式樹干噴涂機進入密度較大的樹林，人工操作實現(xiàn)樹干涂白作業(yè)。

3 樹干涂白裝置實驗

在基于SolidWorks、CAD軟件，完成樹干涂白裝置設(shè)計后，開展樹干涂白裝置的加工制作，樹干涂白裝置樣機如圖10所示。

在實際樹干涂白作業(yè)中，可根據(jù)樹干直徑選擇適當(dāng)?shù)臉涓赏堪籽b置。設(shè)置工作模式及參數(shù)見表1。

人機協(xié)作模式比人工作業(yè)模式有更大的優(yōu)勢。樹干涂白裝置與樹干涂白機根據(jù)實際涂白作業(yè)中樹干類型的不同，作業(yè)時間不同。中型樹干，由樹干涂白裝置完成，作業(yè)時間基本穩(wěn)定在28 s左右;小型、大型和特大型樹干，采用便攜樹干涂白機進行作業(yè)，單次完成1 050 mm的涂白理論用時22～36 s，完成整棵樹的涂白作業(yè)需要多次操作，總用時與操作次數(shù)、人工操作效率有關(guān)。

4 結(jié)論

本文對一種基于人機協(xié)作的樹干涂白裝置利用SolidWorks、CAD等軟件進行了機械結(jié)構(gòu)、石灰水勾兌灌裝機構(gòu)、便攜背負式樹干涂白機、驅(qū)動結(jié)構(gòu)、軌道滑塊機構(gòu)和控制機構(gòu)的設(shè)計，對其工作原理進行了分析。完成了樹干涂白機的樣機制作與實驗，與人工獨立完成樹干涂白作業(yè)對比，體現(xiàn)了樹干涂白裝置輔助人工進行涂白作業(yè)的優(yōu)越性。樹干涂白裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便、適應(yīng)性強、生產(chǎn)成本低、可提升樹干涂白質(zhì)量和效率，并具有綠色環(huán)保、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。

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