一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置結構設計

付　秀，辛　穎，谷周澎

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

?

一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置結構設計

付秀，辛穎*，谷周澎

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

樹干涂白具有防寒、殺蟲等作用，近年來，已經越來越普遍地應用到樹木的管理養護中。傳統的樹木涂白工具主要依靠人力進行工作，為解決其工作效率低、勞動強度大并且人工費不斷提高的問題，設計一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置。裝置由太陽能供電，推動把手通過萬向輪驅動，利用滾珠絲杠帶動機械手上下移動涂白，機械手方向控制轉盤與滾珠絲杠和旋轉軸相互配合，有利于傾斜彎曲樹木的涂白。裝置主要由控制與供能部分、涂白劑裝盛部分以及機械手三大部分組成，具有結構簡單、操作方便、清潔環保、穩定可靠等諸多優點。

樹干涂白裝置；人機交互；太陽能供電；工作原理

0　引　言

樹干涂白是根據防治目的和樹種的不同，選用不同的配方制成涂白劑涂抹在樹干基部的一種綠色環保防治方法[1]。樹干涂白能夠防止病菌侵入[2]、防蟲、殺蟲、防寒以及美化環境等作用[3]。目前背負式電動噴霧器是應用的比較廣泛的涂白工具[4]，包括噴霧器架和藥桶，藥桶內設有抽吸器和開關，藥桶還外接有出水管。但此種裝置噴涂效率較低，在噴涂胸徑較小的樹木時，從噴口噴出的涂白劑很大一部分噴到了空氣中，造成了浪費。由楊澤春發明的“智能樹干涂白的裝置”該裝置的特色在于內有攪拌器的涂白罐設置在機動車上，涂白罐的液體輸出管同噴涂器相連，液體輸出管上設置有泵體[5]。需要人力手持機械噴涂部分進行移動，無法合理地控制涂白的速度，易受外界環境和人為因素的影響，易造成涂白劑的浪費。另外有一些稍先進一些的涂白機器，仍處于理論階段，整機體積大，生產成本高，適應性不強。根據以上存在的問題，并針對樹木規格不同、部分樹干傾斜彎曲的現象，本文提出一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置，利用觸摸屏PLC一體機實現對裝置的操作，機械手方向控制轉盤與滾珠絲杠和旋轉軸相互配合，有利于傾斜彎曲樹木的涂白，并且利用觸摸屏結合GPS為行道樹建立檔案，具有結構緊湊、操作方便，并具有清潔環保、穩定可靠等優點。

1　裝置結構方案

1.1整體結構

裝置主要由控制與供能部分、涂白劑裝盛部分以及機械手3大部分組成。

圖1為裝置的機構示意圖。由4個安裝在底座下的萬向輪驅動，操作者通過裝置上部的把手推動裝置運動，底座上方的裝置主體外殼具有支承保護作用，裝置上部的人機交互觸摸屏[6]、GPS接收器和太陽能控制器等是裝置的控制部分，觸摸屏下方是工具箱，用于存放各類輔助工具。機械手開合控制推桿和機械手方向控制轉盤安裝在裝置上部，機械手方向控制轉盤與蝸輪蝸桿、旋轉軸相連接，貫穿裝置內部。裝置外殼頂端安裝太陽能電池板，外殼內為涂白劑裝盛部分，涂白劑裝料桶內部有浮球液位計，小型氣泵設置在涂白劑裝料桶的下端。轉板安裝在裝置主體的前端，通過一根短軸插入底座的凹槽中。機械手部分放置在轉板上，滾珠絲杠、聯軸器和步進電機依次設置在絲杠導軌的內部。機械手安裝在滾珠絲杠的螺母上。

圖1　一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置示意圖Fig.1 The sketch map of a kind of man-machine interactive -based intelligent trunk whitewashing device

1.2控制與供能部分

控制與供能部分主要有觸摸屏PLC一體機、GPS接收器以及太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池構成的太陽能光伏發電系統[7]等組成。

