一種樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

陳宇翔 ，代文龍 ，孔俊超 ，陳夢強(qiáng) ，祝小康 ，查章根 ，張唯樂

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 238000）

樹干涂白可提升林場整體美觀性，防止和消滅病蟲害，預(yù)防日灼和凍傷，促進(jìn)樹木健康生長[1-2]。人工手持刷筒實(shí)施操作樹干涂白，工作強(qiáng)度大且近距離接觸涂白劑容易對人體造成傷害[3-4]。唐磊生等[5]設(shè)計(jì)了一種包括驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)、石灰水勾兌灌裝機(jī)構(gòu)、軌道滑塊機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等的人機(jī)協(xié)作的樹干涂白裝置，并完成了樹干涂白機(jī)的樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)。翟家怡[6]設(shè)計(jì)了一種含三自由度機(jī)械爪、移動(dòng)式履帶的可適應(yīng)多種地形的可快速涂白樹干的涂白機(jī)器人。目前關(guān)于樹干涂白機(jī)的設(shè)計(jì)主要為專利或設(shè)計(jì)研發(fā)[7-8]，設(shè)計(jì)整機(jī)尺寸大，導(dǎo)致成本高、適應(yīng)性差。因此，十分有必要設(shè)計(jì)一種智能化、全自動(dòng)的樹干涂白機(jī)。課題組設(shè)計(jì)了一種包括傳動(dòng)系統(tǒng)、夾緊機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)、移動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和電路控制系統(tǒng)的新型樹干涂白裝置，不僅可以大大提升工作效率、節(jié)省人力，同時(shí)結(jié)構(gòu)簡單、自動(dòng)化程度高、清潔環(huán)保，具有一定的推廣價(jià)值。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 總體結(jié)構(gòu)

樹干涂白機(jī)主要由主運(yùn)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)和電路控制系統(tǒng)四個(gè)部分組成。圖1為樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括電機(jī)、主動(dòng)搖桿、機(jī)構(gòu)連桿、從動(dòng)搖桿（夾爪）、噴管、傳動(dòng)桿、腳輪、儲存箱、氣泵、帶輪和車架等。夾緊機(jī)構(gòu)由兩個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)組成，升降機(jī)構(gòu)為用于調(diào)節(jié)涂白高度的絲杠機(jī)構(gòu)，噴管、氣泵和涂白劑儲存箱組成噴涂機(jī)構(gòu)。

圖1 樹干涂白機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 工作原理

將涂白機(jī)滾輪移動(dòng)至待涂白的樹干處，此時(shí)夾緊機(jī)構(gòu)和噴涂裝置的雙搖桿機(jī)構(gòu)處于開口狀態(tài)且在最高工作位置。圖2為夾緊噴涂裝置結(jié)構(gòu)示意圖，通過單點(diǎn)激光測距模塊對樹木進(jìn)行徑向掃描，得出樹木胸徑數(shù)據(jù)并自動(dòng)選取適合的噴涂模式。將涂白機(jī)推至工作目標(biāo)處，對準(zhǔn)待涂白的樹干，即可完成涂白預(yù)備工作。

圖2 夾緊噴涂裝置結(jié)構(gòu)示意圖

單片機(jī)控制系統(tǒng)可以調(diào)節(jié)噴涂裝置處的電動(dòng)機(jī)，利用帶傳動(dòng)傳遞動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)涂白裝置的主動(dòng)搖桿進(jìn)行單向擺動(dòng)。通過主動(dòng)搖桿處齒輪的嚙合，控制涂白裝置處兩組雙搖桿的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作。夾緊機(jī)構(gòu)與涂白裝置兩機(jī)構(gòu)的主動(dòng)搖桿處，利用同步傳動(dòng)軸，實(shí)現(xiàn)夾具和噴涂機(jī)構(gòu)的夾緊動(dòng)作一致。通過夾緊機(jī)構(gòu)與涂白裝置主動(dòng)搖桿處的齒輪模數(shù)差異，實(shí)現(xiàn)二者從動(dòng)搖桿夾緊部分的相對偏移，確保噴涂裝置的噴嘴和樹干表面之間有間隙，同時(shí)保證工作效率和設(shè)備安全性。

