高效綠籬修剪機器人設備的開發研究

摘要：針對目前車載式修剪機應用還不成熟，綠籬的修剪基本采用人工方式，存在效率低、效果差和安全風險大等問題，文章結合廣西高速公路中央分隔帶綠籬修剪的發展需求，設計研發了一種自動化程度高、工作效率高、綠色環保的新型高效修剪機器人。通過現場試驗表明，該修剪機器人具有較高的自動化水平，工作效率較高，并且修剪效果具有良好的一致性，達到預期指標。

關鍵詞：綠籬；修剪機器人；開發

中圖分類號：U415.5 A 56 183 2

0 引言

高速公路中央分隔帶具有分隔交通、防止眩光、誘導視線等功能。分隔帶主要由綠化植物組成，綠化植物是生長型植物，生長參差不齊會阻擋交通標志牌或者影響駕駛員視線，需要定時養護和修理。因此，綠籬的修剪和管理任務異常重要。高速公路有車流量大、車速快、路程長等特點，而目前高速公路中央綠化帶基本上都采用剪刀人工修剪，或者用手持式綠籬機修剪，以上修剪方式具有工作效率低、勞動強度大、修剪統一性差、對人員要求高、人員眾多、安全風險大等缺點，研發并使用車載式自動化修剪機來提升自動化水平、提高作業安全性已經成為迫切的需求。但目前我國的車載式修剪機還處于研發起步階段，仍存在如下問題：自動化程度低，還需人工輔助；噪聲大，造成噪聲污染；工人勞動強度高；修剪效率不高，雖能實現平面修剪，但不能實現圓柱形、球形、錐形等個性化修剪。

目前，在廣西范圍內高速公路中央隔離帶綠籬都要求進行圓柱形或球形修剪，本文針對此需求，擬設計一種自動化程度高、工作效率高、綠色環保的新型高效綠籬修剪機器人。

1 系統開發

綠籬修剪機器人是綜合了機械、電子、計算機以及液壓等多學科交叉融合的復雜系統，本文利用CAD軟件基于特征的參數化建模，研究機器人本體、承載機構、行走機構的創新設計。

1.1 主體設計

基于數字化產品主模型，對綠籬修剪進行系統仿真，通過仿真和虛擬測試評估，獲取候選物理模型外觀、結構、動力學和運動學方面的特性，利用CAE分析改進產品的設計方案，獲得整機的最佳性能。

基于硬件在環仿真技術，建立機器人虛擬結構模型、虛擬動作模型以及“橋梁”數據接口，將虛擬機構模型與外部控制器進行耦合，在實際加工制造機器人之前就能通過控制器在環的手段對其進行仿真測試，經過不斷的模型修改和仿真分析，開發出滿足預期目標的數字化樣機。搭建模塊化、系列化設計平臺，開展虛實結合的機器人關鍵零部件可靠性試驗研究，完成產品的加工制造和設計定型。綠籬修剪機器人以四軸機器臂為載體，研制出可運用于綠籬修剪的機器人形式。

1.2 接口研究

綠籬修剪機器人需要滿足多種機器人的搭載，主要針對不同機器人的機械接口、電氣接口以及軟件調度方面展開研究。在結構設計上對機械接口、偏載、作業穩定性、車體剛強度等進行多方面考慮。電氣接口從功率、過壓過流、安全性方面進行研究，在軟件調度上融合多機械臂通信接口、數據融合以及調度控制進行研究。

自動造型修剪作業的關鍵在于造型中心的快速識別與快速定位。項目研究苗木修剪造型的顏色、幾何和紋理基本特征提取方法，運用深度學習算法挖掘被修剪對象的深層次圖像特征，基于深層次圖像特征隱含關系研究被切割對象的中心特征識別問題。

2 刀具設計

刀具是實現綠籬修剪作業的重要部件之一。研究機械化砍伐刀具結構形式、刀具的尺寸、刀具的工作轉速等作業過程的影響機理，研究其優化設計方法，以確保砍伐刀具使用的高效率、可靠性、穩定性和綠籬苗木切口平滑不拉傷。根據技術要求，設計一款圓柱形修剪刀具［1］，采用鋁合金龍門式結構，質量輕，且每個刀片均由一個電機帶動，結構輕巧。在修剪的時候，修剪刀具僅需旋轉180°就可以完成綠籬圓柱形修剪工作。

初期修剪頭存在厚度過大問題，對于一些中央隔離帶較窄路段，無法下探至護欄底下，并且直流電機的工作需要大電流來提供較大功率，而大電流常帶來不安全因素，因此對刀頭的優化改進十分迫切。為此，設計基于多楔帶式的修剪頭，采用三相異步電機為動力，將多楔帶藏在刀架內，實現刀架變薄的目的，刀架減重約10 kg。

個性化修剪頭僅能實現側面修剪，對于頂部修剪需要在原來機械臂的基礎上更換刀具。為了提高效率和使用的便捷性，設計了一套打頂裝置，該打頂裝置利用帶自鎖的電缸可實現上下高度數字化調節，并另設計了避障裝置，當遇到障礙物時，可將前臂收回，實現避障功能。

