基于人機協作的樹干涂白裝置研制與開發

唐磊生 侯靜 崔一帆

摘 要：樹干涂白已然成為保護樹木的必要手段，通過對樹干的涂白，可以有效防止樹干受到自然界的侵害。本文基于SolidWorks、CAD等軟件設計適應性更廣的樹干涂白裝置，通過數據采集與分析，確定結構尺寸，將石灰水勾兌與灌裝機構、便攜背負式涂白機等機構集中在樹干涂白裝置整機上。通過樹莓派與電源管理板，控制單向與雙向開關，實現對整個裝置的控制。所設計霧化噴涂機械手可將樹干360°包裹，實現樹干涂白工作的高效作業。完成樹干涂白裝置與便攜背負式樹干涂白機設計。樹干涂白裝置與便攜背負式樹干涂白機的設計旨在克服人工進行樹干涂白工作時效率低、噴涂不均勻、涂白質量差的缺點，實現利用機器輔助人工完成樹干涂白工作，具有結構精巧、操作簡單、生產成本低、綠色環保和穩定可靠等優點。

關鍵詞：樹干涂白;人機協作;石灰水勾兌;便攜式

中圖分類號：S776.28 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）01-0038-07

Abstract：Whitening the tree trunk has become a necessary means of protecting trees. By whitening the trunk， it can effectively prevent the trunk from being damaged by nature. This paper designs a more adaptable tree trunk whitening device based on SolidWorks， CAD and other software. Through data collection and analysis， the structure size is determined， and the lime water blending and filling structure， portable knapsack whitening machine and other institutions are concentrated on the whole trunk whitening device. Through raspberry PI and power management board， one-way and two-way switches are controlled to realize the control of the whole device. The designed atomized spraying manipulator can wrap the trunk 360° to realize the efficient operation of whitening the trunk. Complete the design of trunk whitening device and portable backpack trunk whitening machine. The design of the tree trunk whitening device and portable knapsack whitening machine aims to overcome the shortcomings of low efficiency， uneven spraying， and poor whitening quality when manually doing trunk whitening work， and realize the use of machine-assisted manual completion of trunk whitening work or the trunk whitening machine to complete the whitening work autonomously. The trunk whitening device has the advantages of exquisite structure， simple operation， low production cost， environmental protection， stability and reliability.

Keywords：Tree trunk whitening; man-machine collaboration; lime water blending; portable

0 引言

樹干涂白是通過在樹干表面刷涂樹干涂白劑，預防早春霜凍對樹干造成危害[1]，避免樹木被日灼[2]，防止樹干病菌感染，殺滅樹干寄生病菌[3]，給樹干涂白是一種高效綠色的樹干保護方式，為森林的經營發展提供有力支持[4]。然而目前樹干涂白工作還是通過人工涂白的方式進行，涂白工作勞動強度大、效率低，涂白質量差和涂白高度層次不一[5]，而且隨著人工工資的增長，樹干涂白作業的投入逐年增加。

由翟家怡[6]發明的一種適應多種地形的樹干涂白機器人，通過三自由度機械爪配合移動式履帶底盤與石灰水箱實現樹干的涂白作業，涂白一棵樹需要20 s。由稅夢瑤等[7]發明的樹干涂白機，通過在四輪車上邊加裝曲柄與滾軸在動力系統的帶動下實現樹干的涂白作業。由趙曦陽等[8]發明的一種組合式樹干涂白刷，通過由支撐桿組成“7”字桿，在上邊安裝滾筒刷，通過滾刷實現樹干涂白作業。由陳浩[9]設計一款集平地行走、轉彎及臺階越障多功能輪腿式樹干涂白機實現樹干涂白作業。由付秀等[10]設計的智能涂白裝置主要由供能部分、涂白劑裝盛部分以及機械手3個主要部分，在裝置頂端安裝太陽能電池板，可實現樹干涂白作業。研究人員撰寫樹干涂白機器人相關發明專利以及樹干涂白機的設計研制，因整機體積較大、生產成本高和適應能力不強，投入實際實驗與應用相對較少。根據以上存在的問題，本文提出一種人機協作的樹涂白裝置，可實現輔助人工進行樹干涂白作業。

1 裝置結構方案

樹干涂白裝置主要包括車架、石灰水灌裝箱、石灰水泵、一分三分流機構、驅動機構、自動噴涂機械手、便攜背負式樹干涂白機、控制按鈕以及驅動機構;便攜背負式樹干涂白機包括手持噴涂機械手、石灰水箱和增壓泵等機構;石灰水灌裝箱可進行石灰水的勾兌和攪拌;驅動機構可驅動自動噴涂機械手在軌道滑塊機構的作用下沿樹干移動并進行石灰水的噴涂;手持噴涂機械手由人工背負操作，進行石灰水的噴涂。利用SolidWorks軟件設計樹干涂白裝置三維結構，如圖1所示。

