便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)研究

羅慶生，林彬彬，李凱林，王 彥

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車(chē)輛學(xué)院，北京 100081；3.海南中學(xué)，海南 ?？?571158）

1 引言

天然橡膠具有高彈性、高延展性、高耐磨性等良好特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)各個(gè)領(lǐng)域。近年來(lái)，天然橡膠的需求量在日益增加，而傳統(tǒng)產(chǎn)膠方式已嚴(yán)重落后，對(duì)各種自動(dòng)化割膠設(shè)備的需求也就愈發(fā)迫切。

相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間以來(lái)，人們對(duì)自動(dòng)化割膠機(jī)器設(shè)備的研究此起彼伏、未曾停歇。例如，由印度學(xué)者馬修·扎卡里亞斯發(fā)明的割膠機(jī)器人由凸輪機(jī)、割膠刀、轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成[1]，雖能切割出較為理想的膠槽軌跡，但成本過(guò)高，且適應(yīng)性不強(qiáng)、可靠性不好；我國(guó)學(xué)者設(shè)計(jì)出的電動(dòng)割膠、割松油機(jī)雖能實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，但定位困難，對(duì)操作要求十分嚴(yán)格[2]；文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種綁在樹(shù)上使用的割膠機(jī)器人，初步實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)割膠，但無(wú)法準(zhǔn)確保證切割深度；2016年，武漢市享昱科技有限公司發(fā)明了一種自動(dòng)割膠機(jī)器人，但其無(wú)法適用不同樹(shù)徑的膠樹(shù)；由中國(guó)熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院橡膠研究所與寧波漢浦工具有限公司共同研發(fā)的[4]“橡豐4GXJ－I 型電動(dòng)膠刀”仍須手持割膠，并未擺脫依賴(lài)人工操作的不足；文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)的可獨(dú)立操作的半自動(dòng)軌道式割膠機(jī)器人，還存在著無(wú)法選擇切割軌跡的問(wèn)題；隨著人工智能的興起，文獻(xiàn)[6]提出開(kāi)發(fā)一種可以通過(guò)具有障礙物檢測(cè)功能的橡膠種植園自主導(dǎo)航的機(jī)器，可以附加諸如割膠和膠乳收集之類(lèi)的子任務(wù)，并且可以用于提高效率并降低天然橡膠的生產(chǎn)成本。

綜上可見(jiàn)，目前國(guó)內(nèi)外仍未研制出一種攜帶方便、使用簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)精煉、成本低廉的全自動(dòng)智能化割膠設(shè)備。針對(duì)割膠工作的特點(diǎn)，詳細(xì)介紹了所設(shè)計(jì)的便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理、控制特點(diǎn)，并對(duì)運(yùn)動(dòng)功能進(jìn)行了分析與討論。

2 機(jī)器人的設(shè)計(jì)分析

2.1 理想割膠軌跡要求

傳統(tǒng)的割膠程序主要分為“割膠”和“收膠”兩大部分，其中“割膠”是自動(dòng)化裝置解決問(wèn)題的重點(diǎn)，也是設(shè)計(jì)機(jī)器人討論的重點(diǎn)；“收膠”工序可由非熟練工人完成[7?8]。針對(duì)“割膠”工序，業(yè)界制定了一套開(kāi)割標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)割膠樹(shù)木要求、割膠面積規(guī)劃要求、切削深度與耗皮量要求，提出了理想割膠軌跡要求。

傳統(tǒng)割膠的切割軌跡反映在膠樹(shù)表面的是一段螺旋曲線(xiàn)，為了保證天然膠液能夠沿著這段螺旋曲線(xiàn)順利流到膠碗，該螺旋線(xiàn)的傾角是至關(guān)重要的，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期實(shí)踐證明，采用陽(yáng)線(xiàn)（25～30）°或者陰線(xiàn)（35～40）°的傾角范圍十分利于產(chǎn)膠。如果將膠樹(shù)看作一圓柱體，以徑圍50cm的膠樹(shù)作為分析對(duì)象，對(duì)采用陰陽(yáng)切法獲得的軌跡進(jìn)行建模并分析，可得到相關(guān)理想狀態(tài)下的螺旋曲線(xiàn)：

式中：r—膠樹(shù)的半徑，2πr=50cm；h=7mm；θ—繞膠樹(shù)水平運(yùn)動(dòng)的角度；α—螺旋線(xiàn)傾角。

上述式（1）～式（3）中可以看出各個(gè)方向上的分運(yùn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，彼此約束，因此水平方向與豎直平面間的運(yùn)動(dòng)受到同一因素影響，就不能做到相互獨(dú)立。若將兩運(yùn)動(dòng)使用不同的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，則可以實(shí)現(xiàn)彼此獨(dú)立的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。