完成上述準(zhǔn)備工作后，啟動(dòng)自動(dòng)涂白工作模式。同時(shí)，利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)噴涂裝置的水平方向移動(dòng)，完成樹干表面軸向方向的涂白工作。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠進(jìn)而帶動(dòng)螺母副進(jìn)行移動(dòng)，從而帶動(dòng)噴涂機(jī)構(gòu)所在的工作平臺在垂直方向上移動(dòng)，完成樹干表面豎直方向的涂白工作。

2 關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

由于涂白機(jī)的工作環(huán)境對于傳動(dòng)速度以及傳動(dòng)精度的要求較低，屬于一般工作場合，并且作為農(nóng)用機(jī)械，工作環(huán)境較差，采用滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)涂白機(jī)的傳動(dòng)工作更為合適。

2.2 夾緊裝置設(shè)計(jì)

圖3為雙搖桿夾緊裝置結(jié)構(gòu)圖，夾緊裝置采用兩組雙搖桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作，能在夾緊力要求不高的情況下滿足使用要求，不會(huì)對設(shè)備自身以及待工作目標(biāo)造成傷害。在兩組機(jī)構(gòu)的主動(dòng)搖桿處利用齒輪嚙合，保證兩組機(jī)構(gòu)的從動(dòng)件搖桿實(shí)現(xiàn)同步動(dòng)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)夾緊動(dòng)作。

圖3 夾緊裝置結(jié)構(gòu)圖

2.3 噴涂裝置設(shè)計(jì)

圖4為雙搖桿噴涂裝置結(jié)構(gòu)圖，兩條噴管分別與兩組雙搖桿機(jī)構(gòu)固定連接，使得噴管和從動(dòng)搖桿同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)噴嘴和待工作目標(biāo)之間的相對距離控制。這不僅可以確保涂白劑的噴涂均勻，還可以避免噴嘴與樹干接觸。利用同步傳動(dòng)桿實(shí)現(xiàn)噴涂裝置和夾緊裝置動(dòng)作同步，驅(qū)動(dòng)帶輪電機(jī)6帶動(dòng)皮帶7運(yùn)行，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

圖4 噴涂裝置結(jié)構(gòu)圖

2.4 涂白劑儲存箱部分

圖5為儲存箱結(jié)構(gòu)圖，涂白劑料倉部分主要由料倉殼體、磁力攪拌器、小型高壓氣泵、進(jìn)氣管、涂白劑注入口、空氣過濾網(wǎng)、磁性浮子等組成。涂白劑儲存箱放置于裝置的重心處，下方安裝磁力攪拌器，用來防止涂白劑在儲存箱內(nèi)沉積。在箱體側(cè)面豎直安放液面高度計(jì)和一干彈簧管，通過箱內(nèi)的磁性浮子配合干彈簧管實(shí)現(xiàn)液面上下限位報(bào)警。當(dāng)液面高，磁性浮子靠近上干彈簧管時(shí)，干彈簧管閉合并給單片機(jī)輸入模擬信號，單片機(jī)對信號進(jìn)行處理并顯示在OLED屏幕上用于對數(shù)據(jù)的可視化。液面高度計(jì)由透明玻璃管上下與箱體連通，玻璃管液面即箱內(nèi)液面。

圖5 儲存箱結(jié)構(gòu)圖

涂白劑儲存箱頂部有進(jìn)氣孔和注入口，高壓氣體由高壓氣泵通過進(jìn)氣孔泵入箱內(nèi)。當(dāng)噴口電磁閥得電路徑為通路時(shí)，涂白液便可從噴口噴出。通過高壓氣泵和氣壓傳感器的閉環(huán)，可實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)氣壓的自動(dòng)化控制，不同的壓力會(huì)使涂白液的噴出距離不同。

