基于Arduino的行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周田偉 葛紀(jì) 王辛偉 陳曉飛

一、行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人設(shè)計(jì)

行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人使用的控制器是Arduino控制板中的UNO系列，控制模塊包括校準(zhǔn)模塊、超聲波感知模塊、噴涂模塊、限位模塊、遙控模塊。

（一）智能校準(zhǔn)系統(tǒng)

機(jī)器人的智能校準(zhǔn)系統(tǒng)主要是由多自由度機(jī)械臂以及位于機(jī)械臂和機(jī)械爪上的測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成。位于機(jī)身不同位置的測(cè)距模塊將采集到的大量距離數(shù)據(jù)反饋到我們用于校準(zhǔn)處理的控制器，得到樹(shù)木相對(duì)于機(jī)器的空間位置和空間姿態(tài)，最后將有用的信息（如樹(shù)木傾斜角）傳遞給主控芯片。主控芯片控制機(jī)械臂移動(dòng)，保證樹(shù)木與機(jī)械臂平行運(yùn)動(dòng)，從而達(dá)到最好的噴涂效果，應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境。智能校準(zhǔn)系統(tǒng)攻克了樹(shù)木生長(zhǎng)傾斜，以及在復(fù)雜路面上車(chē)身傾斜而導(dǎo)致噴涂效果不佳甚至無(wú)法噴涂的難題，提高了機(jī)器的工作適應(yīng)性。

（二）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

履帶式底盤(pán)的四條履帶全部使用直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用L298N驅(qū)動(dòng)器對(duì)控制系統(tǒng)發(fā)出的方波信號(hào)進(jìn)行放大，使其電流達(dá)到直流電機(jī)的啟動(dòng)值，然后通過(guò)改變方波信號(hào)的占空比實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

（三）超聲波感知模塊

機(jī)器的超聲波感知體系是由五個(gè)超聲波測(cè)距裝置構(gòu)成，分別安裝在機(jī)械臂的上方與下方，以及機(jī)械爪的左右和后方。將采集到的距離數(shù)值通過(guò)融合算法進(jìn)行計(jì)算，得出樹(shù)木對(duì)于機(jī)器的空間位置和位姿，計(jì)算完成后將這些數(shù)值反饋給主控芯片，使其在控制機(jī)器噴涂過(guò)程中，樹(shù)木始終位于機(jī)械爪的中央位置。

（四）運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)模塊選用了絲桿線(xiàn)性導(dǎo)軌滑臺(tái)，確保了工作精度及升降效率，動(dòng)力部分選用了57步進(jìn)電機(jī)，保證了足夠的升力。模塊分控單片機(jī)通過(guò)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)送信號(hào)，控制滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度與上下運(yùn)動(dòng)次數(shù)。伸縮桿的伸縮我們通過(guò)繼電器進(jìn)行控制，模塊分控單片機(jī)給繼電器信號(hào)從而改變伸縮桿的電流方向來(lái)控制伸縮桿伸縮。

（五）遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)

藍(lán)牙通訊是通過(guò)特定頻率的電磁波實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或者多點(diǎn)的數(shù)據(jù)通訊方式，具有傳輸穩(wěn)定，丟包率低，能耗低等優(yōu)點(diǎn)，所以我們采用藍(lán)牙通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊，使得我們的工作人員可以遠(yuǎn)程啟動(dòng)與關(guān)閉機(jī)器，還可以在遇到突發(fā)狀況或者需要在特殊通過(guò)特殊地形的時(shí)候可以進(jìn)行人工干預(yù)，保證機(jī)器的安全運(yùn)行。

二、行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

（一）底盤(pán)結(jié)構(gòu)

小車(chē)底盤(pán)采用了3mm鋁合金材質(zhì)，硬度和輕量化均達(dá)到了特定需求，同時(shí)加裝了1020的鋁型材作為車(chē)架，增強(qiáng)了整體車(chē)身載重能力。

（二）整體懸掛

為了使小車(chē)適用于多種地形，我們采用了坦克上扭桿式懸掛，通過(guò)金屬結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而獲得彈性力。小車(chē)的負(fù)重輪通過(guò)肘節(jié)與扭桿連接，當(dāng)負(fù)重輪上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，肘節(jié)把運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)扭桿的運(yùn)動(dòng)，使扭桿的彈性力產(chǎn)生緩沖作用。

（三）機(jī)械爪與機(jī)械臂

機(jī)械爪是四個(gè)內(nèi)半徑10cm外半徑13cm的半圓環(huán)組合而成，用舵機(jī)于齒輪控制張合。機(jī)械臂是由一個(gè)絲桿線(xiàn)性導(dǎo)軌滑臺(tái)和兩個(gè)伸縮桿組成，通過(guò)絲桿線(xiàn)性導(dǎo)軌滑臺(tái)完成機(jī)械爪在Z軸上的位移，兩個(gè)伸縮桿分別使機(jī)械爪在X，Y軸上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

（四）絲桿線(xiàn)性導(dǎo)軌滑臺(tái)

絲桿線(xiàn)性導(dǎo)軌滑臺(tái)由螺桿、螺母和滾珠等結(jié)構(gòu)組成。它的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)榫哂泻苄〉哪Σ磷枇Γ钥梢栽诟哓?fù)載的情況下完成高精度的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。

三、行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人工作原理與過(guò)程

步驟一，行道樹(shù)自動(dòng)養(yǎng)護(hù)機(jī)器人開(kāi)始工作后，會(huì)根據(jù)原先設(shè)定好的程序進(jìn)行路徑規(guī)劃，行進(jìn)同時(shí)通過(guò)超聲波模塊進(jìn)行障礙檢測(cè);

步驟二，在既定道路上運(yùn)行的過(guò)程中，當(dāng)超聲波測(cè)距裝置檢測(cè)到物體時(shí)，機(jī)器停止前進(jìn)，進(jìn)行對(duì)物體的檢測(cè);

步驟三，檢測(cè)到樹(shù)木后，機(jī)器會(huì)展開(kāi)機(jī)械臂環(huán)抱樹(shù)木，同時(shí)噴灑裝置上的超聲波測(cè)距裝置實(shí)時(shí)調(diào)控距離。在確定樹(shù)木處于噴灑裝置中心之后，打開(kāi)噴灑裝置，物料池中攪拌裝置工作，均勻噴出涂料，機(jī)械臂由下至上自動(dòng)運(yùn)行;

步驟四，噴灑工作結(jié)束之后，水泵及攪拌裝置停止工作，機(jī)械臂復(fù)位，機(jī)器繼續(xù)前進(jìn)，重復(fù)工作，直至使用者下達(dá)停止工作的指令。

四、結(jié)語(yǔ)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理，操作簡(jiǎn)單，工作人員只需將機(jī)器帶到工作地點(diǎn)，然后運(yùn)行機(jī)器，即可對(duì)行道樹(shù)進(jìn)行自動(dòng)噴白，智能化程度高并且速度快，節(jié)約了人力和時(shí)間，降低了石灰對(duì)人體的傷害。（作者單位：皖西學(xué)院 電氣與光電工程學(xué)院）

基金項(xiàng)目：皖西學(xué)院校級(jí)質(zhì)量工程一般項(xiàng)目（wxxy2018033），皖西學(xué)院校級(jí)自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目（wxsk201904），國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目（006040218070）。