绿篱修剪机器人（精选3篇）
绿篱修剪机器人 篇1
1 引言
随着我国城市绿化面积的不断增加, 人们对绿篱修剪的造型、平整度及修剪速度的要求也越来越高, 园林绿化作业具有涉及面广, 作业项目多, 作业内容、作业对象及作业条件差异大, 有极强的季节性和特殊的地域性等一系列鲜明特点[1,2]。林业机器人在国内外均有研究, 鉴于林业作业受作业条件、作业环境的影响, 以及劳动强度大和世界上发达国家劳动力匮乏, 因此, 林业机器人在发达国家发展较快, 特别是日本、美国、德国、加拿大、瑞典和挪威等国家, 尤以日本水平最高。林业机器人的应用领域大致可分为:采种机器人、植栽机器人、抚育机器人、采运机器人、林产品精深加工机器人[3,4,5,6]。我国的林业机器人研究开发起步较晚, 但是国家“863”计划智能机器人主题 (现为机器人技术主题) 专家们对林业机器人的研究开发给予了高度重视, 并取得了相应的研究成果[7,8,9,10,11,12,13,14], 而对于绿篱修剪机器人, 则研究的相对较少, 为此设计出一台自动修剪机器人, 以突破传统的人工修剪模式, 提高劳动生产率和修剪作业质量, 减少劳动强度。
本研究设计的绿篱修剪机器人是一种以园林绿篱为操作对象、兼有人类部分信息感知和四肢行动功能、可重复编程的柔性自动化设备。修剪机器人平台控制系统能够无线接收来自修剪机器人上摄像机所拍摄的图像信息, 实时反馈到操作者, 根据实际要求设定行走路线、修剪高度和范围, 并进行实时监控。同时, 为了针对可能会遇到未能修剪或机器人的位置偏离了所设定的行走轨道等情况, 增加了手动无线遥控功能, 可以通过遥控手柄灵活地控制机器人, 以便调整位置状态, 适应实际工作的要求。
2 整体结构及工作方式
绿篱修剪机器人平台控制系统主要由车载控制系统模块、无线图像传输部分、遥控端控制部分、四自由度机械手臂伸缩部分、修剪执行器部分、驱动行走小车部分组成[15,16]。整体结构图如图1所示。
根据实际园林种植园的种植范围和绿篱藤枝的高度, 设计出行走部分的行走范围和机械手臂的修剪执行范围的运行程序, 将其设置成自动修剪模式, 使其进行自动的整体平面的修剪, 修剪掉多余的藤枝。在修剪的过程中可能会遇到未能修剪或机器人的位置偏离了所设定的行走轨道时, 将控制模式切换为手柄遥控修剪模式, 摄像机拍摄到当前修剪机器人所处的位置影像, 通过1.2GHz无线影音传输器和图像采集卡传输到PC机, 显示图像反馈给操作者, 利用无线遥控器驱动修剪机器人行走, 到达所需要修剪的位置, 再通过控制机械手臂定位到具体修剪的枝条, 最后控制修剪执行器进行修剪。修剪机器人平台控制系统修剪原理框图如图2所示。
3 车载控制系统模块
3.1 硬件设计
车载控制系统模块是整个控制系统的关键部分, 安装在修剪机器人行走平台上。主要由Atmega168单片机、无线收发器、电机驱动电路、电源电路及其他配件组成。Atmega168单片机[17]是ATMEL公司的一款高性能、低功耗的8位AVR微控制器, 采用先进的精简指令集架构。Atmega168有3个定时/计数器:8位的定时/计数器0、16位的定时/计数器1以及8位的定时/计数器3。16K字节的系统内可编程Flash (在编程过程中还具有可以读的能力, 即RWW) , 512字节EEPROM, 1K字节SRAM, 23个通用I/O口线, 32个通用工作寄存器, 三个具有比较模式的灵活的定时器/计数器 (T/C) , 片内/外中断, 可编程串行USART, 面向字节的两线串行接口, 一个SPI串行端口, 一个6路10位ADC (TQFP与MLF封装的器件具有8路10位ADC) , 具有片内振荡器的可编程看门狗定时器, 以及五种可以通过软件选择的省电模式。