1.1 樹干涂白裝置的參數選擇

對街道上的樹木，采用間隔為5顆的數據采樣方法，采集2 000顆樹木周長數據樣本，1 000顆涂白高度數據樣本，1 000顆圍欄數據樣本，樣本按照20、50、100顆數據量進行分組，將樹木周長、樹干涂白高度、圍欄尺寸分成100、20、10組統計數據，利用公式（1）計算。

x-=∑ni=1xin 。（1）

式中：x-為樣本數據平均值;xi為每一個樣本數據;n為樣本總數。

取算數平均值x-繪制數據分析圖，如圖2所示。對數據進行研究，確定機械手的大小、霧化噴涂機械手作業高度。

根據取樣調查結果圖2可知，樹干周長主要集中在500～700 mm，樹干的半徑是在79.58～111.41 mm，因為樹干噴涂機器人的機械手要完全包裹住樹干，故機械手的半徑要大于111.41 mm，需要對其進行取整，并擴大適用范圍，因此采用半徑為150 mm的機械手，機械手的作業半徑范圍在80～150 mm;樹干涂白高度在1 000～1 100 mm，為了方便車身結構設計，選用1 050 mm作為樹干涂白高度，保證樹干涂白高度均為1 050 mm;樹干圍欄尺寸在1 100～1 300 mm，且主要集中分布在1 200 mm左右，為了方便車身結構的設計，采用1 200 mm的樹干圍欄尺寸，假設每棵樹都種在圍欄中間位置，根據結果計算出樹干圓心到圍欄邊的尺寸為600 mm。

最終確定車身尺寸為：450 mm×390 mm×1 200 mm，第一層高度240 mm，第二層高度700 mm。

1.2 車身結構方案

（1）樹干涂白裝置車身結構部分：車身材料全部采用20 mm×20 mm鋁合金型材，采用兩個萬向輪和兩個定向輪的四輪結構，使其具有更強的機動性[11-12]，人工可方便地控制樹干涂白裝置，由人工操作萬向輪實現轉向，由驅動裝置驅動樹干涂白裝置的定向輪移動。

（2）機械手運動軌道部分：采用長方形軌道與滑塊相配合的滑動軌道，代替滾珠絲杠結構[13-14]，對滑塊進行改裝，將機械手固定安裝，讓滑塊帶動機械手，在滑動軌道上快速移動，完成樹干涂白作業。

（3）在機械手部分：采用直徑16 mm的空心銅管與10 mm的黃銅霧化噴嘴。通過高溫將機械手臂、霧化噴嘴，在焊錫的作用下連接在一起。在使用過程中不會出現霧化噴嘴脫落的情況。提高了樹干涂白機器人工作的穩定性。

（4）樹干涂白機器人控制部分：利用雙向開關與點動開關控制機械手臂運動、水泵開關控制、機械手臂張開與閉合等狀態。簡便的控制設計，讓涂白作業工人，可通過開關來控制樹干涂白機器人的運動。

1.3 樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構

樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構采用4個攪拌葉片（圖3），在攪拌軸的帶動下，實現三層循環攪拌（簡稱四葉三層攪拌機構），以保證勾兌完成的石灰水不會在石灰水箱底出現沉淀。

樹干涂白劑的配置中，根據不同的防治目的可選用不同的配置，主要成分和比例是：生石灰5 kg、硫磺粉1.5 kg、水36 kg、食鹽2 kg[15]。

利用石灰水勾兌與灌裝機構實現石灰水的配置，在通過過濾網篩除生石灰中的雜質，在攪拌電機、第一層四葉攪拌機構、第二層四葉攪拌機構、第三層四葉攪拌機構配合下，將生石灰攪拌均勻，實現石灰水的配置。配備好的石灰水從石灰水箱底部的側壁輸出。石灰水箱側壁設計有連通器，可很直觀地觀測到石灰水箱內部石灰水液的剩余量，給后續工作帶來很大的方便。

1.4 軌道滑塊機構設計

樹干涂白裝置中的霧化噴涂機械手是通過軌道滑塊機構（圖4），以此實現機械手的往復運動。

機械手需要實現穩定的往復運動，運動速度和運動精度要求較低，故采用結構簡單，使用維修方便的矩形滑動軌道。機械手安裝在機械手固定塊上，固定塊與滑塊組合在一起，驅動電機通過鋼絲繩利用定滑輪實現機械手的往復運動。