針對行道樹胸徑的差異性，為了達到簡化機械結構、節約涂白劑、便于操作的目的，在觸摸屏上設定手動和自動操作方式。自動方式分為4種模式，預先設置好對應的機械手移動速度、出料口壓力等參數，使得不同徑級范圍的樹木都能夠均勻、合理地包裹上涂白劑。手動方式則可以根據需要隨時進行調速、停止供料等操作。模式及參數見表1，觸摸屏界面如圖2所示。同時，人機界面[8]顯示涂白劑裝料筒中浮球液位計檢測的液面高度、蓄電池電量；GPS接收器將定位到的樹木坐標顯示在觸摸屏上[9]，用于建立行道樹檔案，并可手動添加樹木種類、胸徑等信息。各部分關系如圖3所示。

表1　觸摸屏PLC一體機針對不同胸徑行道樹設置的四種模式及其參數

圖2　觸摸屏界面Fig.2 Touch-screen interface

圖3　控制與供能部分各部件關系Fig.3 Relationship between components of control and energy supply section

裝置采用鉛酸免維護蓄電池[10]為各部分供電，由于樹干涂白大多在春季的晴朗天氣下進行，因此可在夜晚不工作時對蓄電池進行充電。另外，太陽能具有取之不盡，用之不竭、運行成本低、無污染和環境友好等諸多優點[11]，考慮到光電轉換效率[12]、使用壽命和性價比等因素，裝置采用三塊單晶硅太陽能電池[13-14]覆蓋在裝置外殼的最上部，在晴天為蓄電池充電，起到輔助作用，可以延長蓄電池的使用時間、節約能源。

1.3涂白劑裝盛部分

涂白劑裝盛部分主要由輔助噴管、涂白劑裝料口、小型氣泵、進氣管、涂白劑裝料桶、浮球液位計和涂白劑裝料桶支撐板等組成。

涂白劑裝料桶放置在裝置主體內部，下方由支撐板支承。內部安裝有SY-UQZ型磁浮球液位計，用于檢測裝料桶內涂白劑液面的高度。采取頂置安裝的方式，通過法蘭安裝于涂白劑裝料桶頂上，當磁浮球隨液位變化、沿導管而上下浮動時，由于磁性作用，浮球液位計的干簧受磁性吸合[15]，把液面位置變化成電流信號輸出到觸摸屏上，同時觸摸屏上設定液面上、下限報警。

涂白劑裝料桶的下方安裝有抽氣排氣兩用的小型氣泵，其無刷電機在觸摸屏PLC一體機的控制下，可以通過調速對裝料桶內部的壓力進行調節，同時采用下方通氣的方式可以在一定程度上避免涂白劑沉淀。

橡膠輔助噴管從裝料桶底部右下部伸出，由流量調節閥手動控制開閉和出料量的多少，在不使用時可以掛在裝置側面的掛鉤上。機械手出料軟管從裝料桶正前方底部的常閉電磁閥伸出，再由一個三通硅膠管連接兩根橡膠管，將內部的涂白劑送入機械手中。

1.4機械手部分

機械手主要有機械手開合控制推桿、推桿連接桿、推桿卡槽、機械手方向控制轉盤、蝸輪蝸桿、旋轉軸、絲杠導軌、滾珠絲杠、聯軸器、步進電機、機械手、出料軟管和機械手出料口組成。

由于地形、風、光照以及人為因素的影響，部分行道樹會出現傾斜倒伏的現象，并且其傾斜程度各有不同，針對該問題，本裝置采用手動蝸輪蝸桿改變滾珠絲杠的傾斜角度，使其在涂白過程中與樹干保持平行。并充分利用蝸輪蝸桿傳動可自鎖[16]的優點，避免因機械手的移動使蝸輪轉動，從而造成滾珠絲杠偏轉角度改變的問題。