式中：H—沿著膠樹(shù)軸向方向的距離。

將螺旋傾角取不同值代入MATLAB 中可以得到切割軌跡的近似三維曲線(xiàn)圖。在陽(yáng)刀切法下傾角為25°的情況，如圖1所示。陰陽(yáng)刀切法下的極限位置的螺旋軌跡圖，如圖2所示。

從圖1、圖2可知，形成螺旋曲線(xiàn)需兩個(gè)方向的分運(yùn)動(dòng)組成，分運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源的區(qū)別又將影響形成的螺旋曲線(xiàn)。

圖1 陽(yáng)刀切法，25°傾角時(shí)螺旋軌跡圖Fig.1 Imperone Knife，Spiral Track Chart at 25?Degree Iinclination

圖2 陰陽(yáng)刀切法極限位置螺線(xiàn)軌跡圖Fig.2 Yin and Yang Knife Cut Limit Position Screw Track Map

2.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)目標(biāo)

采用割刀“割膠”的過(guò)程要求十分苛刻，不僅要求能夠?qū)崿F(xiàn)特定的切割軌跡，還要求保證割槽的理想深度。通過(guò)膠林調(diào)研考察、查閱資料，在對(duì)傳統(tǒng)割膠工藝要求耗皮合理、深度適宜的基礎(chǔ)上，提出了便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的各項(xiàng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：

（1）割膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)，能夠可靠適應(yīng)不同樹(shù)徑的膠樹(shù)；

（2）裝拆方便、體積小、重量輕，便攜性能好；

（3）能耗低，工作時(shí)間長(zhǎng)；

（4）切槽軌跡可擬合出膠效果最佳的膠槽軌跡，切割弧線(xiàn)角度、切割長(zhǎng)度可調(diào)；

（5）切割深度最優(yōu)，自適應(yīng)于不同樹(shù)徑、不同樹(shù)皮結(jié)構(gòu)的各類(lèi)膠樹(shù)[7]；

根據(jù)這些目標(biāo)，便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人需突破以下三大難關(guān)：

（1）自適應(yīng)不同樹(shù)徑膠樹(shù)；

（2）切割軌跡角度、長(zhǎng)度可調(diào)；

（3）切割深度可控。

3 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)割膠作業(yè)的特點(diǎn)，制定出機(jī)器割膠需要滿(mǎn)足的功能，并選定了安裝快捷穩(wěn)定，自適應(yīng)性強(qiáng)、切割軌跡多樣、切割深度可控的便攜式割膠機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，這個(gè)方案的合理性在于其結(jié)構(gòu)的巧妙布局，機(jī)械結(jié)構(gòu)的精巧為割膠功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的三維模型，如圖3所示。

圖3 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人三維模型圖Fig.3 3D Model Diagram of Portable Automatic Glue?Cutting Cobot

機(jī)器人主要分為三個(gè)機(jī)構(gòu)，分別為抱緊機(jī)構(gòu)、刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)和切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過(guò)這些結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)布局，完成割膠的一系列工作。

3.1 抱緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

抱緊機(jī)構(gòu)采用扎帶的反搭扣設(shè)計(jì)，利用彈簧墊填充增加摩擦力的方式，確定了抱緊機(jī)構(gòu)對(duì)膠樹(shù)的大范圍適應(yīng)性。抱緊機(jī)構(gòu)主要由定位螺釘、圓弧軌道、圓弧齒條、支撐桿組成，采用240°的優(yōu)弧軌道設(shè)計(jì)，采用這種加大角度的圓弧軌道，能夠避免在機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中無(wú)法達(dá)到180°的水平切割運(yùn)動(dòng)的約束。圓弧軌道內(nèi)側(cè)半徑選擇20cm，保證與樹(shù)徑之間的空間，保證刀具切割的完成。

由于便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人要滿(mǎn)足對(duì)膠樹(shù)有較好的適應(yīng)性，優(yōu)弧軌道端口間的距離為l=200cos30°=173mm，當(dāng)樹(shù)木的徑圍大于優(yōu)弧的端口距離時(shí)無(wú)法完成安裝，故采用開(kāi)合鉸鏈，將圓弧優(yōu)弧軌道均分為兩劣弧軌道，用彈簧連接兩劣弧軌道，通過(guò)調(diào)節(jié)螺帽的松緊控制彈簧，從而保證裝夾的穩(wěn)定性[9?10]，如圖4所示。同時(shí)針對(duì)膠樹(shù)截面的不規(guī)則性，為保證裝夾機(jī)構(gòu)與膠樹(shù)同心，采用抱緊機(jī)構(gòu)中定位塊與定位螺釘相配合，實(shí)現(xiàn)四點(diǎn)定心。

