樹木涂白機發(fā)展探討

胡鑫 林森 欒厚澤 袁小東 高忱

摘要：采用機械化和信息化作業(yè)替代人工，對于提高樹木涂白勞動效率和經(jīng)濟效益至關(guān)重要。介紹樹木涂白機的工作原理及組成，分析現(xiàn)有自適應涂白機與非自適應涂白機需要解決的技術(shù)問題，提出涂白機的研究重點在于涂白模塊、自動化控制及模塊化設計，以期為促進樹林涂白機進一步研究與發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：樹木;涂白機;自適應;非自適應

中圖分類號：S776.28? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1674-1161（2020）05-0057-03

樹干涂白是指根據(jù)防治目的和樹種不同，選用不同配方制成涂白劑涂抹在樹干基部的一種綠色環(huán)保防治方法，旨在防止樹木受到凍傷、灼傷和蟲害，通常北方冬季涂白1次，南方涂白2次。傳統(tǒng)涂白方式是通過人工手持毛刷蘸取涂白劑涂抹或噴霧器噴涂（如圖1和圖2所示），存在工作強度大、作業(yè)效率低、質(zhì)量參差不齊等問題，且因容易接觸到有害化學藥劑而危害作業(yè)人員健康。目前市場上已有多種類型涂白機，但涂白工作仍以人工為主。

1 樹木涂白機類型

樹木因品種、種植年限不同，其直徑也不盡相同，甚至同一棵樹自上到下也呈不規(guī)則形態(tài)。從理論上來說，噴涂裝置能夠完全主動適應任意不規(guī)整變化，即噴頭可以很好地貼合樹干邊界軌跡完成噴涂工作的機器，稱之為自適應涂白機;噴頭不能適應樹木表面不規(guī)則變化，而需通過一些改良包括控制出料壓力、更換機械臂直徑等方法間接完成對不規(guī)則樹木表面噴涂的機器，稱之為非自適應涂白機。

1.1 非自適應涂白機

樹木涂白不是一項高精尖的工作，作業(yè)裝置結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)維修成本低廉即可滿足作業(yè)要求。目前市場上大多采用非自適應涂白機進行樹木涂白作業(yè)。按照涂白機核心模塊—噴涂模塊設計思路，非自適應涂白機可分為以下類型。

1） 自動化程度較低的非自適應機器（如圖3a所示）。其特點是噴涂組件所含有的噴頭數(shù)量多于現(xiàn)有的手持噴霧式涂白機，單位時間噴涂面積即作業(yè)效率高于手持噴霧式涂白機。作業(yè)時，作業(yè)人員手持噴涂組件，將安有噴頭的環(huán)形裝置套在樹上，然后沿著樹干方向完成噴涂工作。

2） 自動化程度較高的非自適應涂白機器（如圖3b所示）。其主要由噴涂裝置、儲備裝置、控制裝置三部分構(gòu)成。作業(yè)時，噴頭套在樹干上，由動力裝置控制其上下移動，不需人工手持噴頭，作業(yè)效率明顯提高，且一定程度上可適應不同特征的樹干。

3） 自動化程度很高的非自適應涂白機器（如圖3c所示）。其特點是設有一端開口的柱狀套筒，套筒內(nèi)自上到下設有多層噴口，作業(yè)時開口柱狀套筒將待涂白的樹干圍住，邊上下移動邊噴出涂白劑，大大縮短了噴涂作業(yè)時間，也可有效防止化學試劑噴到作業(yè)人員身上。這種作業(yè)方式適應噴涂部分較直的樹干，且對樹木直徑有一定要求。

1.2 自適應涂白機

樹干直徑超出噴涂夾套尺寸、樹木彎曲程度過大、樹木差異很大等情況超出非自適應機器所能調(diào)節(jié)的范圍，影響機器使用。因此，研究人員設計出多種能適應樹干不同特征的自適應涂白機。

1） 配有噴涂模塊的自適應涂白機（如圖4a所示）。其特點是在手持噴霧器裝置上設有手持操作噴涂模塊，該模塊可根據(jù)噴頭與樹干之間的距離調(diào)整壓力，噴涂效果好，作業(yè)成本低，應用范圍廣。涂白作業(yè)的大部分指令由作業(yè)人員完成，可在保證靈活性的同時，通過增加噴頭數(shù)量和藥箱體積來提高單位時間的噴涂面積。

2） 可變化框架形狀的自適應涂白機（如圖4b所示）。其特點是通過控制噴涂框架形變，使噴頭與樹木表面保持合理的距離。這種裝置自上而下運動，可在一定程度上滿足不同形狀樹干的噴涂作業(yè)。

