一種灌木修剪機器人

劉富成 黃俊華

摘 要：本文介紹了一種灌木修剪機器人，主要包括頂板和可升降機架，頂板設置在可升降機架頂端，可升降機架的四角底端分別設置有行走輪，修剪電機設置在頂板上，修剪電機的輸出軸向下伸出并連接修剪刀具，修剪刀具是可變形修剪刀具，且位于可升降機架的中間架空處。解決現有技術中人工修剪灌木造成的成本高昂、浪費人力、效率低下等諸多問題。

關鍵詞：灌木修剪;可變形修剪刀具;解決問題

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.103

0 引言

目前，用作綠化的立體灌木前景非常廣闊，但其修剪仍然嚴重依賴人工操作，而且需經常找專業人員進行修剪維護，不僅成本高昂，而且浪費人力、效率低下。本文介紹了一種灌木修剪機器人，主要包括頂板和可升降機架兩部分。機器人操作簡便、自動化程度高、節省成本及人力、續航時間長、轉向靈活、修剪準確高效、適應性廣、功能強大。

1 灌木修剪機器人結構設計

1.1 整體結構設計

本結構設計方案一種灌木修剪機器人如圖1，主要由頂板和可升降機架兩部分構成，頂板設置在可升降機架頂端，可升降機架中間架空，四角底端分別設置有行走輪，電池、控制器、導向傳感器、機器視覺模塊、激光雷達和修剪電機均設置在頂板上。

1.2 修剪刀具結構設計

修剪刀具包括多段子刀片，子刀片通過相應的舵機依次連接形成可變形修剪刀具;各舵機與控制器連接。修剪電機通過修剪電機承載盤設置在頂板的中心處，且穿過頂板的中心圓孔向下延伸。

1.3 可升降機結構設計

可升降機架包括四組支撐架，支撐架上端和頂板連接，支撐架下端通過升降機構與相應的車輪安裝板連接。升降機構包括絲杠及絲杠螺母，絲杠的下端通過軸承和相應的車輪安裝板連接，絲杠的上端與絲杠電機連接，絲杠螺母的兩側分別固連有套管，套管與相應支撐架固連。可升降機架的左右兩側還分別設置有側連桿，側連桿上還相對設置有激光雷達，該激光雷達與控制器連接以識別并確定待修剪灌木的位置。行走輪有四個，前端兩行走輪是萬向輪，后端兩行走輪是驅動輪;驅動輪的驅動電機和控制器連接，驅動電機上設置有碼盤。

2 控制系統

本設計方案一種灌木修剪機器人，控制器采用智能stm32芯片作為主控制器。導向傳感器采用九軸傳感器，與控制器連接。機器視覺模塊采用OpenMv機器視覺模塊，且通過舵機設置在頂板的右前方，機器視覺模塊與控制器連接，對右前方的理想立體灌木樣品拍攝不同角度的圖片，從而識別出樣品對應的立體灌木形狀，并向控制器發送目標灌木形狀信號。頂板上的激光雷達設置在頂板前端的中部以檢測待修剪灌木的高度和方位，該激光雷達與控制器連接。還包括揚聲器，揚聲器設置在頂板上且與控制器連接。頂板的中心開有中心圓孔，頂板的四角下方分別向外延伸有連接板以與升降機架連接。

3 具體工作流程

3.1 修剪刀變形

開始工作后，舵機轉動不同角度，帶動OpenMv機器視覺模塊對右前方的理想立體灌木樣品拍攝不同角度的圖片，從而識別出樣品對應的立體灌木形狀，然后向控制器發送目標灌木形狀信號;控制器控制可變形灌木修剪刀具上的各個舵機，進而控制可變形灌木修剪刀具調整為與目標灌木形狀相對應的刀具形狀。

3.2 可升降平臺調整

固定在機器人頂板正前方的激光雷達向機器人正前方待修剪的灌木發送激光束，通過接收反射光束并經過一定信息處理后確定待修剪灌木高度和方位，然后向控制器發送目標灌木高度信號;控制器控制升降機構的絲杠上端的絲杠電機，進而控制支撐架升降將機器人調整為與目標灌木高度相對應的高度。

3.3 灌木修剪

當機器人運動至被修剪灌木附近，控制器控制修剪電機，以一定轉速轉動兩圈，帶動智能可變形灌木修剪刀具旋轉兩圈，從而對機器人正下方的灌木進行修剪，將其修剪為目標形狀，即完成一個工作循環;控制器控制機器人繼續行進，對下一叢灌木進行修剪。

4 結語

本設計方案一種灌木修剪機器人，中間架空，為修剪灌木提供了空間，結構巧妙;修剪刀具形狀可變，控制器可根據機器視覺模塊識別結果將刀具調整為相應形狀，從而可將灌木修剪為不同形狀，顯著提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

機器人可根據激光雷達確定的待修剪灌木的高度升降到合適位置，從而實現對不同高度灌木的修剪，大大提高了該機器人對不同高度灌木修剪的適應性，進一步提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

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