每个定时器有2个PWM (脉宽调制) 通道, 因此共有6个PWM通道, 它们对应的PWM波输出引脚分别为PD6 (OC0A) 、PD5 (OC0B) 、PB1 (OC1A) 、PB2 (OC1B) 、PB3 (OC2A) 、PD3 (OC2B) 。Atmega168最小系统的电路原理图 (包括电源电路、复位电路晶振电路) 如图3所示。
根据修剪机器人的工作范围和载荷能力, 选择具有一定功率和载荷能力的带编码器的空心杯直流伺服减速电机作为机器人平台行走的驱动电机, 经驱动电路和减速齿轮后提供小车后轮驱动力;小车前轮利用伺服电机产生的扭矩, 通过齿轮带动摇杆机构, 使得前轮进行方向的转动。在电源设计上, 车载系统电池采用7.4V电源, 通过电源芯片大功率降压二极管D25XB60将7.4V的电池电压转换为稳定的6VDC, 其中7.4V电压提供给供给单片机处理电路, 6V电压提供给机械手臂舵机和小车伺服电机。在修剪执行器上, 由伺服电机所产生的扭矩力带动摇臂和连杆机构, 使其拉动修剪刀具, 进行往复修剪运动。
作为逻辑控制中心的Atmega168单片机通过连接2.4G无线接收模块, 使其具有无线接收功能, 能够接收遥控手柄上的发射器信号从而进行命令的控制;同时另一个Atmega168单片机的4路PWM输出, 经串入4个HC595芯片, 将4路扩成了32路, 通过PWM引脚来实现正反转脉冲的输入, 利用USB接口连接PC机, 实现对修剪机器人运动程序的编制, 进而完成对机器人平台行走、转向控制、机器人手臂运动以及修剪状态设置与调整, 并实现多路控制。车载控制系统模块工作原理图如图4所示。
3.2 软件设计
在软件设计上, 采用模块化子程序的思想, 详细明确地划分逻辑功能模块, 提供统一控制参数, 以Atmega168单片机为核心组成的矢量控制系统的控制电路中, Atmega168单片机对控制系统中的各个环节的工作状态时时进行判别、管理、协调和监督, 同时进行大量的数据运算处理工作, 并按照实时性的要求, 合理地安排监控软件和各执行模块间的调度关系。利用上位机软件对机械手臂和修剪执行器的动作进行编辑, 单片机本身对上位机软件源代码的可读性及软件容错性上提供了很好的支持。
控制系统软件的具体任务主要包括: (1) 系统初始化:设定堆栈指令、变量、事件管理的初始化;对存放速度反馈值、速度给定值等有关存储单元初始化;给可逆计数器送入控制字, 使之在适当的方式, 并设定其初始工作参数; (2) 检测Atmega168单片机与电源、舵机、伺服电机、无线接收器连接通信是否正常; (3) 模式切换的数据转换; (4) 读取控制信号, 并由单片机接收通道进入信号调制芯片, 获得直流偏置电压, 进行各部件的运行。软件控制模块状态流程图如图5所示。
程序初始化后, 状态管理程序主要完成根据回读数组的首字节实现各个状态的跳转;检测然后完成Atmega168与各连接部分的通信情况, 按照需求提供模式切换指令, 最后读取控制信号, 舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制 (PWM) 信号, 其中脉冲宽0.5~2.5ms, 相对应舵盘的位置为0°~180°, 呈线性变化。如图6所示, 平台转角控制计算公式如下:Ψ=±arcsin (T·V·NL) ±arcsin (T·V·NR) , 式中Ψ为转动角度, rad;T为脉冲宽度, ms;V为履带线速度, m/s;NL、NR为输入左右电机驱动芯片的脉冲数。
