城市綠化干道樹干保護層噴涂機器人本體設計

馬金茹，謝 兵，祁宇明，宋培培

(1.北京電子科技職業(yè)學院汽車工程學院，北京 100176；2.天津職業(yè)技術(shù)師范大學機器人及智能裝備研究所，天津 300222)

1 引言

為了有效地阻止并殺死寄附在樹干上的害蟲與病菌以及防止樹干被灼傷、凍傷，園林工人采取對樹干進行刷白的措施[1-5]。根據(jù)對國內(nèi)樹干保護層噴涂方式的相關(guān)調(diào)研報告指出[4]：80%城市綠化干道樹干依舊采用人工手動涂白，僅有20%借助相關(guān)機械噴涂(主要集中于北京、天津等大城市)，其中以“人工背負+手動噴涂”方式為主。其中主要問題在于：(1)噴涂過程藥水易凝固，堵塞噴孔；(2)目前均為單孔噴涂，噴涂效率低下；(3)目前噴涂作業(yè)均采用電控方式，不利于環(huán)保。國內(nèi)隨著某大學[7-8]“一種刷樹機”專利的申請，一定程度上降低了人工的勞動強度，但該“刷樹機”主要通過人工推拉車體行走，還需要人工去操縱機械系統(tǒng)執(zhí)行大部分工作，自動化程度太低，其機械手的卡爪也只是設計構(gòu)思，實用程度不高；文獻[7-10]相關(guān)課題人員設計“樹木涂白機”的機器，可以實現(xiàn)半機械化工作，因此在一定程度上減輕了勞動強度、提高涂白效率以及避免人體直接接觸有害物質(zhì)，但其行走功能相對薄弱，這方面還是未能解決工人的勞動強度。

鑒于此，本設計的城市綠化干道樹干保護層噴涂機器人主要由附帶藥箱攪拌功能的機器人移動平臺、環(huán)形噴涂機械手、自直筒式加壓裝置三部分組成；整套機構(gòu)可采用電控方式一鍵完成噴涂工作，并通過電池驅(qū)動機器人平臺移動；亦可通過純機械方式完成無電源環(huán)境下的移動與噴涂工作，能夠解決目前樹干噴涂作業(yè)中存在的多種問題。

2 噴涂機器人結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 主要結(jié)構(gòu)組成

城市綠化干道樹干保護層噴涂機器人主要由附帶藥箱攪拌功能的機器人移動平臺、環(huán)形噴涂機械手、自直筒式加壓裝置三部分組成。樹干保護層噴涂機器人整體結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。其中，噴涂機器人移動平臺與三輪車結(jié)構(gòu)類似，通過鏈傳動實現(xiàn)前輪驅(qū)動前行。噴涂機器人本體通過腳踏板的正向轉(zhuǎn)動再配合系列鏈輪傳動，帶動錐齒輪運動從而實現(xiàn)對石灰水均勻的攪拌；利用腳踏板反方向轉(zhuǎn)動，帶動飛輪、曲柄滑塊轉(zhuǎn)動，完成對藥水加壓；噴涂機器人的機械手在電機與絲杠的作用下，沿著導軌進行上下移動的同時藥箱中的加壓裝置將藥液經(jīng)由輸送管輸送到環(huán)形噴涂機械手，保證了樹干保護層的噴涂作業(yè)。

圖1 樹干保護層噴涂機器人整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The Overall Structure of the Spraying Robot

2.2 藥液噴涂原理及工作過程

對城市綠化干道樹干保護層實施藥液噴涂后，由于石灰水是弱堿性的，可以有效的阻止并殺死樹干上的害蟲及病菌，同時對樹干起到保暖、防灼傷的作用。噴涂機器人的機械手在電機與絲杠的作用下，沿著導軌進行上下移動的同時藥箱中的加壓裝置將藥液經(jīng)由輸送管輸送到環(huán)形噴涂機械手，從而實現(xiàn)對樹干保護層的整體噴涂作業(yè)。