裝置采用ZA型普通圓柱蝸桿[17]，參數見表2。順時針或逆時針轉動機械手方向轉盤一圈，蝸桿帶動蝸輪轉動，從而使與蝸輪連接的旋轉軸轉動，旋轉軸端部的可拆分式套環套住滾珠絲杠的下端，套環帶動滾珠絲杠順時針或逆時針轉動11.61°，可根據樹木傾斜的實際情況轉動多圈并進行微調。

表2　蝸輪蝸桿參數

滾珠絲杠傳動具有傳動效率高、傳動平穩、同步性好、磨損小、壽命長等諸多優點[18]，本裝置選用公稱直徑d0為25 mm、導程為10 mm、有效行程為800 mm的滾珠絲杠副，用絲杠導軌進行導向。由步進電機帶動滾珠絲杠旋轉，用于機械手的上下移動。

機械手為五桿機構，左右兩根半圓形不銹鋼管閉合時整體直徑為60 cm，前端封閉，后端分別連接兩根出料軟管，其圓周上部均勻分布8個單噴霧化噴嘴。

機械手開合控制推桿、推桿連接桿與推桿卡槽配合使用。機械手通過絲杠上升至最大高度時，推桿連接桿插入進機械手開合控制推桿端部的套槽內，此時前后推動機械手開合控制推桿即可手動控制機械手的張合，當不推動機械手開合控制推桿或者機械手沒有處于最大高度時，機械手在復位彈簧的作用下處于閉合狀態，保證機械手在上下移動時始終閉合，推桿卡槽的槽位可以使機械手保持打開狀態。

2　工作原理及工作過程

裝置上表面的太陽能電池板在陽光下吸收光能，轉換為電能儲存在蓄電池中[19]。將涂白劑通過涂白劑裝料口裝入涂白劑裝料桶中，通過觸摸屏PLC一體機控制小型氣泵通過進氣管向涂白劑裝料桶泵氣，使其內部氣壓升高并使涂白劑充分混合。

起初機械手在滾珠絲杠最上端，推桿連接桿套入機械手開合控制推桿套槽，轉動機械手方向控制轉盤使滾珠絲杠的螺桿與待涂白樹木保持平行。向前推動機械手開合控制推桿并卡入推桿卡槽使機械手張開并保持張開狀態不動，推動把手使樹干處于機械手的正中間，向后推動機械手開合控制推桿使機械手閉合。通過觸摸屏PLC一體機控制步進電機啟動從而帶動滾珠絲杠旋轉，此時打開電磁閥，機械手向樹干噴涂白劑，并且滾珠絲杠的旋轉帶動機械手向下移動，直至機械手移動到最下端接觸行程開關，此時機械手出料口停止向樹干噴涂白劑；即刻步進電機反轉，使滾珠絲杠也隨之反轉，帶動機械手向上移動至滾珠絲杠最上端，步進電機停止工作。再通過向后移動機械手開合控制推桿使機械手張開，將裝置推離樹干，閉合機械手完成該樹干的涂白工作。

如遇到特殊樹木，如有深溝，凹陷等缺陷，難以全部涂白，可以使用輔助噴管進行涂白。裝置的工作流程如圖4所示。

圖4　智能涂白裝置工作流程Fig.4 Working process of intelligent trunk whitewashing device

3　結　論

本文對一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置的控制與供能部分、涂白劑裝盛部分以及機械手三大部分的結構以及工作原理進行了分析，裝置中機械手方向控制轉盤結合蝸輪蝸桿能夠改變滾珠絲杠的傾斜角度，有效地解決了傾斜樹干的涂白。裝置充分利用太陽能清潔能源，操作簡便、結構緊湊，可以大大提升樹干涂白的質量和效率。

[1]常青青.樹干涂白法防治病蟲害[J].落葉果樹，2015，47(3)：64.

[2]武文斌.探析樹木涂白實用技術[J].現代園藝，2014(20)：46.

[3]焦裕珍.使用涂白防治樹木病蟲害的技術要領[J].國土綠化，2014(5)：42-43.

