周麗娜　劉文慶　劉峻伶

摘要：本文以智能機(jī)器給樹木涂白作業(yè)為研究目的，以組合涂刷運動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、物料供電提示系統(tǒng)、智能軌道系統(tǒng)以及機(jī)械設(shè)備樹木涂料給料控制系統(tǒng)的方式進(jìn)行設(shè)計。智能樹木涂白機(jī)可智能自動化進(jìn)行樹木涂白，智能控制涂白液的輸出，涂刷自動進(jìn)行樹木涂白作業(yè)。本文通過闡述智能樹木涂白機(jī)設(shè)計的思路，并進(jìn)行實踐，希望通過對智能樹木涂白機(jī)的設(shè)計可減少人工工作壓力，減少涂料的浪費。

關(guān)鍵詞：智能;樹木涂白機(jī);設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2020）05-0155-02

1樹木涂白機(jī)概述

樹木涂白機(jī)是用于對樹木進(jìn)行涂白作業(yè)的機(jī)器，代替人工涂白，將人工涂樹作業(yè)動作轉(zhuǎn)移至輔助樹木涂白機(jī)作業(yè)。樹木涂白機(jī)可減少作業(yè)人員對于樹木涂白液的接觸次數(shù)以及減少作業(yè)人員的工作壓力。

2樹木涂白機(jī)現(xiàn)狀

現(xiàn)存的樹木涂白設(shè)備，大多設(shè)備體型過大，對于較為茂密的樹林以及車水馬龍的街道來說無法進(jìn)入，并且單人操作不便，需2至3人一同操作使用機(jī)械設(shè)備，且需要一定的操作技術(shù)。雖亦有一些較為小型的機(jī)械設(shè)備，但其裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)亦過于繁雜，使得其體積對于單人操作也過于偏大，操作不便。同時現(xiàn)存大型設(shè)備涂白過程中，設(shè)備噴涂出的涂液量不易控制，會造成資源浪費以及污染環(huán)境。

3智能樹木涂白機(jī)設(shè)計思路

3.1功能設(shè)計

1）“邊噴液邊涂刷”功能。智能樹木涂白機(jī)涂樹過程體現(xiàn)自動涂樹以及控制物料，將噴液處與刷頭進(jìn)行組合使用，減少人為“蘸取涂料”這一多余動作。

2）控制物料輸出功能。智能樹木涂白機(jī)通過樹木涂料給料控制系統(tǒng)地計算，控制涂白液的輸出。

3）智能提醒功能。當(dāng)智能樹木涂白機(jī)監(jiān)測到涂劑及電量余量不足時，可由傳感器實時監(jiān)測盛裝涂料容器內(nèi)涂劑的余量以及電池所剩電量，智能樹木刷白機(jī)可發(fā)出顏色及聲音警告提示作業(yè)人員及時為其補充。

4）識別樹木功能。智能樹木涂白機(jī)在使用過程中，樹木涂白機(jī)的識別系統(tǒng)會進(jìn)行樹木識別，進(jìn)而確定樹木位置進(jìn)行作業(yè)。

3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能樹木涂白機(jī)的整體結(jié)構(gòu)主要由控制系統(tǒng)、視覺識別、涂白液放置區(qū)、供能系統(tǒng)、物料輸出，移動裝置六部分構(gòu)成。

1）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)可由系統(tǒng)編碼設(shè)計而形成，裝置上可設(shè)計人機(jī)交互操作觸摸屏，人通過屏幕可以與控制系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，從而控制液體流量、樹木涂白高度、路線設(shè)計以及機(jī)器工作終止等。

2）視覺識別系統(tǒng)?？捎糜谳o助其他系統(tǒng)工作的完成，例如，識別樹木，從而進(jìn)行樹木定位，進(jìn)而完成樹木涂白的作業(yè);當(dāng)涂劑及電量余量不足時，視覺識別系統(tǒng)會產(chǎn)生顏色以及聲音提醒作業(yè)人員。