3 噴涂機器人結(jié)構(gòu)設計

對于城市綠化干道樹干防護層噴涂機器人的整體設計主要分為附帶藥箱攪拌功能的移動平臺、環(huán)形噴涂機械手和加壓裝置三個部分。其中，附帶藥箱攪拌功能的移動平臺主要是由機器人本體、藥箱和攪拌傳動結(jié)構(gòu)組成；環(huán)形噴涂機械手主要是由環(huán)形噴頭、手動/自動切換裝置和噴頭支架組成；加壓裝置主要由加壓傳動機構(gòu)、飛輪、曲柄滑塊和減壓閥組成。類似三輪自行車的移動平臺在此設計中不作重點描述，此設計主要描述噴涂工作的主要機構(gòu)：環(huán)形噴涂機械手與自直筒式加壓裝置。

3.1 藥箱攪拌傳動結(jié)構(gòu)的設計

為防止藥水凝固沉淀而進行持續(xù)攪拌，利用腳踏板正周期往復的圓周運動實現(xiàn)本體移動的同時帶動雙排從動鏈輪轉(zhuǎn)動，雙排從動鏈輪帶動同軸固定的單排從動鏈輪1運動，經(jīng)由鏈條傳動實現(xiàn)單排從動鏈輪2動作，從動鏈輪2帶動同軸固定的錐齒輪實現(xiàn)周期轉(zhuǎn)動，最終保證攪拌棒能連續(xù)轉(zhuǎn)動，其中攪拌機構(gòu)傳動，如圖2所示。在進行設計的過程中，考慮到藥箱滿載的情況下，需要輸出較大扭矩。從而為了保證攪拌軸能夠達到對石灰水均勻攪拌的功能，需要對傳動機構(gòu)的傳動比進行合理的規(guī)劃以及攪拌棒的強度、扭矩進行校核。

圖2 攪拌機構(gòu)傳動圖Fig.2 Agitator Drive Diagram

該結(jié)構(gòu)設計選用攪拌軸的材料為45號碳素鋼[11-12]，軸徑d為40mm，按照成年人騎車的平均輸出功率計算P為75 W[13]。

由公式：

式中：ω—攪拌軸運動的角速度；R—攪拌軸半徑；n—攪拌軸每分鐘轉(zhuǎn)動圈數(shù)約為2000轉(zhuǎn)。

可以計算出攪拌葉片的線速度v為6.28m/s，每個葉片受到的阻力F：

其中葉片對攪拌軸所產(chǎn)生的扭矩T：T=F×R=0.06N·m故攪拌軸的切應力τ：

式中：WT—攪拌軸的抗扭截面系數(shù)；

[]

τ—許用切應力，(25～45)MPa。

所以該傳動機構(gòu)及軸的設計完全滿足要求。

3.2 手自一體環(huán)形噴涂機械手設計

可拆式環(huán)形噴涂機械手通過環(huán)形噴孔實現(xiàn)對城市綠化干道樹干一次性噴涂作業(yè)，噴涂機械手的設計采用自動/手動一體化，自動部分[11-12]采用ARM的FS系列芯片與24V電池驅(qū)動機械手上下運動以及手動/自動切換裝置切換控制的功能，以適應各種環(huán)境下的要求并且極大地方便了園林工人的操作。手自一體環(huán)形噴涂機械手設計，如圖3所示。

圖3 手自一體環(huán)形噴涂機械手設計Fig.3 Manual and Automatic Integrated Ring Spraying Manipulator Design

噴涂機械手的上下移動主要是靠電機驅(qū)動絲杠導軌上下運動(噴涂機械手也可卸下，實現(xiàn)人工噴涂)；環(huán)形噴頭與手/自切換閥連接方便進行手動自動擋的切換工作；9個噴嘴均勻的安裝在環(huán)形噴涂機械手兩側(cè)并使藥液呈約135°角噴出，噴涂有效半徑為(200～400)mm，噴涂量為(250～300)ML/s。

噴涂機械手固定在“L”型平臺上與絲杠導軌相連接，考慮到噴涂機械手與平臺的重量以及與樹干的碰觸作用對絲杠、導軌精度的影響。故將機械結(jié)構(gòu)三維模型導入Ansys Workbench中，施加定量負載3N后進行相關(guān)力學仿真分析，分析結(jié)果，如圖4所示。

