高效綠籬修剪機(jī)器人設(shè)備的開發(fā)研究

摘要：針對目前車載式修剪機(jī)應(yīng)用還不成熟，綠籬的修剪基本采用人工方式，存在效率低、效果差和安全風(fēng)險(xiǎn)大等問題，文章結(jié)合廣西高速公路中央分隔帶綠籬修剪的發(fā)展需求，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種自動(dòng)化程度高、工作效率高、綠色環(huán)保的新型高效修剪機(jī)器人。通過現(xiàn)場試驗(yàn)表明，該修剪機(jī)器人具有較高的自動(dòng)化水平，工作效率較高，并且修剪效果具有良好的一致性，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

關(guān)鍵詞：綠籬；修剪機(jī)器人；開發(fā)

中圖分類號：U415.5 A 56 183 2

0 引言

高速公路中央分隔帶具有分隔交通、防止眩光、誘導(dǎo)視線等功能。分隔帶主要由綠化植物組成，綠化植物是生長型植物，生長參差不齊會阻擋交通標(biāo)志牌或者影響駕駛員視線，需要定時(shí)養(yǎng)護(hù)和修理。因此，綠籬的修剪和管理任務(wù)異常重要。高速公路有車流量大、車速快、路程長等特點(diǎn)，而目前高速公路中央綠化帶基本上都采用剪刀人工修剪，或者用手持式綠籬機(jī)修剪，以上修剪方式具有工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、修剪統(tǒng)一性差、對人員要求高、人員眾多、安全風(fēng)險(xiǎn)大等缺點(diǎn)，研發(fā)并使用車載式自動(dòng)化修剪機(jī)來提升自動(dòng)化水平、提高作業(yè)安全性已經(jīng)成為迫切的需求。但目前我國的車載式修剪機(jī)還處于研發(fā)起步階段，仍存在如下問題：自動(dòng)化程度低，還需人工輔助；噪聲大，造成噪聲污染；工人勞動(dòng)強(qiáng)度高；修剪效率不高，雖能實(shí)現(xiàn)平面修剪，但不能實(shí)現(xiàn)圓柱形、球形、錐形等個(gè)性化修剪。

目前，在廣西范圍內(nèi)高速公路中央隔離帶綠籬都要求進(jìn)行圓柱形或球形修剪，本文針對此需求，擬設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化程度高、工作效率高、綠色環(huán)保的新型高效綠籬修剪機(jī)器人。

1 系統(tǒng)開發(fā)

綠籬修剪機(jī)器人是綜合了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)以及液壓等多學(xué)科交叉融合的復(fù)雜系統(tǒng)，本文利用CAD軟件基于特征的參數(shù)化建模，研究機(jī)器人本體、承載機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.1 主體設(shè)計(jì)

基于數(shù)字化產(chǎn)品主模型，對綠籬修剪進(jìn)行系統(tǒng)仿真，通過仿真和虛擬測試評估，獲取候選物理模型外觀、結(jié)構(gòu)、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的特性，利用CAE分析改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，獲得整機(jī)的最佳性能。

基于硬件在環(huán)仿真技術(shù)，建立機(jī)器人虛擬結(jié)構(gòu)模型、虛擬動(dòng)作模型以及“橋梁”數(shù)據(jù)接口，將虛擬機(jī)構(gòu)模型與外部控制器進(jìn)行耦合，在實(shí)際加工制造機(jī)器人之前就能通過控制器在環(huán)的手段對其進(jìn)行仿真測試，經(jīng)過不斷的模型修改和仿真分析，開發(fā)出滿足預(yù)期目標(biāo)的數(shù)字化樣機(jī)。搭建模塊化、系列化設(shè)計(jì)平臺，開展虛實(shí)結(jié)合的機(jī)器人關(guān)鍵零部件可靠性試驗(yàn)研究，完成產(chǎn)品的加工制造和設(shè)計(jì)定型。綠籬修剪機(jī)器人以四軸機(jī)器臂為載體，研制出可運(yùn)用于綠籬修剪的機(jī)器人形式。

1.2 接口研究

綠籬修剪機(jī)器人需要滿足多種機(jī)器人的搭載，主要針對不同機(jī)器人的機(jī)械接口、電氣接口以及軟件調(diào)度方面展開研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對機(jī)械接口、偏載、作業(yè)穩(wěn)定性、車體剛強(qiáng)度等進(jìn)行多方面考慮。電氣接口從功率、過壓過流、安全性方面進(jìn)行研究，在軟件調(diào)度上融合多機(jī)械臂通信接口、數(shù)據(jù)融合以及調(diào)度控制進(jìn)行研究。