圖4 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人開(kāi)合鉸鏈模型Fig.4 Open?Close Hinge Model for Portable Automatic Glue?Cutting Robot

自動(dòng)割膠機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)功能實(shí)現(xiàn)式依賴(lài)機(jī)器人在膠樹(shù)上完成穩(wěn)定裝夾，提供了穩(wěn)定的割膠作業(yè)平臺(tái)，能夠提高割膠效率，減少機(jī)器人操作失誤。

3.2 刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)

便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)，如圖5所示。主要由絲杠螺母座、刀具進(jìn)給箱、刀頭伸縮桿、移動(dòng)斜塊等零部件組成。電機(jī)帶動(dòng)螺紋桿旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)來(lái)控制螺紋桿上的移動(dòng)斜塊的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)距離。

道具進(jìn)給機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)功能主要是實(shí)現(xiàn)刀頭進(jìn)入樹(shù)皮，并完成對(duì)進(jìn)入深度的精準(zhǔn)控制，保證產(chǎn)量，減少對(duì)膠樹(shù)的傷害。如圖5所示。電機(jī)旋轉(zhuǎn)（1）帶動(dòng)螺紋桿（4）轉(zhuǎn)動(dòng)，移動(dòng)斜塊（5）隨之往下運(yùn)動(dòng)施加作用力于刀具伸縮塊（8），當(dāng)?shù)额^伸縮塊（8）受到移動(dòng)斜塊（5）在伸縮塊斜面的分力大于彈簧柱（10）的彈簧力的時(shí)候開(kāi)始?jí)嚎s彈簧，此時(shí)彈簧柱給伸縮塊一反向作用力減緩刀具的進(jìn)給速度，因?yàn)殡姍C(jī)的力絕對(duì)大于彈簧力，所以伸縮塊是實(shí)現(xiàn)伸縮，當(dāng)進(jìn)給后完成切割工作之后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，已壓縮的彈簧產(chǎn)生彈力將伸縮塊送回，實(shí)現(xiàn)收刀動(dòng)作。

3.3 切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證在膠樹(shù)圓周上的切割軌跡在不同徑圍、不同截面形狀的膠樹(shù)上都能實(shí)現(xiàn)切割軌跡的穩(wěn)定性，要求便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的切割軌跡具有可調(diào)性。切割運(yùn)動(dòng)可以被分為周向運(yùn)動(dòng)與軸向運(yùn)動(dòng)，若兩運(yùn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，如式（1）～式（3）運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)單一，并不能滿(mǎn)足適應(yīng)性要求，要實(shí)現(xiàn)式（4）～式（6）的效果，采用兩個(gè)電機(jī)使周向運(yùn)動(dòng)與軸向運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立，只需要控制好兩電機(jī)的同步運(yùn)動(dòng)即可。電機(jī)的布局思路，如圖6所示。垂直放置節(jié)約空間，錯(cuò)開(kāi)距離方便其他控件的安裝。

圖6 切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)布局思路Fig.6 Cutting Motion Mechanism Motor Layout Ideas

便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，如圖7所示。軸向運(yùn)動(dòng)采用滾珠絲杠完成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，減少運(yùn)動(dòng)抖動(dòng)，保證運(yùn)動(dòng)精度。圓周運(yùn)動(dòng)采用齒輪傳動(dòng)保證傳動(dòng)的平穩(wěn)與膠樹(shù)的切割。

圖7 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切削運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)Fig.7 Cutting Motion Mechanism for Portable Automatic Glue?Cutting Robot

便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)功能要求完成繞膠樹(shù)表面的弧線(xiàn)。圖圓周運(yùn)動(dòng)是步進(jìn)電機(jī)搭載減速器（15）帶動(dòng)電機(jī)上的主動(dòng)齒輪（10）旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪（10）與傳動(dòng)齒輪（11）嚙合帶動(dòng)中間軸（15）轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)二級(jí)嚙合齒輪1（19）開(kāi)始旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)二級(jí)嚙合齒輪2（20）轉(zhuǎn)動(dòng)，二級(jí)嚙合齒輪是用鍵與銷(xiāo)釘與傳動(dòng)軸相連，保證了運(yùn)動(dòng)同步，電機(jī)通過(guò)二級(jí)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)軸端嚙合齒輪旋轉(zhuǎn)，開(kāi)始圓周運(yùn)動(dòng)。直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)由另一電機(jī)搭配減速器帶動(dòng)絲杠軸轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)。兩運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立實(shí)現(xiàn)了切割軌跡的多樣性。