控制指令集#
舵机运行的追随特性: (1) 舵机稳定在A点不动; (2) CPU发出B点位置坐标的PWM信号; (3) 舵机全速由A点转向B点;△φ=φB-φA, △T=△φ÷ω; (4) CPU发出B点PWM信号后, 等待一段时间, 利用此时间舵机转动至B点。
4 修剪机器人控制系统测试
本研究设计的修剪机器人平台总体尺寸长宽高分别为300mm、180mm和600mm, 整机重量为3kg, 修剪手臂转动最大角度180°, 行走最大转弯角度45°, 最高行进速度6km/h, 机械臂a1=20mm, a2=20mm, 1号步进电机至地面的高度h=160mm, 最大无线控制及图像传输距离20m, 修剪执行器最大修剪宽度200mm, 最大修剪高度550mm。对校园园林绿篱进行机器人路径行走及自动修剪测试, 各个步进电机转动角度及转动参数如表1所示。修剪结果表明, 0号步进电机完成对修剪位置调整, 1、2号步进电机完成对修剪高度的调整, 3号步进电机通过左右摆动调整能够达到整形修剪的目的。
5 结论
基于Atmega168单片机设计了一种绿篱修剪机器人, 绿篱修剪机器人能实现对绿篱植物的修剪, 行走平台控制系统可控制机器人稳定行走, 单片机和遥控手柄控制都具有良好的控制灵敏度, 遥控距离、平台行走速度及修剪性能均满足绿篱修剪要求。可实现对园林绿篱进行路径设定和修剪要求设定, 实现自动化修剪的目的, 具有一定的实际应用价值。
绿篱栽植与修剪 篇2
一、绿篱的种类
绿篱有多种分类方式, 依作用可分为隔音篱、防尘篱、装饰篱;依观赏价值可分为观花篱、观果篱、观叶篱;依生态习性可分为常绿篱、半常绿篱、落叶篱;依修剪整形可分为修剪篱和不修剪篱;依绿篱本身高矮型态可分为高、中、矮3个类型等。
1. 矮篱
高度控制在0.5米以下。
2. 中篱
高度控制在1米以下。
3. 高篱
高度在1.0～1.6米, 高度在1.6米以上又称为绿墙。
二、栽植方法
1. 整地施肥
当栽植面积较大时, 先用大型机械将地面进行深翻疏松, 每亩施袋装的腐殖质3000～4000公斤, 而后再进行一次旋耕, 将腐殖质与土壤充分混合。
2. 栽植
栽植前工程技术人员应按照绿化施工图标定出绿篱的长度和宽度, 确定栽植点及品种。栽植绿篱时应选择两年生以上、无病虫害苗木, 根据设计要求, 选用不同高度, 不同品种的植物进行栽植。先栽植外围的苗木, 后栽植中间的苗木。当栽植宽度在三排以上绿篱时, 相邻的三棵苗木之间呈等边三角形, 这样能最大限度地利用空间。栽植时先挖一个深度略大于苗木根部的坑, 而后将苗木放入坑中, 用土埋好压实, 苗木高度尽量一致, 以便后期造型、修剪。栽植绿篱不可为追求当时的绿化效果而过分密植, 单株营养面积不足, 易造成营养不良。
3. 浇水
栽苗后用脚踏实围好土堰, 缓慢浇灌、浇足浇透。浇水后3～5天视土壤干湿情况再浇灌一次, 以提高新栽苗木的成活率。
三、修剪技术要点
绿篱的修剪形式分整形式修剪与自然式修剪, 前者是以人们的设计要求, 修剪成矩形、梯形、圆柱形、圆顶形、球形等形状, 后者一般不作人工修剪整形, 只适当控制高度和疏剪病虫、干枯枝, 任其自然生长, 使枝叶相接紧密成片提高阻隔效果。
1. 人工整形修剪依据