3）涂白液放置區(qū)。機(jī)體內(nèi)可合有涂液特定盛裝容器，即涂白液放置區(qū)，涂白液放置區(qū)安裝有SY-UQZ型磁浮球液位計，用于檢測裝料桶內(nèi)涂白劑液面的高度。采取頂置安裝的方式，通過法蘭安裝于涂白劑裝料桶頂上，當(dāng)磁浮球隨液位變化、沿導(dǎo)管而上下浮動時，由于磁性作用，浮球液位計的干簧受磁性吸合，把液面位置變化成電流信號輸出到觸摸屏上，同時觸摸屏上設(shè)定液面上、下限報警，通過視覺系統(tǒng)可見的顏色改變來增加或減少物料。

4）供能系統(tǒng)。其是由太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池構(gòu)成的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)組成。蓄電池可使用可替換蓄電池，防止在長期作業(yè)中斷電而導(dǎo)致工作無法繼續(xù)進(jìn)行。采用太陽能發(fā)電符合綠色發(fā)展理念，節(jié)能環(huán)保，也使作業(yè)變得靈活方便。

5）物料輸出。物料輸出部分設(shè)計成輸出膠管及刷頭電的組合形式，刷頭為本機(jī)的噴涂裝置，采用刷頭與輸液管相組合的方式，邊噴液邊涂刷。刷頭可設(shè)置為兩個，皆置于圓形軌道上，涂樹作業(yè)時，兩個刷頭沿著圓形軌跡進(jìn)行涂樹，由控制系統(tǒng)控制，軌道與刷頭向下移動再次重復(fù)動作，提高涂樹作業(yè)的工作效率。

6）移動裝置。移動裝置的設(shè)計采用履帶結(jié)構(gòu)，履帶適用范圍廣，適宜樹木涂白機(jī)在各個場合移動使用，避免泥濘而使得樹木涂白機(jī)無法作業(yè)。

3.3系統(tǒng)設(shè)計

樹木涂白機(jī)器是由機(jī)械設(shè)備樹木涂料給料系統(tǒng)來操作控制，機(jī)械設(shè)備樹木涂料給料系統(tǒng)由機(jī)械設(shè)備涂刷運動系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、物料供電提示系統(tǒng)、智能軌道運動系統(tǒng)組成。

1）視覺識別系統(tǒng)。視覺識別系統(tǒng)可以基于獲取深度信息的傳感器Kinect實現(xiàn)對于環(huán)境內(nèi)的樹木深度感知其信息，幫助機(jī)器分析樹木位置、胸徑大小及表面粗糙程度等，識別出信息后將指令傳遞給控制系統(tǒng)。在粉刷樹木過程中視覺識別系統(tǒng)可以實時監(jiān)測工作完成度及完成質(zhì)量，通過樹與涂料的色差進(jìn)行識別涂樹完成度，再次將信息傳遞給控制系統(tǒng)。

2）機(jī)械設(shè)備涂刷運動系統(tǒng)。控制系統(tǒng)在接受到識別系統(tǒng)發(fā)出的信息后，可根據(jù)識別的信息（樹木的半徑）以及人為輸入的涂樹高度自動計算出所要輸出物料的多少，將涂料準(zhǔn)備好后運動系統(tǒng)開始粉刷工作。根據(jù)所識別到的信息對樹木進(jìn)行刷頭沿圓形軌道運動，同時刷頭與圓形軌道進(jìn)行向下運動來模擬作業(yè)人員粉刷動作。人工可以通過交互屏幕控制迷你PLC，迷你PLC所帶的電機(jī)模塊控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)進(jìn)行往復(fù)運動，通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)速度，在進(jìn)行往復(fù)處加入限位開關(guān)，當(dāng)接收到啟動命令時電機(jī)正轉(zhuǎn)觸點閉合，軌道進(jìn)行向上運動，到達(dá)限位開關(guān)時，軌道進(jìn)行向下運動再次到達(dá)限位開關(guān)，通過梯形圖設(shè)計邏輯關(guān)系，進(jìn)行模塊化軌道的上下運動。

