一種基于機(jī)器視覺(jué)識(shí)別的智能綠籬修剪機(jī)設(shè)計(jì)

， 冉 玥， 陳龍吟， 李澤楷， 白 鑫

(東北林業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江，哈爾濱150040)

目前我國(guó)園林傳統(tǒng)修剪方式主要以手工修剪枝杈為主，修剪效率低，而且質(zhì)量較差。手工修剪剪切角度不一致[1]，切口質(zhì)量得不到保證[2-3]。手工修剪機(jī)對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差[4-5]，也無(wú)法高度自動(dòng)化。

本設(shè)計(jì)主要建立視覺(jué)識(shí)別攝像頭、刀架、底盤(pán)等修剪機(jī)組成部分的三維模型，通過(guò)Anysy有限元仿真進(jìn)行力學(xué)分析[6-7]，對(duì)刀具性能、切削用量及刀具參數(shù)進(jìn)行了分析。

1 修剪機(jī)工作過(guò)程

修剪機(jī)通過(guò)單目攝像頭進(jìn)行視覺(jué)識(shí)別，當(dāng)上下攝像頭識(shí)別到相關(guān)目標(biāo)信號(hào)時(shí)，分別進(jìn)行控制系統(tǒng)的位置反饋和作業(yè)反饋，通過(guò)滾輪和導(dǎo)軌之間配合進(jìn)行目標(biāo)搜索，當(dāng)修剪機(jī)放置在工作地點(diǎn)并啟動(dòng)時(shí)，進(jìn)行刀架高度調(diào)整，使其符合枝杈大致高度以及相應(yīng)剪切角度。根據(jù)視覺(jué)識(shí)別裝置的指令，修剪機(jī)對(duì)枝杈沿橫截面進(jìn)行剪切，工作中依靠上下兩部電機(jī)組帶動(dòng)齒輪，使刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行剪切，剪切結(jié)束后關(guān)閉電機(jī)。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 視覺(jué)裝置

視覺(jué)裝置主要包括兩個(gè)攝像頭，分別置于上部和下部，上部攝像頭安裝于活動(dòng)支架上，和電機(jī)相配合，在電機(jī)輸出軸垂直平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，用于鎖定目標(biāo)位置，且安裝機(jī)械限位凸起，用于保證攝像頭俯仰角一定；下部攝像頭安裝于底盤(pán)中間，通過(guò)螺紋副固定，底盤(pán)上裝有滾動(dòng)支架，通過(guò)支架中螺紋孔和下部電機(jī)進(jìn)行固定，并且裝有從動(dòng)滾輪，下部攝像頭通過(guò)滾輪可在導(dǎo)軌上移動(dòng)從而獲取目標(biāo)極限位置以及作業(yè)情況采集。視覺(jué)裝置如圖1所示。

圖1 視覺(jué)裝置

2.2 刀架

刀架由固定刀架、固定鉸鏈、驅(qū)動(dòng)絲桿、活動(dòng)鉸鏈、連桿機(jī)構(gòu)、修剪刀頭固定單元、滑輪、修剪刀頭移動(dòng)軌道組成。刀架結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖 2 刀架結(jié)構(gòu)1.固定刀架；2.固定鉸鏈；3.驅(qū)動(dòng)絲桿；4.活動(dòng)鉸鏈；5.連桿機(jī)構(gòu)；6.修剪刀頭固定單元；7.滑輪；8.修剪刀頭移動(dòng)軌道

根據(jù)綠籬修剪的需求，設(shè)計(jì)一種可調(diào)節(jié)且穩(wěn)定性高的綠籬修剪機(jī)刀架。刀架總體由兩個(gè)部分組成，第一部分是與機(jī)架相連接的固定部分；第二部分是與固定部分發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)部分，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)修剪角度的功能。