自動(dòng)造型修剪作業(yè)的關(guān)鍵在于造型中心的快速識別與快速定位。項(xiàng)目研究苗木修剪造型的顏色、幾何和紋理基本特征提取方法，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)算法挖掘被修剪對象的深層次圖像特征，基于深層次圖像特征隱含關(guān)系研究被切割對象的中心特征識別問題。

2 刀具設(shè)計(jì)

刀具是實(shí)現(xiàn)綠籬修剪作業(yè)的重要部件之一。研究機(jī)械化砍伐刀具結(jié)構(gòu)形式、刀具的尺寸、刀具的工作轉(zhuǎn)速等作業(yè)過程的影響機(jī)理，研究其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以確保砍伐刀具使用的高效率、可靠性、穩(wěn)定性和綠籬苗木切口平滑不拉傷。根據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)一款圓柱形修剪刀具［1］，采用鋁合金龍門式結(jié)構(gòu)，質(zhì)量輕，且每個(gè)刀片均由一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，結(jié)構(gòu)輕巧。在修剪的時(shí)候，修剪刀具僅需旋轉(zhuǎn)180°就可以完成綠籬圓柱形修剪工作。

初期修剪頭存在厚度過大問題，對于一些中央隔離帶較窄路段，無法下探至護(hù)欄底下，并且直流電機(jī)的工作需要大電流來提供較大功率，而大電流常帶來不安全因素，因此對刀頭的優(yōu)化改進(jìn)十分迫切。為此，設(shè)計(jì)基于多楔帶式的修剪頭，采用三相異步電機(jī)為動(dòng)力，將多楔帶藏在刀架內(nèi)，實(shí)現(xiàn)刀架變薄的目的，刀架減重約10 kg。

個(gè)性化修剪頭僅能實(shí)現(xiàn)側(cè)面修剪，對于頂部修剪需要在原來機(jī)械臂的基礎(chǔ)上更換刀具。為了提高效率和使用的便捷性，設(shè)計(jì)了一套打頂裝置，該打頂裝置利用帶自鎖的電缸可實(shí)現(xiàn)上下高度數(shù)字化調(diào)節(jié)，并另設(shè)計(jì)了避障裝置，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，可將前臂收回，實(shí)現(xiàn)避障功能。

高效綠籬修剪機(jī)器人設(shè)備的開發(fā)研究/曹璀璨，吳湘檸，陳義時(shí)，向程彬

3 自動(dòng)巡航

3.1 巡航和避障功能

綠籬修剪機(jī)器人自主導(dǎo)航過程中，定位是核心問題。特別是在精確對接領(lǐng)域，單個(gè)定位傳感器通常會因?yàn)楣庹铡⒂炅芑蛘咂渌驅(qū)е聰?shù)據(jù)不穩(wěn)定、精度低或者具有累計(jì)誤差等，而不能滿足自主導(dǎo)航穩(wěn)定性與對接過程中的精度要求。本項(xiàng)目中需要多種傳感器的定位方法，最終形成了一種數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好、精確度高，能滿足精確對接的定位方法。根據(jù)定位數(shù)據(jù)，還需要進(jìn)行路徑跟蹤，實(shí)現(xiàn)在工作點(diǎn)的精確定位。

綠籬修剪機(jī)器人避障是指在移動(dòng)過程中或動(dòng)態(tài)環(huán)境下，需要基于速度障礙法與DWA算法的動(dòng)態(tài)避障規(guī)劃算法進(jìn)行避障。在速度障礙法下，對場景中的障礙物進(jìn)行優(yōu)化處理，使用矩形描述動(dòng)態(tài)、靜態(tài)障礙物，根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人與目標(biāo)間的距離控制，確定合適的目標(biāo)點(diǎn)，保證機(jī)器人安全地跟車。同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人采用DWA算法對速度控制進(jìn)行評價(jià)，從中選擇適當(dāng)?shù)目刂浦噶钸M(jìn)行避障。

3.2 模塊設(shè)計(jì)

