劉富成 黃俊華

摘 要：本文介紹了一種灌木修剪機(jī)器人，主要包括頂板和可升降機(jī)架，頂板設(shè)置在可升降機(jī)架頂端，可升降機(jī)架的四角底端分別設(shè)置有行走輪，修剪電機(jī)設(shè)置在頂板上，修剪電機(jī)的輸出軸向下伸出并連接修剪刀具，修剪刀具是可變形修剪刀具，且位于可升降機(jī)架的中間架空處。解決現(xiàn)有技術(shù)中人工修剪灌木造成的成本高昂、浪費(fèi)人力、效率低下等諸多問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：灌木修剪;可變形修剪刀具;解決問(wèn)題

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.103

0 引言

目前，用作綠化的立體灌木前景非常廣闊，但其修剪仍然嚴(yán)重依賴(lài)人工操作，而且需經(jīng)常找專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行修剪維護(hù)，不僅成本高昂，而且浪費(fèi)人力、效率低下。本文介紹了一種灌木修剪機(jī)器人，主要包括頂板和可升降機(jī)架兩部分。機(jī)器人操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、節(jié)省成本及人力、續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)、轉(zhuǎn)向靈活、修剪準(zhǔn)確高效、適應(yīng)性廣、功能強(qiáng)大。

1 灌木修剪機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案一種灌木修剪機(jī)器人如圖1，主要由頂板和可升降機(jī)架兩部分構(gòu)成，頂板設(shè)置在可升降機(jī)架頂端，可升降機(jī)架中間架空，四角底端分別設(shè)置有行走輪，電池、控制器、導(dǎo)向傳感器、機(jī)器視覺(jué)模塊、激光雷達(dá)和修剪電機(jī)均設(shè)置在頂板上。

1.2 修剪刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

修剪刀具包括多段子刀片，子刀片通過(guò)相應(yīng)的舵機(jī)依次連接形成可變形修剪刀具;各舵機(jī)與控制器連接。修剪電機(jī)通過(guò)修剪電機(jī)承載盤(pán)設(shè)置在頂板的中心處，且穿過(guò)頂板的中心圓孔向下延伸。

1.3 可升降機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

可升降機(jī)架包括四組支撐架，支撐架上端和頂板連接，支撐架下端通過(guò)升降機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的車(chē)輪安裝板連接。升降機(jī)構(gòu)包括絲杠及絲杠螺母，絲杠的下端通過(guò)軸承和相應(yīng)的車(chē)輪安裝板連接，絲杠的上端與絲杠電機(jī)連接，絲杠螺母的兩側(cè)分別固連有套管，套管與相應(yīng)支撐架固連?？缮禉C(jī)架的左右兩側(cè)還分別設(shè)置有側(cè)連桿，側(cè)連桿上還相對(duì)設(shè)置有激光雷達(dá)，該激光雷達(dá)與控制器連接以識(shí)別并確定待修剪灌木的位置。行走輪有四個(gè)，前端兩行走輪是萬(wàn)向輪，后端兩行走輪是驅(qū)動(dòng)輪;驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制器連接，驅(qū)動(dòng)電機(jī)上設(shè)置有碼盤(pán)。

2 控制系統(tǒng)

本設(shè)計(jì)方案一種灌木修剪機(jī)器人，控制器采用智能stm32芯片作為主控制器。導(dǎo)向傳感器采用九軸傳感器，與控制器連接。機(jī)器視覺(jué)模塊采用OpenMv機(jī)器視覺(jué)模塊，且通過(guò)舵機(jī)設(shè)置在頂板的右前方，機(jī)器視覺(jué)模塊與控制器連接，對(duì)右前方的理想立體灌木樣品拍攝不同角度的圖片，從而識(shí)別出樣品對(duì)應(yīng)的立體灌木形狀，并向控制器發(fā)送目標(biāo)灌木形狀信號(hào)。頂板上的激光雷達(dá)設(shè)置在頂板前端的中部以檢測(cè)待修剪灌木的高度和方位，該激光雷達(dá)與控制器連接。還包括揚(yáng)聲器，揚(yáng)聲器設(shè)置在頂板上且與控制器連接。頂板的中心開(kāi)有中心圓孔，頂板的四角下方分別向外延伸有連接板以與升降機(jī)架連接。

3 具體工作流程

3.1 修剪刀變形

開(kāi)始工作后，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)不同角度，帶動(dòng)OpenMv機(jī)器視覺(jué)模塊對(duì)右前方的理想立體灌木樣品拍攝不同角度的圖片，從而識(shí)別出樣品對(duì)應(yīng)的立體灌木形狀，然后向控制器發(fā)送目標(biāo)灌木形狀信號(hào);控制器控制可變形灌木修剪刀具上的各個(gè)舵機(jī)，進(jìn)而控制可變形灌木修剪刀具調(diào)整為與目標(biāo)灌木形狀相對(duì)應(yīng)的刀具形狀。

3.2 可升降平臺(tái)調(diào)整

固定在機(jī)器人頂板正前方的激光雷達(dá)向機(jī)器人正前方待修剪的灌木發(fā)送激光束，通過(guò)接收反射光束并經(jīng)過(guò)一定信息處理后確定待修剪灌木高度和方位，然后向控制器發(fā)送目標(biāo)灌木高度信號(hào);控制器控制升降機(jī)構(gòu)的絲杠上端的絲杠電機(jī)，進(jìn)而控制支撐架升降將機(jī)器人調(diào)整為與目標(biāo)灌木高度相對(duì)應(yīng)的高度。

3.3 灌木修剪

當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至被修剪灌木附近，控制器控制修剪電機(jī)，以一定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)兩圈，帶動(dòng)智能可變形灌木修剪刀具旋轉(zhuǎn)兩圈，從而對(duì)機(jī)器人正下方的灌木進(jìn)行修剪，將其修剪為目標(biāo)形狀，即完成一個(gè)工作循環(huán);控制器控制機(jī)器人繼續(xù)行進(jìn)，對(duì)下一叢灌木進(jìn)行修剪。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)方案一種灌木修剪機(jī)器人，中間架空，為修剪灌木提供了空間，結(jié)構(gòu)巧妙;修剪刀具形狀可變，控制器可根據(jù)機(jī)器視覺(jué)模塊識(shí)別結(jié)果將刀具調(diào)整為相應(yīng)形狀，從而可將灌木修剪為不同形狀，顯著提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

機(jī)器人可根據(jù)激光雷達(dá)確定的待修剪灌木的高度升降到合適位置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同高度灌木的修剪，大大提高了該機(jī)器人對(duì)不同高度灌木修剪的適應(yīng)性，進(jìn)一步提高了其修剪的多功能性和智能化程度。

參考文獻(xiàn)：

[1]李名地.城市園林自動(dòng)修剪機(jī)器人動(dòng)力學(xué)仿真研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019（02）.

[2]羅天洪，唐果.綠化修剪用機(jī)器人[M].

[3]林琦.園林灌木的修剪方法[J].現(xiàn)代園藝，2014（08）：54-55.

[4]徐佩登，楊海龍，袁雨豪.一種園林灌木修剪裝置.