1.5 便攜背負式樹干噴涂機設計

便攜背負式樹干噴涂機[16-17]，如圖6所示，在面對小樹林以及樹木密度大的樹干待涂白區域，樹干涂白裝置整車不變進入作業區域，此時人工可背負樹干涂白機進入作業區域進行樹干涂白作業。

通過樹干涂白機的石灰水箱對便攜背負式樹干噴涂機進行樹干涂白石灰水的灌裝，人工將其背負進入密度比較大的樹林，觀察準備噴涂樹干的粗細選擇霧化噴涂機械手，人工手持噴涂機械手臂手柄，選擇合適的霧化噴涂，調整機械手臂的位置，讓霧化噴涂機械手對準樹干，開啟控制開關，人工手持機械手臂完成自下而上與自上而下的周期運動，完成樹干的涂白。

樹干涂白裝置可以通過輸送管對便攜背負式樹干噴涂機進行石灰水的補充，以實現便攜背負式樹干涂白機器長時間工作。

1.6 樹干涂白裝置整體結構設計

在完成四葉三層樹干涂白石灰水勾兌與罐裝機構、便攜背負式樹干噴涂機的設計工作，開展樹干涂白裝置整體結構設計。樹干涂白裝置整體結構如圖7所示。

樹干涂白裝置結合機電一體化技術，主體涂白機構由涂白機械手臂、軌道滑塊機構和驅動裝置等部分組成。

2 樹干涂白裝置控制結構

樹干涂白裝置將樹莓派[18]作為主控板，利用電源管理板管理霧化噴涂機械手、軌道滑塊機構、增壓泵、驅動機構和石灰水勾兌灌裝機構，采用鉛酸免維護蓄電池[19]為整個裝置供電，硬件接線方案如圖8所示。

樹干涂白裝置人機控制方案采用單向與雙向點控開關，圖8中：1號和2號開關均為雙向開關，3號、4號、5號開關均為單向開關。操作人員根據實際需求進行操作，操作簡單方便。

樹干涂白裝置工作流程如圖9所示，簡化說明如下。

（1）在人工的輔助下，樹干涂白裝置運動到待作業區域。

（2）選擇待涂白樹干作業區域，利用樹干涂白石灰水勾兌與灌裝機構罐裝石灰水，并啟動樹干噴涂裝置。

（3）將其推至距樹干合適的距離，利用霧化噴涂機械手控制開關，打開機械手將樹干包裹其中，關閉機械手。

（4）開啟增壓泵開關，進行噴涂作業，驅動電機驅動軌道滑塊機構，使霧化噴涂機械手實現上下往復運動，進行樹干涂白作業。

（5）樹干涂白作業結束后，張開霧化噴涂機械手，準備下一階段的工作。

（6）當石灰水用完后，利用石灰水勾兌與罐裝機構，實現石灰水灌裝或勾兌新的石灰水，罐裝其中。

（7）可背負便攜背負式樹干噴涂機進入密度較大的樹林，人工操作實現樹干涂白作業。

3 樹干涂白裝置實驗

在基于SolidWorks、CAD軟件，完成樹干涂白裝置設計后，開展樹干涂白裝置的加工制作，樹干涂白裝置樣機如圖10所示。

在實際樹干涂白作業中，可根據樹干直徑選擇適當的樹干涂白裝置。設置工作模式及參數見表1。

人機協作模式比人工作業模式有更大的優勢。樹干涂白裝置與樹干涂白機根據實際涂白作業中樹干類型的不同，作業時間不同。中型樹干，由樹干涂白裝置完成，作業時間基本穩定在28 s左右;小型、大型和特大型樹干，采用便攜樹干涂白機進行作業，單次完成1 050 mm的涂白理論用時22～36 s，完成整棵樹的涂白作業需要多次操作，總用時與操作次數、人工操作效率有關。

4 結論

本文對一種基于人機協作的樹干涂白裝置利用SolidWorks、CAD等軟件進行了機械結構、石灰水勾兌灌裝機構、便攜背負式樹干涂白機、驅動結構、軌道滑塊機構和控制機構的設計，對其工作原理進行了分析。完成了樹干涂白機的樣機制作與實驗，與人工獨立完成樹干涂白作業對比，體現了樹干涂白裝置輔助人工進行涂白作業的優越性。樹干涂白裝置結構緊湊、操作方便、適應性強、生產成本低、可提升樹干涂白質量和效率，并具有綠色環保、穩定性高等優點。

【參 考 文 獻】

[1]武文斌.探析樹木涂白實用技術[J].現代園藝，2014，37（20）：46.