4 機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人主要包括抱緊機(jī)構(gòu)、切削進(jìn)給機(jī)構(gòu)與刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)，其中抱緊機(jī)構(gòu)采用人工安裝，其余兩部分則需要由電機(jī)完成驅(qū)動(dòng)。

控制系統(tǒng)，如圖8所示。切削進(jìn)給機(jī)構(gòu)中的兩個(gè)電機(jī)分別完成滾珠絲杠的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與齒輪傳動(dòng)的圓周運(yùn)動(dòng)，這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)要求同時(shí)起步，分別控制。刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)需要控制電機(jī)，保證割膠作業(yè)的切割深度與耗皮量適當(dāng)。

圖8 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人控制系統(tǒng)框架Fig.8 System Framework for Portable Automatic Glue?Cutting Robot

只要三個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)彼此配合，就能達(dá)到理想的切割螺旋軌跡。在已確定便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸后，依據(jù)功能需求選用分布式的控制系統(tǒng)框架，并對(duì)相應(yīng)的硬件進(jìn)行選型與空間布局。為控制刀具進(jìn)刀與收刀，采用直流電機(jī)控制器單獨(dú)控制。而切削運(yùn)動(dòng)采用STM32主控板控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，保證周向運(yùn)動(dòng)與軸向運(yùn)動(dòng)的同步性，電機(jī)的配置[11?12]，如表1所示。通過(guò)樹(shù)莓派3B完成主控制，為底層驅(qū)動(dòng)板實(shí)現(xiàn)刀具進(jìn)給與切削運(yùn)動(dòng)發(fā)送指令的功能。樹(shù)莓派作為主控元件，還可以適用于不同的控制場(chǎng)景，并且設(shè)有USB與以太接口，可以實(shí)現(xiàn)刀具的進(jìn)刀與切割的遠(yuǎn)程控制，方便割膠作業(yè)，節(jié)約作業(yè)時(shí)間。

表1 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人電機(jī)參數(shù)Tab.1 Portable Automatic Glue-Cutting Robot Motor Parameters

便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程需要對(duì)三個(gè)運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行供電，這三部分運(yùn)動(dòng)的控制器件主要包括兩個(gè)42步進(jìn)電機(jī)、對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、37直流無(wú)刷電機(jī)、控制板L298N、STM32控制板、樹(shù)莓派3B以及接近開(kāi)關(guān)，考慮到便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人在膠林里需要長(zhǎng)時(shí)間使用，充電不便等因素，選用8400mAh的電池與2400mAh的電池，大電量的控制電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，小電量的用于啟動(dòng)控制板，避免在接線(xiàn)時(shí)意外通電的情況，在電源輸出端連接一開(kāi)關(guān)用于控制電壓的輸出。

4.1 切割軌跡控制模塊

為保證圓周運(yùn)動(dòng)與絲杠運(yùn)動(dòng)的同步性，選用STM32F103作為主控芯片進(jìn)行電路設(shè)計(jì)?？紤]到42 步進(jìn)電機(jī)額定電壓與STM322的工作電壓，選用12V的鋰電池作為供電電源，并使用穩(wěn)壓元件LM2596與SP6205完成降壓電路的設(shè)計(jì)，其中LM2596負(fù)責(zé)將電壓從12V降至5V，SP6205負(fù)責(zé)將電壓從5V降至3.3V，這樣的兩級(jí)降壓電路能保證電源電壓的穩(wěn)定性與相關(guān)芯片的散熱。

通過(guò)以上的電路原理圖的設(shè)計(jì)，用Altium Designer進(jìn)行電路PCB的電路板設(shè)計(jì)，用的是雙層板與雙層布線(xiàn)的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完之后選擇相應(yīng)的元器件進(jìn)行焊接，并對(duì)其整個(gè)電路板的硬件進(jìn)行測(cè)試，最終得到的PCB板與實(shí)物電路圖，如圖9所示。為保證切削運(yùn)動(dòng)與圓周運(yùn)動(dòng)的距離，在切削運(yùn)動(dòng)的首尾兩端還安裝了限位開(kāi)關(guān)。