3） 機電一體化自適應涂白機（如圖4c所示）。借助傳感器（如紅外距離傳感器等）和合理的機械結(jié)構(gòu)設計，將信號傳給電腦，控制執(zhí)行器使噴頭與樹干表面保持合理的角度和距離，從而完成噴涂作業(yè)。這種機器可適應不同形狀的樹干，自動化程度高，但機器成本高，適于規(guī)?；鳂I(yè)。

2 樹木涂白機應用情況

2.1 應用范圍不廣

目前，非自適應噴涂機應用范圍較廣，主要用于噴涂道路兩旁生長較為規(guī)整的樹木。但在實際應用中，常常遇到樹干彎曲較大、分枝較多、直徑相差較大等情況，這些情況超出了非自適應涂白機的調(diào)節(jié)范圍。此外，大多數(shù)噴涂裝置的機械臂和開口柱狀套筒直徑不可調(diào)，實際作業(yè)時只能通過控制液體噴出的壓力來適應不同直徑的樹木，導致噴涂液消耗較多，且影響作業(yè)效率和效果。而灌木類樹木幾乎沒有適用的涂白機器。

2.2 機器設計不精

城市綠化樹木有時會使用圍欄加以保護，而圍欄的寬度和高度缺乏統(tǒng)一標準，操作人員涂白作業(yè)時無法將機器開進圍欄，只能在圍欄外作業(yè)。還有部分樹木種在人行道或馬路中間的隔離帶上，因存在臺階不便作業(yè)。但在設計中，往往對這些因素考慮不夠充分，導致機器適應性不強，難以實施作業(yè)或影響作業(yè)效果。

2.3 經(jīng)濟效益不高

非自適應涂白機和自適應涂白機雖然作業(yè)效率較高、作業(yè)效果較好，但作業(yè)成本較高，且易受地形限制。目前市場上應用較多的是手持電動噴霧機，其造價遠低于非自適應涂白機和自適應涂白機，且能適應復雜地形，靈活性高。

3 樹木涂白機發(fā)展趨勢

需要涂白的樹木大多為規(guī)劃種樹，涂白處較直、彎曲度較小且不同樹木直徑大小相近，設計時可對某種固定形狀的噴涂組件進行改良來完成噴涂工作。此外，采用直徑大小可調(diào)的通用夾具，調(diào)節(jié)噴頭的噴射壓力，調(diào)整機械臂的上下運動速率等，這些方法均可用于一定樹干粗細范圍內(nèi)噴涂的設計。

3.1 改進噴涂模塊

1） 非自適應涂白機的最大缺點是噴涂裝置尺寸大小固定、無法調(diào)節(jié)。為此，可通過更換不同尺寸的噴涂模塊來完成不同直徑樹木的噴涂。噴涂模塊是涂白機的核心部件。現(xiàn)行設計的噴涂模塊與整體連接較為緊密（包含線路、軟管等），頻繁更換容易引起密閉性變差，可改進設計為通過按鍵即可完成不同尺寸噴涂模塊的伸縮與更換。

2） 自適應涂白機的改進方向是使噴頭在無人干預情況下自主貼合樹木輪廓，實現(xiàn)一種機器能對任意生長狀況的樹木進行噴涂。這就需要將機械電子、控制科學、計算機科學等相關(guān)學科知識融合應用于涂白機中，滿足機電一體化設計需要。

3.2 應用自動化控制

結(jié)合運用其他領(lǐng)域新技術(shù)，實現(xiàn)樹木涂白的完全自動化。如利用GPS導航模塊、超聲波雷達模塊實現(xiàn)涂白機自動駕駛;利用視覺模塊、激光模塊建立樹木三維模型，合理構(gòu)建算法，從而自動識別和搜索樹木;利用太陽能電池模塊實現(xiàn)續(xù)航等。圖5是一種超聲波模塊涂白機器人，它采用了視覺模塊、GPS模塊、PLC一體機等技術(shù)，可在較為規(guī)范的人行道上自主搜尋樹木進行刷白。

3.3 設計多功能模塊

樹木涂白機器人價格昂貴，使用成本高。采用模塊化設計實現(xiàn)一機多用，即涂白機不僅可以完成樹木涂白，還能完成噴灑、噴藥等其他園藝工作，可較好地解決成本高問題。重點研究多功能園林機快速接口技術(shù)，實現(xiàn)更換工作組件即可完成不同工作任務。

參考文獻

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