[4]劉恒光.一種背負式電動噴霧器：中國，CN203897119U[P].2014-10-29.

[5]楊澤春.智能樹干涂白的裝置：中國，CN201728171U[P].2011-02-02.

[6]LE H，Hong K，Jung K.Design and implementation of user centered interface on mobile phone[J].Journal of Measurement Science and Instrumentation，2010，1(4)：330-333.

[7]Xu X，Zuo Y，Wang H.Monitoring and control technology of solar photovoltaic power generation system[J].Journal of Electronic Measurement and Instrument，2010，24(10)：887-891.

[8]Zhang J，Lin Y，Wang C，et al.Criteria of human-computer interface design for computer assisted surgery systems[J].Journal of Shanghai Jiaotong University(Science)，2008，13(5)：538-541.

[9]葛君山.基于單片機和GPS定位的自主導航采摘機器人設計[J].農機化研究，2016，38(12)：237-241.

[10]Du Y，Zhang B，Zhang C.Maintenance of storage batteries in automatic meteorological observation stations[J].Meteorological and Environmental Research，2013，4(Z2)：52-53.

[11]唐征岐，虞輝.太陽能光伏發電系統應用技術[J].上海電力，2008，21(2)：111-114.

[12]Li J，Chong M，Xu J，et al.Photoelectric conversion efficiency enhanced by tilting monocrystalline silicon photovoltaic devices[J].Semiconductor Photonics and Technology，2004，10(2)：101-103.

[13]許偉民，何湘鄂，趙紅兵，等.太陽能電池的原理及種類[J].發電設備，2011，25(2)：137-140.

[14]Zhu H，Xu Z，Cao Z.Experimental research on charging characteristics of a solar photovoltaic system by the pressure-control method[J].Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering)，2011，12(6)：470-474.

[15]陳維吉.液位檢測方案的選擇[J].自動化與儀器儀表，2012(1)：155-157.

[16]Ang X，Guo Y.Parametric 3D modeling of worm and worm gear based on AutoCAD[J].Computer Aided Drafting，Design and Manufacturing，2010，20(1)：9-14.

[17]呂宏，王慧.機械設計[M].北京：北京大學出版社，2009.

[18]秦大同，謝里陽.機電系統設計[M].北京：化學工業出版社，2013.

[19]Chen H，Cong T N，Yang W，et al.Progress in electrical energy storage system：A critical review[J].Progress in Natural Science，2009，19(3)：291-312.

Study on Structure Design of a Kind of Man-machineInteractive-based Intelligent Trunk Whitewashing Device

Fu Xiu，Xin Ying*，Gu Zhoupeng

(College of Engineering and Technology，Northeast Forestry University，Harbin 150040)

Tree trunk whitewashing can prevent from coldness and insects and is more and more widely applied to the management and maintenance of trees in recent years.Traditional trunk whitewashing tools largely depend on manual handling.In order to solve the problems of low efficiency，high labor intensity and the increasingly improved labor fees，we designed a kind of man-machine interactive-based intelligent trunk whitewashing device.Device is supplied by solar power，and driven through the universal wheel by pushing the handle.The manipulator is driven by ball screw to paint white up and down.Combining with ball screw and rotating shaft，the manipulator direction controlling turnplate is beneficial to the whitewash the inclined curved trees.The device is mainly composed of control and energy supply part，white wash agent containing part and the manipulator，which has the advantages of simple structured，easy operating，environmentally friendly，stable and reliable and many other advantages.

trunk whitewashing；man-machine interaction；solar power supply；working principle

2016-03-11

東北林業大學國家級大學生創新項目(201510225031)

付秀，本科生。研究方向：森林工程。

辛穎，博士，副教授。研究方向：森林工程。

E-mail:xyne2003@163.com

付秀，辛穎，谷周澎.一種基于人機交互的樹干智能涂白裝置結構設計[J].森林工程，2016，32(5)：55-58.

S 436.8

A

1001-005X(2016)05-0055-04