植物的生长习性、树龄树势、园林功能和周围环境。
2. 修剪时期
一是休眠期修剪 (冬季修剪) 。落叶树种从落叶开始到春季萌芽前, 常绿树种从11月下旬到翌年3月初是休眠期修剪的适期。二是生长期修剪 (夏季修剪) 。在植物生长期内进行的修剪。绿篱的修剪时期应根据不同的植物种类灵活掌握。常绿针叶树种应当在春末夏初进行第1次修剪, “立秋”后进行第2次修剪。为了配合节日, 通常于“五一”、“十一”前修剪, 使节日的绿篱规则平整, 提高观赏效果。大多数阔叶树种, 1年内新梢都能加长生长, 可随时修剪, 以每年修剪3～4次为宜。花篱大多不作规则式修剪, 一般花后修剪1次, 以免结实, 并促进开花。平时做好常规管理工作, 将枯死枝、病虫枝、冗长枝及扰乱树形的枝条剪除。绿篱每年都要进行几次修剪, 若长期不剪, 篱形紊乱, 向上生长快, 下部易光秃缺枝, 而且一旦出现光秃带较难修复。
3. 成形绿篱的修剪
绿篱成形后, 可根据需要修剪成各种形状。为了保证绿篱修剪后平整、笔直, 高、宽度一致, 修剪时可在绿篱带的两头各插1根竹竿, 再沿绿篱上口和下沿拉直绳子, 作为修剪的准绳。对于较粗枝条, 剪口应略倾斜, 以防雨水导致剪口腐烂。同时注意直径在1厘米以上的粗枝剪口, 应比篱面低1～2厘米, 使其掩盖于细枝叶之下, 避免粗剪口暴露影响美观。
4. 衰老期修剪
绿篱树体衰老时要及时更新修剪, 更新过程一般需3年。第1年, 首先疏除过多的老干, 保留新的主干, 使树冠内部具备良好的通风透光条件, 为更新后的绿篱生长打下基础。然后, 短截主干上的枝条, 将保留的主干逐个进行回缩修剪。第2年, 对新生枝条进行多次轻短截, 促其发侧枝。第3年, 再将顶部修剪至略低于目标高度, 以后每年进行重剪。
绿篱修剪机器人 篇3
当前,我国的公路事业快速发展,公路绿化面积迅速增加, 由此带来的绿化带修剪工作量的增加也成为困扰公路养护部门的难题。而车载式绿篱修剪机相比人工手持机具,能大幅提高绿化带修剪质量和效率,节约人力。本文将针对当前的公路与城市绿化现状,探讨车载式绿篱修剪机液压传动系统的优化设计。
1车载式绿篱修剪机的结构
车载式绿篱修剪机结构简图如图1所示。
1—刀盘旋转油缸 2—伸缩臂油缸 3—臂架摆动油缸 4—底座 5—刀盘
绿篱修剪机的机械臂和工作装置部分采用液压传动,其基本工作原理是:臂架摆动油缸伸缩使工作装置能上下摆动,达到预定的绿篱修剪高度;伸缩臂油缸伸缩能使工作装置靠近绿篱;刀盘旋转油缸能使工作装置对绿篱进行水平修剪、竖直修剪或斜向修剪。3种油缸配合能使工作装置对绿篱在不同高度、位置进行修剪。待工作装置的高度和位置达到所需要求后,修剪刀具在液压马达的驱动下开始工作。随着卡车的行走,刀具也对卡车旁行驶过的绿篱进行整齐的修剪。本次设计的绿篱修剪机液压传动系统采用开式回路,由3个液压缸、1个定量单向齿轮马达和1个定量单向齿轮泵组成。控制系统也可采用无线遥控系统,保障操作者在卡车驾驶室安全操作。
2绿篱修剪机液压传动系统设计
2.1绿篱修剪机运动形式
机器的液压系统涉及的运动动作主要为臂架的上下摆动、 伸缩臂的伸缩、刀盘的旋转和液压马达的工作。4个动作不同时进行,无运动循环。油缸只需低速运转,对运动速度没有严格要求。马达要求速度为1 800~3 000r/min。该绿篱修剪机运动形式简单,控制其运动的液压系统也较简单,可略去动力分析和运动分析。
2.2初选绿篱修剪机参数[1]
初选液压系统工作压力p为14MPa;
带动刀具的液压马达转速为1 800~3 000r/min,功率2kW左右;