WU W B. Probe into the practical techniques of whitening trees[J]. Xiandai Horticulture， 2014， 37（20）： 46.

[2]劉斌.樹木涂白新技術研究及推廣策略[J].現代園藝，2017，40（2）：60.

LIU B. New technology research and promotion strategy of whitening trees[J]. Xiandai Horticulture， 2017， 40（2）： 60.

[3]陳巖，楊澤春，荊曉梅，等.樹木涂白新技術研究及推廣[J].園林科技，2013，33（2）：44-46.

CHEN Y， YANG Z C， JING X M， et al. Research and promotion of new whitening techniques for trees[J]. Journal of Green Science and Technology， 2013， 33（2）： 44-46.

[4]胡雪凡，張會儒，張曉紅.中國代表性森林經營技術模式對比研究[J].森林工程，2019，35（4）：32-38.

HU X F， ZHANG H R， ZHANG X H. Contrastive research on practice and application of forest management technology mode in China[J]. Forest Engineering， 2019， 35（4）：32-38

[5]蔣小輝，胡川，張官祥，等.自適應式智能樹干涂刷裝置系統的研制與開發[J].電氣技術，2019，20（9）：65-68.

JIANG X H， HU C， ZHANG G X， et al. A study on self-adaptive system of intelligent trunk brushing device[J]. Electrical Engineering， 2019， 20（9）： 65-68.

[6]翟家怡.一種適應多種地形的樹干涂白機器人：中國，CN208880692U[P].2019-05-21.

ZHAI J Y. The invention discloses a trunk whitening robot suitable for various terrains： China， CN208880692U[P]. 2019-05-21.

[7]稅夢瑤，李琳.樹干涂白機：中國，CN209138928U[P].2019-07-23.

SHUI M Y， LI L. Trunk whitening machine： China CN209138928U[P]. 2019-07-23.

[8]趙曦陽，張秦徽，陳嵩，等.一種組合式樹干涂白刷：中國，CN209573725U[P].2019-11-05.

ZHAO X Y， ZHANG Q H， CHEN S， et al. A combined whitening brush for tree trunks： China， CN209573725U[P]. 2019-11-05.

[9]陳浩.樹木涂白機的設計及研制[D].贛州：江西理工大學，2015.

CHEN H. Design and development on machine with spraying lime liquid[D]. Ganzhou： Jiangxi University of Science and Technology， 2015.

[10]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.

FU X， XIN Y， GU Z P. Study on structure design of a kind of man-machine interactive-based intelligent trunk whitewashing device[J]. Forest Engineering， 2016， 32（5）： 55-58.

[11]GUCCIONE S， MUSCATO G. The wheeleg robot[J]. IEEE Robotics & Automation Magazine， 2003， 10（4）： 33-43.

[12]DING X L， LI K J， XU K. Dynamics and wheels slip ratio of a wheel-legged robot in wheeled motion considering the change of height[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2012， 25（5）： 1060-1067.

[13]NEGREAN I， SCHONSTEIN C， KACSO K. Study about the dynamics of a translational robot axis based on ball screw transmission[C]// 2016 IEEE International Conference on Automation， Quality and Testing， Robotics （AQTR）. 19-21 May 2016， Cluj-Napoca， Romania. IEEE， 2016： 1-6.

[14]段小帥，黃建，劉海.滾珠絲杠舵機傳動機構形式分析研究[J].導航定位與授時，2017，4（5）：39-42.

DUAN X S， HUANG J， LIU H. Study on transmission mechanism of ball screw actuator[J]. Navigation Positioning and Timing， 2017， 4（5）： 39-42.

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

CHANG Q Q. Whitening the trunk to prevent pests and diseases[J]. Deciduous Fruits， 2015， 47（3）： 64.

[16]鄭志忠.一種多功能背負式電動噴霧器：中國，CN205587194U[P].2016-09-21.

ZHENG Z Z. A multifunctional knapsack electric： China， CN205587194U[P]. 2016-09-21.

[17]韓東，陳子斌.3MF-4型背負式噴霧噴粉機的故障分析與維修方法[J].林業機械與木工設備，2019，47（7）：51-54.

HAN D， CHEN Z B. Fault analysis and maintenance method of 3MF-4 knapsack spray duster[J]. Forestry Machinery & Woodworking Equipment， 2019， 47（7）：51-54.

[18]DOANT W. Learn raspberry Pi programming with python： Learn to program on the worlds most popular tiny computer[M]. California： Metapress， 2018.

[19]DU Y， ZHANG B， ZHANG C. Maintenance of storage batteries in automatic meteorological observation station[J]. Meteorological and Environmental Research， 2013， 4（Z2）：52-53.