3 控制與充放電部分模塊

3.1 模塊簡介

圖6為自動(dòng)控制各部件關(guān)系圖，圖7為初步電路設(shè)計(jì)及控制器圖?？刂婆c充放電部分主要由單片機(jī)、OLED屏幕、按鍵、鋰電池、充電口及傳感器組成。在機(jī)器對樹干涂白的過程中，對于不同胸徑的樹木，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)適應(yīng)樹木進(jìn)行最佳的涂白工作，因此會(huì)造成機(jī)器涂白的質(zhì)量差、對涂白劑的利用率低等問題。針對此問題，課題組設(shè)計(jì)了四種自動(dòng)涂白模式，從而實(shí)現(xiàn)對不同胸徑樹木的自適應(yīng)涂白工作。涂白模式及其參數(shù)如表1所示，四種自動(dòng)涂白模式分別調(diào)整機(jī)械手上下移動(dòng)速度、出料噴口數(shù)量及壓力等參數(shù)，使得不同徑級的樹木都可以均勻有效地被涂白劑覆蓋。左右夾緊裝置裝有對射的單點(diǎn)高精度激光測距模塊，當(dāng)樹木進(jìn)入夾緊裝置時(shí)，可以對樹木進(jìn)行徑向掃描得到其胸徑，并為其匹配最佳的涂白模式。

表1 涂白模式及其參數(shù)

圖6 自動(dòng)控制各部件關(guān)系圖

圖7 初步電路設(shè)計(jì)及控制器圖

該裝置采用鋰電池為各組件供電，并采用德州儀器ina226對電源電流電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度采集，使數(shù)據(jù)可視化。鋰電池組設(shè)計(jì)成可拆卸式，當(dāng)設(shè)備沒電時(shí)，可從電池倉取下沒電的電池?fù)Q上有電的電池，并將沒電的電池放入充電倉充電，提高作業(yè)效率。此外，還可以采用停機(jī)充電的方式進(jìn)行補(bǔ)電，兩種補(bǔ)電方式相輔相成，以便適應(yīng)各種工作環(huán)境。在野外大型森林以及用電不方便的環(huán)境中，可以建立太陽能補(bǔ)電站，利用清潔能源，實(shí)現(xiàn)零碳排放。

3.2 相關(guān)程序控制模塊及其機(jī)理

相關(guān)程序如下，程序中包含6個(gè)庫。

#include ＜Adafruit_BMP085.h＞

#include ＜Wire.h＞

#include ＜Adafruit_GFX.h＞

#include ＜Adafruit_SSD1306.h＞

#include ＜GyverINA.h＞

#include ＜Stepper.h＞

1）氣壓計(jì)傳感器BMP280的庫文件，氣壓計(jì)與開發(fā)板通過IIC通信。

2）Wire庫是Arduino的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)庫，它被用于I2C（Inter-Integrated Circuit）總線通信協(xié)議。I2C通信協(xié)議可以讓多個(gè)設(shè)備通過兩根信號線進(jìn)行通信。Wire庫包含了使用I2C通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)的函數(shù)和方法，這些函數(shù)和方法可以幫助用戶在Arduino與其他硬件設(shè)備進(jìn)行可靠的雙向數(shù)據(jù)傳輸。

3）Adafruit_GFX是一個(gè)Arduino庫，用于在液晶屏幕上繪制圖形。它提供了一系列用于像素級控制圖形的功能函數(shù)，如畫線、畫圓、填充矩形等，并支持不同字體的渲染和顯示。使用此庫可以讓開發(fā)者輕松地在液晶屏幕上繪制出各種復(fù)雜圖形和圖標(biāo)，并且占用的內(nèi)存和處理器負(fù)載非常小，適用于單片機(jī)等資源有限的嵌入式平臺。

4）Adafruit_SSD1306是一個(gè)針對SSD1306 OLED顯示器的Arduino庫。該庫提供了一組用于控制和驅(qū)動(dòng)OLED屏幕的函數(shù)，如繪制圖形、刷屏、顯示文本等。此外，還可以通過調(diào)節(jié)參數(shù)設(shè)置OLED顯示器的亮度、對比度、旋轉(zhuǎn)角度等，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。使用Adafruit_SSD1306庫可以輕松地操控OLED屏幕，并且具有良好的兼容性和可擴(kuò)展性，其在嵌入式設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。

