高效綠籬修剪機(jī)器人設(shè)備的開(kāi)發(fā)研究

摘要：針對(duì)目前車(chē)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(wèn)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(guò)現(xiàn)場(chǎng)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(kāi)發(fā)

中圖分類號(hào)：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(zhǎng)型植物，生長(zhǎng)參差不齊會(huì)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(chē)流量大、車(chē)速快、路程長(zhǎng)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(duì)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(chē)載式自動(dòng)化修剪機(jī)來(lái)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(guó)的車(chē)載式修剪機(jī)還處于研發(fā)起步階段，仍存在如下問(wèn)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(duì)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(kāi)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(duì)綠籬修剪進(jìn)行系統(tǒng)仿真，通過(guò)仿真和虛擬測(cè)試評(píng)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(guò)控制器在環(huán)的手段對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試，經(jīng)過(guò)不斷的模型修改和仿真分析，開(kāi)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(tái)，開(kāi)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(duì)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(kāi)研究。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上對(duì)機(jī)械接口、偏載、作業(yè)穩(wěn)定性、車(chē)體剛強(qiáng)度等進(jìn)行多方面考慮。電氣接口從功率、過(guò)壓過(guò)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(shí)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(duì)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(duì)象的中心特征識(shí)別問(wèn)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(guò)程的影響機(jī)理，研究其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，以確?？撤サ毒呤褂玫母咝?、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(mén)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(guò)大問(wèn)題，對(duì)于一些中央隔離帶較窄路段，無(wú)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(lái)提供較大功率，而大電流常帶來(lái)不安全因素，因此對(duì)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(duì)于頂部修剪需要在原來(lái)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(kāi)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(guò)程中，定位是核心問(wèn)題。特別是在精確對(duì)接領(lǐng)域，單個(gè)定位傳感器通常會(huì)因?yàn)楣庹?、雨淋或者其他原因?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(duì)接過(guò)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(duì)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(guò)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(duì)場(chǎng)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(chē)。同時(shí)移動(dòng)機(jī)器人采用DWA算法對(duì)速度控制進(jìn)行評(píng)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(duì)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(guò)對(duì)全向車(chē)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全向車(chē)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(chē)前后各設(shè)置一個(gè)視覺(jué)識(shí)別裝置，前一個(gè)用來(lái)識(shí)別道路邊緣線，實(shí)現(xiàn)全向車(chē)能夠沿道路邊緣線自動(dòng)巡航行駛，后一個(gè)用來(lái)校核全向車(chē)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(tái)，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(kāi)發(fā)技術(shù)，建立上位機(jī)，打通與全向車(chē)、機(jī)械臂的通信障礙，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)全向車(chē)以及機(jī)械臂的控制，并針對(duì)每一棵綠籬記錄其相對(duì)標(biāo)記點(diǎn)的坐標(biāo)，建立綠籬坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，綠籬坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)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(wú)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(pán)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高速修剪，剪切口平整，無(wú)擊碎現(xiàn)象，不傷樹(shù)，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(zhǎng)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(jué)技術(shù)以及機(jī)器人技術(shù)，能精準(zhǔn)識(shí)別樹(shù)木軸干，找到樹(shù)木的軸心位置。應(yīng)用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)、人工智能技術(shù)、智能運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，開(kāi)發(fā)出遠(yuǎn)程遙控平臺(tái)，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(chǎng)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(yǔ)

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(shí)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(tái)，取得了高效修剪和自動(dòng)巡航的階段成果，并經(jīng)過(guò)了上路測(cè)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(chǎng)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(duì)不同路況進(jìn)行測(cè)試。

綠籬機(jī)器人項(xiàng)目如最終研制成功，經(jīng)測(cè)算，設(shè)備購(gòu)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(wàn)元費(fèi)用，能大幅度降低設(shè)備壽命期內(nèi)運(yùn)營(yíng)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(huì)效益。綠籬機(jī)器人項(xiàng)目的成功實(shí)施將對(duì)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