圖4 力學分析結(jié)果云圖Fig.4 The Cloud Chart of Mechanical Analysis Results

由圖4(a)總變形云圖可知結(jié)構(gòu)最大變形位置發(fā)生在平臺前端，最大變形0.0052494mm；由圖4(b)等效應力圖可知導軌最大等效應力在1.373e-5左右；由圖4(c)等效應變云圖可以看出導軌最大等效應變2.0763。45號碳素鋼屈服極限σb=355MPa，安全系數(shù)取ns=1.4，其許用應力[σs]=253MPa，許用剪切應力為146MPa[13，16]。經(jīng)比較可知，結(jié)構(gòu)的許用強度大于其最大等效應力，所以此設計滿足實際使用要求，不會發(fā)生失效和損壞情況。

3.3 藥箱加壓傳動機構(gòu)

為保證藥箱里的壓力充足、藥水可連續(xù)輸出，需要對藥箱進行間斷性加壓[17]。本方案中對藥水加壓方式采用的是氣動直筒式加壓，可利用腳踏板反方向轉(zhuǎn)動，帶動飛輪、曲柄滑塊轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對藥水加壓。當藥箱壓力過高時，由減壓閥釋放過高的壓力，從而保證藥箱整體穩(wěn)定安全。藥箱加壓機構(gòu)，如圖5所示。

圖5 藥箱加壓傳動機構(gòu)Fig.5 Pressure Drive Mechanism of Medicine Box

綜上所述，根據(jù)各功能部件結(jié)構(gòu)設計與分析，采用常見的三輪移動方式為主驅(qū)動，滿足城市綠化干道保護層噴涂機器人環(huán)境需求，這里樣機整體實物，如圖6所示。噴涂機器人噴涂作業(yè)實驗，如圖7所示。

圖6 整體實物圖 Fig.6 Overall Picture

圖7 噴涂作業(yè)實驗圖Fig.7 Painting Experiment Diagram

4 試驗驗證

4.1 試驗條件

實驗組數(shù)：20組

地點：綠化干道

試驗對象：A園林工人、B這里設計的噴涂機器人自動化作業(yè)、C本設計的噴涂機器人手動化作業(yè)。

要求：樹干的直徑、涂白高度、樹干種類以及周圍環(huán)境一致，每次噴涂出藥按完成后均對出藥孔進行清洗。

4.2 試驗結(jié)果分析

本次試驗中，分別對20棵樹進行涂白作業(yè)，其中人工刷白的平均時間為90s/樹，噴涂機器人自動化的平均時間為30s/樹，噴涂機器人手動化的平均時間為35s/樹。表示不同噴涂方式下，速率、勞動強度、噴涂效果、可靠性等進行對比。不同噴涂方式的對比，如表1所示。

表1 不同噴涂方式的對比Tab.1 Comparison of Different Spraying Methods

圖8 人工刷白與噴涂機器人噴涂效果比較Fig.8 Comparison of Spraying Effect Between Manual Whitewashing and Spraying Robot

通過實驗的相關(guān)驗證，得到關(guān)于城市綠化干道保護層噴涂機器人一次噴涂工作的時間僅30s，在噴涂效果方面，噴涂機器人效果均勻一致，樹干上無遺漏縫隙；而人工刷白效果較均勻，樹干有遺漏縫隙。人工刷白與噴涂機器人噴涂效果比較，如圖8所示。經(jīng)過30天20組實驗，噴涂機器人保持了良好的工作效率，設備可靠穩(wěn)定。因此，保護層噴涂機器人可以有效地提高噴涂作業(yè)效率以及刷白效果。樹干保護層噴涂機器人可以實現(xiàn)手動、自動一體化操作，保證在無電源環(huán)境下正常運作；由于噴涂機器手采取氣動清潔，可以有效地保證了機器人長時間工作的能力。

5 結(jié)論

在城市綠化干道保護層噴涂機器人的設計中：

(1)提出了機器人手動、自動一體化設計理念，保障無電源環(huán)境下的正常操作；

(2)提出了環(huán)形氣動噴涂機械手，實現(xiàn)樹干的一次性噴涂，一次工作僅用30s，僅為人工作業(yè)時間的三分之一，極大地提高噴涂作業(yè)效率；

(3)提出了機器人移動平臺與藥箱攪拌、藥箱加壓裝置一體化工作的模式；

(4)噴涂機器手采取氣動清潔，保證了機器人的長時間工作能力。