液压缸的伸缩速度为1cm/s左右;
最大切削树枝直径为10mm左右;
刀具直径为500mm左右;
油缸的启动加速度为0.01m/s。
2.3液压传动系统计算
2.3.1液压马达计算
液压马达转速n为1 800~3 000r/min,功率P为2kW左右。马达带动刀具,传动比为1∶1,刀具的角速度ω=2πn/60; 马达的负载力矩M=P/ω;马达的排量q=2πM/pη(η为齿轮马达的机械 效率,为0.9)。计算得马 达的排量 为3.17~ 5.29mL/r。初选理论排量为4.25mL/r的CMK1004马达[2]。
2.3.2液压缸计算
(1)刀盘旋转 油缸计算。整个刀盘 部分质量m1约为25.51kg。当臂架旋转到如图2所示最上方位置时,刀盘旋转成水平切割状态,作用于油缸上的力最大为:F1=m1gL11/L1= 25.51×9.8×0.13/0.02=1 625N。
从负载力矩出发,可确定液压缸实际有效工作面积为: A1=F1/pη1≈122.2mm2(η1为液压缸的机械效率,取0.95)。 则液压缸最小缸径D1=12.47mm[2]。
(2)伸缩臂油缸计算。伸缩臂和刀盘部分质量m2约为87.3kg。当机械臂架向下摆动到如图3所示最下方位置时,伸缩臂与水平线的夹角为36°。此时伸缩臂油缸的工作负载力为拉力形式,其大小为:F2=m2gsin 36°=502.87N。
参照刀盘旋转油缸的计算方法,伸缩臂油缸的有杆腔实际有效工作面积A2=37.8mm2。
取液压缸速比为2,油缸的无杆腔在工作,可推出液压缸的最小缸径,有杆腔的活塞杆最小直径。
(3)臂架摆动油缸计算。整个绿篱修剪机臂架质量m0约为199.3kg。当臂架摆动到如图3所示最下方位置时,作用在油缸上的最大负载F3=m0gL1/L21≈14 950N。油缸的有杆腔实际有效工作面积A3=1 124mm2,有杆腔的活塞杆最小直径D3=37.83mm[2]。
以上3种液压缸 行程分别 为:刀盘旋转 油缸行程 为550mm,伸缩臂油缸行程为600 mm,臂架摆动油缸行程为240mm。根据以上对3个液压缸的计算,用计算机模拟液压缸行程并对比3种行程的液压缸价格后,综合考虑,刀盘旋转油缸和伸缩臂油缸的缸径应该取大一些,而臂架摆动油缸取比计算出的液压缸缸径稍大一些即可。
2.3.3液压泵计算
液压泵与液压缸不同时工作,液压系统的最大流量状态应为液压马达工作时。CMK1004马达的理论排量为4.25mL/r, 液压马达要求的转速n为1 800~3 000r/min,则马达的进入流量q为7.65~12.75L/min。
考虑到系统元件的泄流量,取系统泄流修正因数K=1.1, 则可选取液压泵的流量范围qb为8.42~14.03L/min,转速为1 980~3 300r/min。
2.3.4选择电动机
管道和液压阀的压力损失值估取0.5MPa,液压泵的工作压力pb=14.5MPa。按液压泵的最大输入功率确定电动机功率,其范围为:P=pb×qb/ηb(ηb为液压泵的容积效率,取0.9), 计算可得电动机功率为2 261~3 767W。
由此可选取功率为2.261~3.767kW、转速为1 980~ 3 300r/min的电动机。
3结语
我国公路事业的高速发展对公路管理以及绿篱带修剪维护提出了更高的要求。本次设计的绿篱修剪机可大大提高公路绿化带养护修剪的效率,节约人力,并提高修剪质量。
参考文献
[1]宋建安,赵铁栓.液压传动[M].西安:世界图书出版西安公司,2004