城市綠化干道樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人本體設(shè)計(jì)

馬金茹，謝 兵，祁宇明，宋培培

(1.北京電子科技職業(yè)學(xué)院汽車工程學(xué)院，北京 100176；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)機(jī)器人及智能裝備研究所，天津 300222)

1 引言

為了有效地阻止并殺死寄附在樹干上的害蟲與病菌以及防止樹干被灼傷、凍傷，園林工人采取對樹干進(jìn)行刷白的措施[1-5]。根據(jù)對國內(nèi)樹干保護(hù)層噴涂方式的相關(guān)調(diào)研報(bào)告指出[4]：80%城市綠化干道樹干依舊采用人工手動(dòng)涂白，僅有20%借助相關(guān)機(jī)械噴涂(主要集中于北京、天津等大城市)，其中以“人工背負(fù)+手動(dòng)噴涂”方式為主。其中主要問題在于：(1)噴涂過程藥水易凝固，堵塞噴孔；(2)目前均為單孔噴涂，噴涂效率低下；(3)目前噴涂作業(yè)均采用電控方式，不利于環(huán)保。國內(nèi)隨著某大學(xué)[7-8]“一種刷樹機(jī)”專利的申請，一定程度上降低了人工的勞動(dòng)強(qiáng)度，但該“刷樹機(jī)”主要通過人工推拉車體行走，還需要人工去操縱機(jī)械系統(tǒng)執(zhí)行大部分工作，自動(dòng)化程度太低，其機(jī)械手的卡爪也只是設(shè)計(jì)構(gòu)思，實(shí)用程度不高；文獻(xiàn)[7-10]相關(guān)課題人員設(shè)計(jì)“樹木涂白機(jī)”的機(jī)器，可以實(shí)現(xiàn)半機(jī)械化工作，因此在一定程度上減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高涂白效率以及避免人體直接接觸有害物質(zhì)，但其行走功能相對薄弱，這方面還是未能解決工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

鑒于此，本設(shè)計(jì)的城市綠化干道樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人主要由附帶藥箱攪拌功能的機(jī)器人移動(dòng)平臺、環(huán)形噴涂機(jī)械手、自直筒式加壓裝置三部分組成；整套機(jī)構(gòu)可采用電控方式一鍵完成噴涂工作，并通過電池驅(qū)動(dòng)機(jī)器人平臺移動(dòng)；亦可通過純機(jī)械方式完成無電源環(huán)境下的移動(dòng)與噴涂工作，能夠解決目前樹干噴涂作業(yè)中存在的多種問題。

2 噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)組成

城市綠化干道樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人主要由附帶藥箱攪拌功能的機(jī)器人移動(dòng)平臺、環(huán)形噴涂機(jī)械手、自直筒式加壓裝置三部分組成。樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。其中，噴涂機(jī)器人移動(dòng)平臺與三輪車結(jié)構(gòu)類似，通過鏈傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)前輪驅(qū)動(dòng)前行。噴涂機(jī)器人本體通過腳踏板的正向轉(zhuǎn)動(dòng)再配合系列鏈輪傳動(dòng)，帶動(dòng)錐齒輪運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)對石灰水均勻的攪拌；利用腳踏板反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)飛輪、曲柄滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，完成對藥水加壓；噴涂機(jī)器人的機(jī)械手在電機(jī)與絲杠的作用下，沿著導(dǎo)軌進(jìn)行上下移動(dòng)的同時(shí)藥箱中的加壓裝置將藥液經(jīng)由輸送管輸送到環(huán)形噴涂機(jī)械手，保證了樹干保護(hù)層的噴涂作業(yè)。

圖1 樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Overall Structure of the Spraying Robot

2.2 藥液噴涂原理及工作過程

對城市綠化干道樹干保護(hù)層實(shí)施藥液噴涂后，由于石灰水是弱堿性的，可以有效的阻止并殺死樹干上的害蟲及病菌，同時(shí)對樹干起到保暖、防灼傷的作用。噴涂機(jī)器人的機(jī)械手在電機(jī)與絲杠的作用下，沿著導(dǎo)軌進(jìn)行上下移動(dòng)的同時(shí)藥箱中的加壓裝置將藥液經(jīng)由輸送管輸送到環(huán)形噴涂機(jī)械手，從而實(shí)現(xiàn)對樹干保護(hù)層的整體噴涂作業(yè)。