3）智能軌道運動系統(tǒng)。刷頭置于軌道上，特質(zhì)刷頭的下方與軌道內(nèi)側(cè)具有磁l生，在通電情況下，兩者相互作用，從而使特質(zhì)刷頭在軌道進(jìn)行運動。軌道由數(shù)個彎形軌道組合而成，可以人為進(jìn)行拼接拆卸，根據(jù)樹的粗細(xì)不同，設(shè)計出五種半徑不同的軌道方式，尺寸設(shè)計分別是半徑為6厘米、12厘米、18厘米、25厘米、30厘米的軌道，軌道內(nèi)側(cè)合有磁性液體傾角傳感器，磁性液體兼具磁性和流動性兩大物理特性，基于這兩個獨特的物理性質(zhì)產(chǎn)生了磁性液體傾角傳感器。利用慣性質(zhì)量塊的微小位移帶來的線圈電感變化，進(jìn)行傾斜角度測量，便于更正運動軌跡。

4）人機(jī)交互系統(tǒng)。此系統(tǒng)需要人為協(xié)助進(jìn)行工作，例如，人為在交互屏幕輸入涂樹高度進(jìn)而輸出物料，以及非正常情況下暫?；蜷_始作業(yè)以及行走路線等。

4智能樹木涂白機(jī)設(shè)計實踐

根據(jù)設(shè)計思路對機(jī)械設(shè)備樹木涂料給料系統(tǒng)、智能軌道運動系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計實踐。

1）涂料的輸出。智能涂白機(jī)搭載機(jī)械設(shè)備樹木涂料給料控制系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)行自動識別判斷所要粉刷樹木對象的粗細(xì)及表面粗糙程度進(jìn)而輸出定量的涂白液，自動給料系統(tǒng)采用性能可靠的PLC和PROFIBUS現(xiàn)場總線技術(shù)。涂料給到電子秤進(jìn)行計量，從而準(zhǔn)確輸出物料量。以防止多余涂料造成的浪費，同時也減少了對環(huán)境的污染程度。

2）樹木的粉刷方式。圓形軌道繞在樹木周圍，兩個刷頭可沿著圓形軌道進(jìn)行涂刷，兩個刷頭運動方向相反，當(dāng)兩個刷頭相遇時，樹木的一層涂樹工作完成，刷頭如圖1所示。刷頭與軌道進(jìn)行向下運動來配合來完成第二層的涂樹運動，重復(fù)以上工作，粉刷樹木的工作即可完成。輸出物料裝置與刷頭相結(jié)合，實現(xiàn)邊噴液邊涂刷的動作。根據(jù)樹木粗細(xì)的不同，人為采用不同直徑的圓形軌道進(jìn)行粉刷。圓形軌道（圖2）為模塊化設(shè)計，通過樹的直徑來采取模塊數(shù)量，人工拼接圓形軌道，由于刷子的刷毛部分長度為5厘米，即軌道直徑誤差范圍在2厘米至6厘米之間。視覺系統(tǒng)可識別樹木涂刷是否完全，即樹木的各個縫隙都能夠填充均勻，保證一定的工作質(zhì)量。

機(jī)體外部可設(shè)計為一個半圓柱體的外殼保護(hù)支撐，前方為可上下運動的圓形軌道及刷頭，此刷頭與輸液管連接，實現(xiàn)邊涂邊刷;涂白機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖3所示;涂白機(jī)機(jī)體尺寸如圖4所示，高度為1400毫米，整機(jī)寬度設(shè)為為1100毫米，符合人機(jī)工程學(xué)尺寸，利于操作機(jī)器，識別處寬度設(shè)為為60毫米，視野寬大。

智能樹木涂白機(jī)作業(yè)前期，人工進(jìn)行軌道的選取安裝以及涂料的增添，人為開啟機(jī)器，機(jī)器視覺系統(tǒng)識別樹木，識別后進(jìn)行涂刷作業(yè)。

5結(jié)語

隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步，智能化操作方式的趨勢已勢不可擋，城市的不斷發(fā)展使道路兩旁的景觀樹木不斷增多，智能涂白設(shè)備下在此背景也應(yīng)運而生。機(jī)器代替人工的使用大大增加了工作效率且工作完成質(zhì)量也有所提升。綠色環(huán)保是當(dāng)今發(fā)展的重點，此樹木涂白機(jī)的設(shè)計符合當(dāng)下發(fā)展理念，既節(jié)省了人力物力財力，相比傳統(tǒng)涂白方式又減少了對環(huán)境的污染。