綠籬修剪機(jī)器人采用麥克納姆輪、懸掛模塊、驅(qū)動(dòng)軸系、驅(qū)動(dòng)器總成、綜合控制箱、液壓動(dòng)力單元、遙控系統(tǒng)、安全控制系統(tǒng)等標(biāo)準(zhǔn)模塊，按照機(jī)械臂需求定制全向移動(dòng)機(jī)器人，采用遙控器和遠(yuǎn)程控制，對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)移動(dòng)控制。融合多種傳感器實(shí)現(xiàn)精確定位導(dǎo)航，并采用動(dòng)態(tài)避障法實(shí)現(xiàn)避障。綠籬修剪機(jī)器人上安裝差分GPS、相機(jī)、電子里程計(jì)、激光位移傳感器等多種傳感器實(shí)現(xiàn)定位，根據(jù)自身位置與目標(biāo)位置偏差實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤，到達(dá)指定位置［2］。通過對全向車的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全向車在高速路面上行駛，并保證麥克納姆輪具有足夠的使用壽命，全向車前后各設(shè)置一個(gè)視覺識別裝置，前一個(gè)用來識別道路邊緣線，實(shí)現(xiàn)全向車能夠沿道路邊緣線自動(dòng)巡航行駛，后一個(gè)用來校核全向車行駛的準(zhǔn)確性。

3.3 遠(yuǎn)程控制

搭建企業(yè)工業(yè)機(jī)器人“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)云服務(wù)平臺，解決工業(yè)機(jī)器人及多種傳感器與云服務(wù)之間的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時(shí)交互。基于WEB+技術(shù)、APP軟件開發(fā)技術(shù)，建立上位機(jī)，打通與全向車、機(jī)械臂的通信障礙，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對全向車以及機(jī)械臂的控制，并針對每一棵綠籬記錄其相對標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)，建立綠籬坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，綠籬坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫是自動(dòng)巡航修剪的重要組成部分，配合5G技術(shù)影像技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視和無線操控。

4 現(xiàn)階段成果

應(yīng)用機(jī)器人技術(shù)研制出可運(yùn)用于綠籬修剪的機(jī)器人形式，其末端承受能力達(dá)90 kg，修剪作業(yè)半徑為3 m。修剪頭采用鋁型材作為骨架，大大減輕了重量，運(yùn)用鋸盤設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速修剪，剪切口平整，無擊碎現(xiàn)象，不傷樹，速度為50 s/棵，修剪綠籬直徑范圍達(dá)800～1 300 mm，最大修剪截面長度達(dá)到180 mm，可實(shí)現(xiàn)圓柱形、球形等形狀修剪。

應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)，能精準(zhǔn)識別樹木軸干，找到樹木的軸心位置。應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，開發(fā)出遠(yuǎn)程遙控平臺，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡航功能以及定位功能，巡航精度為±25 mm，定位精度為±30 mm。

在廣西南友路進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)，綠籬修剪機(jī)器人具有較高的自動(dòng)化水平，工作效率較高，并且修剪效果具有良好的一致性，達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。

5 結(jié)語

本文闡述了綠籬修剪機(jī)器人的研發(fā)設(shè)計(jì)，從機(jī)器人形式設(shè)計(jì)，識別技術(shù)的應(yīng)用，到個(gè)性化刀具設(shè)計(jì)和自動(dòng)巡航避障功能的實(shí)現(xiàn)，建立遠(yuǎn)程遙控平臺，取得了高效修剪和自動(dòng)巡航的階段成果，并經(jīng)過了上路測驗(yàn)。但綠籬修剪機(jī)器人科研項(xiàng)目還在最后研發(fā)階段，部分功能還有待進(jìn)一步優(yōu)化，如枝葉自動(dòng)回收和整理功能還需完善。試驗(yàn)路段中央分隔帶型式為波形護(hù)欄，而作為協(xié)作項(xiàng)目和主要應(yīng)用場景之一的桂林至柳州高速改建工程中央分隔帶采用的是新澤西護(hù)欄，中央分隔帶寬度為2～3 m，下一步綠籬修剪機(jī)器人還需對不同路況進(jìn)行測試。

綠籬機(jī)器人項(xiàng)目如最終研制成功，經(jīng)測算，設(shè)備購入初年較原中央分隔帶綠化帶養(yǎng)護(hù)模式可節(jié)省約20萬元費(fèi)用，能大幅度降低設(shè)備壽命期內(nèi)運(yùn)營成本。修剪后的綠籬外觀整齊一致，施工安全性也得到保障，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。綠籬機(jī)器人項(xiàng)目的成功實(shí)施將對廣西高速公路建設(shè)形成良好的示范帶動(dòng)作用，推廣意義重大。

參考文獻(xiàn)

［1］唐 果.高速公路綠籬修剪機(jī)器人運(yùn)動(dòng)特性研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2019.

［2］方朋朋，楊家富，施楊洋，等.基于APF的綠籬修剪機(jī)器人避障應(yīng)用研究［J］.林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備，2018（12）：41-47.

收稿日期：2022-11-30