3 噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對于城市綠化干道樹干防護(hù)層噴涂機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)主要分為附帶藥箱攪拌功能的移動(dòng)平臺、環(huán)形噴涂機(jī)械手和加壓裝置三個(gè)部分。其中，附帶藥箱攪拌功能的移動(dòng)平臺主要是由機(jī)器人本體、藥箱和攪拌傳動(dòng)結(jié)構(gòu)組成；環(huán)形噴涂機(jī)械手主要是由環(huán)形噴頭、手動(dòng)/自動(dòng)切換裝置和噴頭支架組成；加壓裝置主要由加壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、飛輪、曲柄滑塊和減壓閥組成。類似三輪自行車的移動(dòng)平臺在此設(shè)計(jì)中不作重點(diǎn)描述，此設(shè)計(jì)主要描述噴涂工作的主要機(jī)構(gòu)：環(huán)形噴涂機(jī)械手與自直筒式加壓裝置。

3.1 藥箱攪拌傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為防止藥水凝固沉淀而進(jìn)行持續(xù)攪拌，利用腳踏板正周期往復(fù)的圓周運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)本體移動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)雙排從動(dòng)鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)，雙排從動(dòng)鏈輪帶動(dòng)同軸固定的單排從動(dòng)鏈輪1運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由鏈條傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)單排從動(dòng)鏈輪2動(dòng)作，從動(dòng)鏈輪2帶動(dòng)同軸固定的錐齒輪實(shí)現(xiàn)周期轉(zhuǎn)動(dòng)，最終保證攪拌棒能連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，其中攪拌機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，如圖2所示。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，考慮到藥箱滿載的情況下，需要輸出較大扭矩。從而為了保證攪拌軸能夠達(dá)到對石灰水均勻攪拌的功能，需要對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比進(jìn)行合理的規(guī)劃以及攪拌棒的強(qiáng)度、扭矩進(jìn)行校核。

圖2 攪拌機(jī)構(gòu)傳動(dòng)圖Fig.2 Agitator Drive Diagram

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選用攪拌軸的材料為45號碳素鋼[11-12]，軸徑d為40mm，按照成年人騎車的平均輸出功率計(jì)算P為75 W[13]。

由公式：

式中：ω—攪拌軸運(yùn)動(dòng)的角速度；R—攪拌軸半徑；n—攪拌軸每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)約為2000轉(zhuǎn)。

可以計(jì)算出攪拌葉片的線速度v為6.28m/s，每個(gè)葉片受到的阻力F：

其中葉片對攪拌軸所產(chǎn)生的扭矩T：T=F×R=0.06N·m故攪拌軸的切應(yīng)力τ：

式中：WT—攪拌軸的抗扭截面系數(shù)；

[]

τ—許用切應(yīng)力，(25～45)MPa。

所以該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及軸的設(shè)計(jì)完全滿足要求。

3.2 手自一體環(huán)形噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì)

可拆式環(huán)形噴涂機(jī)械手通過環(huán)形噴孔實(shí)現(xiàn)對城市綠化干道樹干一次性噴涂作業(yè)，噴涂機(jī)械手的設(shè)計(jì)采用自動(dòng)/手動(dòng)一體化，自動(dòng)部分[11-12]采用ARM的FS系列芯片與24V電池驅(qū)動(dòng)機(jī)械手上下運(yùn)動(dòng)以及手動(dòng)/自動(dòng)切換裝置切換控制的功能，以適應(yīng)各種環(huán)境下的要求并且極大地方便了園林工人的操作。手自一體環(huán)形噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 手自一體環(huán)形噴涂機(jī)械手設(shè)計(jì)Fig.3 Manual and Automatic Integrated Ring Spraying Manipulator Design

噴涂機(jī)械手的上下移動(dòng)主要是靠電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)(噴涂機(jī)械手也可卸下，實(shí)現(xiàn)人工噴涂)；環(huán)形噴頭與手/自切換閥連接方便進(jìn)行手動(dòng)自動(dòng)擋的切換工作；9個(gè)噴嘴均勻的安裝在環(huán)形噴涂機(jī)械手兩側(cè)并使藥液呈約135°角噴出，噴涂有效半徑為(200～400)mm，噴涂量為(250～300)ML/s。

噴涂機(jī)械手固定在“L”型平臺上與絲杠導(dǎo)軌相連接，考慮到噴涂機(jī)械手與平臺的重量以及與樹干的碰觸作用對絲杠、導(dǎo)軌精度的影響。故將機(jī)械結(jié)構(gòu)三維模型導(dǎo)入Ansys Workbench中，施加定量負(fù)載3N后進(jìn)行相關(guān)力學(xué)仿真分析，分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 力學(xué)分析結(jié)果云圖Fig.4 The Cloud Chart of Mechanical Analysis Results