高效綠籬修剪機器人設備的開發研究/曹璀璨，吳湘檸，陳義時，向程彬

3 自動巡航

3.1 巡航和避障功能

綠籬修剪機器人自主導航過程中，定位是核心問題。特別是在精確對接領域，單個定位傳感器通常會因為光照、雨淋或者其他原因導致數據不穩定、精度低或者具有累計誤差等，而不能滿足自主導航穩定性與對接過程中的精度要求。本項目中需要多種傳感器的定位方法，最終形成了一種數據穩定性好、精確度高，能滿足精確對接的定位方法。根據定位數據，還需要進行路徑跟蹤，實現在工作點的精確定位。

綠籬修剪機器人避障是指在移動過程中或動態環境下，需要基于速度障礙法與DWA算法的動態避障規劃算法進行避障。在速度障礙法下，對場景中的障礙物進行優化處理，使用矩形描述動態、靜態障礙物，根據移動機器人與目標間的距離控制，確定合適的目標點，保證機器人安全地跟車。同時移動機器人采用DWA算法對速度控制進行評價，從中選擇適當的控制指令進行避障。

3.2 模塊設計

綠籬修剪機器人采用麥克納姆輪、懸掛模塊、驅動軸系、驅動器總成、綜合控制箱、液壓動力單元、遙控系統、安全控制系統等標準模塊，按照機械臂需求定制全向移動機器人，采用遙控器和遠程控制，對機器人實現移動控制。融合多種傳感器實現精確定位導航，并采用動態避障法實現避障。綠籬修剪機器人上安裝差分GPS、相機、電子里程計、激光位移傳感器等多種傳感器實現定位，根據自身位置與目標位置偏差實現路徑跟蹤，到達指定位置［2］。通過對全向車的結構優化，實現全向車在高速路面上行駛，并保證麥克納姆輪具有足夠的使用壽命，全向車前后各設置一個視覺識別裝置，前一個用來識別道路邊緣線，實現全向車能夠沿道路邊緣線自動巡航行駛，后一個用來校核全向車行駛的準確性。

3.3 遠程控制

搭建企業工業機器人“互聯網+”大數據云服務平臺，解決工業機器人及多種傳感器與云服務之間的互聯互通，實現信息實時交互。基于WEB+技術、APP軟件開發技術，建立上位機，打通與全向車、機械臂的通信障礙，實現上位機對全向車以及機械臂的控制，并針對每一棵綠籬記錄其相對標記點的坐標，建立綠籬坐標數據庫，綠籬坐標數據庫是自動巡航修剪的重要組成部分，配合5G技術影像技術，實現遠程監視和無線操控。

4 現階段成果

應用機器人技術研制出可運用于綠籬修剪的機器人形式，其末端承受能力達90 kg，修剪作業半徑為3 m。修剪頭采用鋁型材作為骨架，大大減輕了重量，運用鋸盤設計，實現高速修剪，剪切口平整，無擊碎現象，不傷樹，速度為50 s/棵，修剪綠籬直徑范圍達800～1 300 mm，最大修剪截面長度達到180 mm，可實現圓柱形、球形等形狀修剪。

應用機器視覺技術以及機器人技術，能精準識別樹木軸干，找到樹木的軸心位置。應用機器視覺技術、人工智能技術、智能運動控制技術，開發出遠程遙控平臺，實現自動巡航功能以及定位功能，巡航精度為±25 mm，定位精度為±30 mm。

在廣西南友路進行現場實驗，綠籬修剪機器人具有較高的自動化水平，工作效率較高，并且修剪效果具有良好的一致性，達到預期指標。

5 結語

本文闡述了綠籬修剪機器人的研發設計，從機器人形式設計，識別技術的應用，到個性化刀具設計和自動巡航避障功能的實現，建立遠程遙控平臺，取得了高效修剪和自動巡航的階段成果，并經過了上路測驗。但綠籬修剪機器人科研項目還在最后研發階段，部分功能還有待進一步優化，如枝葉自動回收和整理功能還需完善。試驗路段中央分隔帶型式為波形護欄，而作為協作項目和主要應用場景之一的桂林至柳州高速改建工程中央分隔帶采用的是新澤西護欄，中央分隔帶寬度為2～3 m，下一步綠籬修剪機器人還需對不同路況進行測試。

綠籬機器人項目如最終研制成功，經測算，設備購入初年較原中央分隔帶綠化帶養護模式可節省約20萬元費用，能大幅度降低設備壽命期內運營成本。修剪后的綠籬外觀整齊一致，施工安全性也得到保障，具有顯著的經濟效益和社會效益。綠籬機器人項目的成功實施將對廣西高速公路建設形成良好的示范帶動作用，推廣意義重大。

參考文獻

［1］唐 果.高速公路綠籬修剪機器人運動特性研究［D］.重慶：重慶交通大學，2019.

［2］方朋朋，楊家富，施楊洋，等.基于APF的綠籬修剪機器人避障應用研究［J］.林業機械與木工設備，2018（12）：41-47.

收稿日期：2022-11-30