固定部分由刀具移動(dòng)軌道、固定架、驅(qū)動(dòng)絲桿組成。固定架上安裝有驅(qū)動(dòng)絲桿，也可將刀架與修剪機(jī)機(jī)體相連。刀具移動(dòng)軌道與驅(qū)動(dòng)絲桿固定架間為螺絲連接，方便根據(jù)不同的修剪需求更換不同形狀的軌道。軌道與固定架連接部分示意圖如圖3所示。

活動(dòng)部分由連桿機(jī)構(gòu)和修剪刀具單元組成，修剪單元上的滑輪將刀具運(yùn)動(dòng)限制在軌道內(nèi)。修剪刀具單元與軌道配合示意圖如圖4所示。

圖3 軌道與固定架連接部分示意圖

圖4 修剪刀具單元與軌道配合示意圖

2.3 刀頭移動(dòng)軌道

修剪單元在軌道上的運(yùn)動(dòng)原理為驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)絲桿螺母在垂直方向上移動(dòng)，絲桿螺母上由一個(gè)中間連接塊與連桿機(jī)構(gòu)相鉸接，當(dāng)絲桿螺母移動(dòng)時(shí)，連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)，最終帶動(dòng)修剪單元的移動(dòng)。刀頭移動(dòng)軌道的作用是限制修剪單元的移動(dòng)軌跡，軌道內(nèi)側(cè)在加工時(shí)設(shè)有涂層，減少滑輪在軌道上移動(dòng)時(shí)的摩擦。刀頭移動(dòng)軌道示意圖如圖5所示。

圖5 刀頭移動(dòng)軌道示意圖

2.4 刀頭固定單元

刀頭固定單元由框架、直流電機(jī)和刀具組成。框架與連桿機(jī)構(gòu)通過(guò)滾針軸承鉸接，當(dāng)連桿機(jī)構(gòu)移動(dòng)時(shí)，鉸接處帶動(dòng)框架移動(dòng)?？蚣軆蓚?cè)各固定一個(gè)滑輪，使框架的移動(dòng)軌跡被限制在軌道內(nèi)。直流電機(jī)通過(guò)電機(jī)座固定在框架內(nèi)部，通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)刀具做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，達(dá)到修剪的目的。刀頭固定單元組合示意圖如圖6所示。

圖6 刀頭固定單元組合示意圖

3 刀具轉(zhuǎn)速設(shè)定

修剪機(jī)在工作時(shí)如果增大電機(jī)功率使轉(zhuǎn)速增加，轉(zhuǎn)矩將減小，在功率一定的情況下切削力將變小使刀具磨損增大，但轉(zhuǎn)速過(guò)低容易使枝杈修剪不連貫，剪切面不符合要求，因此綜合考慮轉(zhuǎn)速設(shè)定為3 000 r/min。

4 Ansys靜力學(xué)分析

4.1 刀片Solidworks建模

根據(jù)有限單元法的思想，研究刀片可以提取一個(gè)單元進(jìn)行研究，故建立一個(gè)刀片的三維模型，通過(guò)Solidworks生成相應(yīng)文件，進(jìn)行相應(yīng)尺寸標(biāo)注，保存為x_t格式，導(dǎo)入Ansys。

4.2 靜力學(xué)分析

通過(guò)對(duì)刀片模型作有限元Ansys求解得到相應(yīng)結(jié)果，找出刀具受力薄弱部分在切削時(shí)加以保護(hù)。變形云圖、應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D分別如圖7、圖8、圖9所示。

圖7 變形云圖

圖8 應(yīng)力云圖

圖9 應(yīng)變?cè)茍D

5 結(jié)論

綠籬修剪機(jī)工作時(shí)通過(guò)視覺(jué)識(shí)別可以將目標(biāo)位置信息以及作業(yè)情況通過(guò)視覺(jué)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)修剪機(jī)自動(dòng)化，能夠進(jìn)行合理高效修剪。分析了刀具的力學(xué)性能，Ansys有限元分析結(jié)果可顯示出機(jī)器薄弱區(qū)，由此可以避開(kāi)刀具薄弱部分，防止在剪切作業(yè)中刀具發(fā)生損傷，有效提高刀具的使用壽命。