5）GyverINA是雙向電流/功率監(jiān)視器芯片ina226的庫文件。

6）Stepper是Arduino的標(biāo)準(zhǔn)庫之一，用于驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)相對于直流電機(jī)擁有較高的精度和控制可定性，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。Stepper庫提供了一組函數(shù)，可以讓用戶輕松控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度、方向和步數(shù)等參數(shù)，配合其他電子元器件（如感應(yīng)開關(guān)、旋鈕等）可以實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的控制功能。在使用Stepper庫時(shí)，需要根據(jù)具體的步進(jìn)電機(jī)型號以及對其控制參數(shù)的需求來設(shè)置庫中的相關(guān)參數(shù)，以便實(shí)現(xiàn)理想的運(yùn)動(dòng)軌跡和步進(jìn)精度。通過距離傳感器對樹木半徑進(jìn)行測量，從而選擇不同的噴涂模式。

4 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性分析

4.1 力學(xué)特性分析

樹干涂白機(jī)主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為雙搖桿機(jī)構(gòu)，力學(xué)特性分析包括運(yùn)動(dòng)特性、慣性力和慣性力矩分析，圖8為主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力示意圖，圖9為機(jī)構(gòu)分離體的受力示意圖。

圖8 主運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的受力示意圖

圖9 機(jī)構(gòu)分離體受力示意圖

4.1.1 慣性力分析

主動(dòng)搖桿AB的質(zhì)心為S1，連桿BC的質(zhì)心為S2，從動(dòng)搖桿CD的質(zhì)心為S3。主動(dòng)搖桿AB上作用有驅(qū)動(dòng)（平衡）力矩Mb，從動(dòng)搖桿CD上作用有工作阻力矩Mr。

4.1.2 平衡方程

每處運(yùn)動(dòng)副所產(chǎn)生的反力分解為沿x軸、y軸方向的兩個(gè)分力以及一對未知的平衡力矩Mb、Mr[9-10]。

4.2 機(jī)構(gòu)受力特性分析

夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊端所受到工作阻力矩為5 N·m時(shí)，即可完成夾緊動(dòng)作，得出如圖10所示的受力特性曲線圖。機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，各個(gè)桿件在搖桿擺角范圍為15°～60°的工況中所受到的運(yùn)動(dòng)副反力較?。?0 N以下），主動(dòng)搖桿處所需要施加的驅(qū)動(dòng)力矩不高（5.8 N·m～9.6 N·m）。采用強(qiáng)度適中、質(zhì)量較輕的材料充當(dāng)桿件材料即可滿足桿件的強(qiáng)度要求，同時(shí)采用體積較小、所需扭矩不高的電機(jī)即可滿足該搖桿機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)要求，機(jī)構(gòu)整體滿足設(shè)計(jì)要求。

圖10 機(jī)構(gòu)受力特性曲線圖

5 結(jié)論

1）本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的樹干涂白裝置，它包括傳動(dòng)系統(tǒng)、夾緊機(jī)構(gòu)、噴涂機(jī)構(gòu)、移動(dòng)裝置、驅(qū)動(dòng)裝置和電路控制系統(tǒng)。傳動(dòng)系統(tǒng)為絲杠螺母機(jī)構(gòu)，氣缸活塞夾緊機(jī)構(gòu)與雙搖桿夾緊機(jī)構(gòu)相配合可以在固定機(jī)器工作位置噴涂的同時(shí)，保證樹木噴涂范圍完整，均勻涂白且涂白劑消耗量小。

2）左右夾緊裝置裝有對射的單點(diǎn)高精度激光測距模塊，樹木進(jìn)入夾緊裝置時(shí)可以對樹木進(jìn)行徑向掃描得到其胸徑，并為其匹配最佳的涂白模式。調(diào)整機(jī)械手上下移動(dòng)速度、出料噴口數(shù)量及壓力等參數(shù)，使不同徑級的樹木都可以均勻有效地被涂白劑覆蓋。

3）機(jī)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，各個(gè)桿件在搖桿擺角范圍為15°～60°的工況中所受到的運(yùn)動(dòng)副反力較小（50 N以下），主動(dòng)搖桿處所需要施加的驅(qū)動(dòng)力矩不高（5.8 N·m～9.6 N·m）。采用強(qiáng)度適中、質(zhì)量較輕的材料為桿件材料即可滿足桿件的強(qiáng)度要求。