圖9 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切割軌跡控制電路Fig.9 Track Control Circuit for Portable Automatic Glue?Cutting Rrobot

4.2 道具進(jìn)給控制模塊

控制刀具進(jìn)給機(jī)構(gòu)主要需要做到對(duì)進(jìn)刀和收刀的控制，故電機(jī)需要做到有足夠大的力使刀具扎入樹(shù)皮，同時(shí)保持速度防止切割深度過(guò)深，也要避免斷開(kāi)電機(jī)時(shí)刀具的碰撞與變形。再加上空間布局的限制，要求電機(jī)的體積小、質(zhì)量輕、力矩大，通過(guò)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)進(jìn)刀與收刀，綜合上述因素選擇了37直流無(wú)刷電機(jī)，具體參數(shù)，如表1所示。刀具進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)的控制器選用L298控制板器。

5 實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)上述機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終加工制造，并裝配調(diào)試完成后的樣機(jī)，如圖10所示。其中齒輪與滾珠采用的是45號(hào)鋼，滾珠絲杠軸的材質(zhì)是S45C，絲杠螺母的材質(zhì)是C6782，刀具選用的是高碳素鋼，查閱相關(guān)資料可以得到45號(hào)鋼與S45C的最大屈服應(yīng)力為600MPa，C6782的最大屈服應(yīng)力為530MPa。完成了樣機(jī)之后，利用樣機(jī)在實(shí)際膠林環(huán)境中進(jìn)行了割膠工作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)機(jī)器人的性能。

圖10 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人實(shí)物樣機(jī)Fig.10 Prototype of Portable Automatic Glue?Cutting Robot

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)與步驟

本次實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的功能完備性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。具體的實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）在膠林中選定可以開(kāi)割的膠樹(shù)；（2）安裝便攜式割膠機(jī)；（3）開(kāi)始切割實(shí)驗(yàn)；（4）測(cè)量記錄切割傾角、切割時(shí)間、切割深度；觀測(cè)裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)選在海南的膠林里進(jìn)行，使用樣機(jī)在膠林內(nèi)的普通膠樹(shù)上進(jìn)行割膠工作。樣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)時(shí)完成裝夾后的切割工作狀態(tài)，如圖11所示。從圖中可以看出抱緊機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)良好，可以順利的完成與截面為不規(guī)則圓形的膠樹(shù)的同心，穩(wěn)定性較好。將便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人在不同的滿(mǎn)足割膠行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的膠樹(shù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的切割軌跡的痕跡，如圖12所示。

圖11 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人樣機(jī)實(shí)驗(yàn)圖Fig.11 Prototype Periment of Portable Automatic Glue?Cutting Robot

圖12 便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人切割軌跡痕跡Fig.12 Traces of the Cut Trajectory of Portable Automatic Glue?Cutting Robot

通過(guò)對(duì)切割傾角、切割時(shí)間、切割深度進(jìn)行記錄可以得到以下結(jié)果：

（1）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量，不同速度下可得切割軌跡的傾角最大可以達(dá)到42°左右，滿(mǎn)足機(jī)器切割軌跡多樣化的需求。

（2）切割長(zhǎng)度最大可以覆蓋膠樹(shù)的半個(gè)徑圍，滿(mǎn)足對(duì)切割長(zhǎng)度可調(diào)的需求。

（3）通過(guò)調(diào)節(jié)刀頭可以得到不同深度的切割軌跡，此時(shí)測(cè)量所得軌跡的深度不完全一致，最深處為7.5mm左右，最淺處在6.4 mm左右，誤差控制在1.1mm。

（4）切割時(shí)間大概在20s左右，所提供的電源能滿(mǎn)足機(jī)器的能耗持久的功能。

結(jié)果（3）中的誤差是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人存在輕微的振動(dòng)，導(dǎo)致切割軌跡有些許毛刺。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果與圖片，我們可以看出實(shí)驗(yàn)效果令人滿(mǎn)意，機(jī)器能穩(wěn)定裝夾，也能基本實(shí)現(xiàn)它的切割功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

詳細(xì)闡述了便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人的樣機(jī)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與布局，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了細(xì)致說(shuō)明，并且利用樣機(jī)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)割膠驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，設(shè)計(jì)的便攜式自動(dòng)割膠機(jī)器人結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)、切割軌跡多樣、切割深度可控，可以用于膠林進(jìn)行膠樹(shù)切割作業(yè)，減輕了膠農(nóng)負(fù)擔(dān)，提高了割膠效率。