由圖4(a)總變形云圖可知結(jié)構(gòu)最大變形位置發(fā)生在平臺前端，最大變形0.0052494mm；由圖4(b)等效應(yīng)力圖可知導(dǎo)軌最大等效應(yīng)力在1.373e-5左右；由圖4(c)等效應(yīng)變云圖可以看出導(dǎo)軌最大等效應(yīng)變2.0763。45號碳素鋼屈服極限σb=355MPa，安全系數(shù)取ns=1.4，其許用應(yīng)力[σs]=253MPa，許用剪切應(yīng)力為146MPa[13，16]。經(jīng)比較可知，結(jié)構(gòu)的許用強(qiáng)度大于其最大等效應(yīng)力，所以此設(shè)計(jì)滿足實(shí)際使用要求，不會發(fā)生失效和損壞情況。

3.3 藥箱加壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

為保證藥箱里的壓力充足、藥水可連續(xù)輸出，需要對藥箱進(jìn)行間斷性加壓[17]。本方案中對藥水加壓方式采用的是氣動(dòng)直筒式加壓，可利用腳踏板反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)飛輪、曲柄滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對藥水加壓。當(dāng)藥箱壓力過高時(shí)，由減壓閥釋放過高的壓力，從而保證藥箱整體穩(wěn)定安全。藥箱加壓機(jī)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 藥箱加壓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.5 Pressure Drive Mechanism of Medicine Box

綜上所述，根據(jù)各功能部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析，采用常見的三輪移動(dòng)方式為主驅(qū)動(dòng)，滿足城市綠化干道保護(hù)層噴涂機(jī)器人環(huán)境需求，這里樣機(jī)整體實(shí)物，如圖6所示。噴涂機(jī)器人噴涂作業(yè)實(shí)驗(yàn)，如圖7所示。

圖6 整體實(shí)物圖 Fig.6 Overall Picture

圖7 噴涂作業(yè)實(shí)驗(yàn)圖Fig.7 Painting Experiment Diagram

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)組數(shù)：20組

地點(diǎn)：綠化干道

試驗(yàn)對象：A園林工人、B這里設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)、C本設(shè)計(jì)的噴涂機(jī)器人手動(dòng)化作業(yè)。

要求：樹干的直徑、涂白高度、樹干種類以及周圍環(huán)境一致，每次噴涂出藥按完成后均對出藥孔進(jìn)行清洗。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本次試驗(yàn)中，分別對20棵樹進(jìn)行涂白作業(yè)，其中人工刷白的平均時(shí)間為90s/樹，噴涂機(jī)器人自動(dòng)化的平均時(shí)間為30s/樹，噴涂機(jī)器人手動(dòng)化的平均時(shí)間為35s/樹。表示不同噴涂方式下，速率、勞動(dòng)強(qiáng)度、噴涂效果、可靠性等進(jìn)行對比。不同噴涂方式的對比，如表1所示。

表1 不同噴涂方式的對比Tab.1 Comparison of Different Spraying Methods

圖8 人工刷白與噴涂機(jī)器人噴涂效果比較Fig.8 Comparison of Spraying Effect Between Manual Whitewashing and Spraying Robot

通過實(shí)驗(yàn)的相關(guān)驗(yàn)證，得到關(guān)于城市綠化干道保護(hù)層噴涂機(jī)器人一次噴涂工作的時(shí)間僅30s，在噴涂效果方面，噴涂機(jī)器人效果均勻一致，樹干上無遺漏縫隙；而人工刷白效果較均勻，樹干有遺漏縫隙。人工刷白與噴涂機(jī)器人噴涂效果比較，如圖8所示。經(jīng)過30天20組實(shí)驗(yàn)，噴涂機(jī)器人保持了良好的工作效率，設(shè)備可靠穩(wěn)定。因此，保護(hù)層噴涂機(jī)器人可以有效地提高噴涂作業(yè)效率以及刷白效果。樹干保護(hù)層噴涂機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)、自動(dòng)一體化操作，保證在無電源環(huán)境下正常運(yùn)作；由于噴涂機(jī)器手采取氣動(dòng)清潔，可以有效地保證了機(jī)器人長時(shí)間工作的能力。

5 結(jié)論

在城市綠化干道保護(hù)層噴涂機(jī)器人的設(shè)計(jì)中：

(1)提出了機(jī)器人手動(dòng)、自動(dòng)一體化設(shè)計(jì)理念，保障無電源環(huán)境下的正常操作；

(2)提出了環(huán)形氣動(dòng)噴涂機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)樹干的一次性噴涂，一次工作僅用30s，僅為人工作業(yè)時(shí)間的三分之一，極大地提高噴涂作業(yè)效率；

(3)提出了機(jī)器人移動(dòng)平臺與藥箱攪拌、藥箱加壓裝置一體化工作的模式；

(4)噴涂機(jī)器手采取氣動(dòng)清潔，保證了機(jī)器人的長時(shí)間工作能力。