全自動(dòng)智能化樹干涂白機(jī)
隨著綠化覆蓋面積越來(lái)越大，每逢秋末冬初，我們隨處可以看到，為了讓樹木安全過(guò)冬和防治病蟲害，園林部門工作人員開始忙碌地給樹木涂白。我們考慮是否可以用機(jī)器來(lái)代替人工完成這項(xiàng)工作，從而節(jié)省勞動(dòng)力，提高生活質(zhì)量，于是便申報(bào)了該項(xiàng)目并獲得國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃支持。
此項(xiàng)目志在研制出一臺(tái)全自動(dòng)智能化的樹干涂白機(jī)，該機(jī)器可以對(duì)人行道旁的樹木快速、高效地噴涂石灰溶液；在提高工作效率的同時(shí)，節(jié)省勞動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)衛(wèi)的目的。由機(jī)器人來(lái)代替人工進(jìn)行工作是這個(gè)時(shí)代的趨勢(shì)，該項(xiàng)目也可以說(shuō)是彌補(bǔ)了機(jī)器人在這一領(lǐng)域上的空白。項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的噴涂方式節(jié)省涂料、更加優(yōu)化涂刷效果。經(jīng)過(guò)最終測(cè)試，所研制的涂白機(jī)從尋找樹木到完成對(duì)一棵樹木進(jìn)行全方位噴涂的工作不到30秒鐘的時(shí)間，而人工涂刷則至少需要3分鐘，達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。
圖1 涂白機(jī)機(jī)構(gòu)
在機(jī)械設(shè)計(jì)上，涂白機(jī)結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)，主體噴涂機(jī)構(gòu)由噴涂機(jī)械手臂、龍門架及對(duì)應(yīng)的支撐運(yùn)動(dòng)等部分組成（見(jiàn)圖1）。其中噴涂機(jī)械手臂是噴涂部分的主要結(jié)構(gòu)，其上裝有激光傳感器和噴頭，在俯仰關(guān)節(jié)的帶動(dòng)下，噴涂機(jī)械手臂可以進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂的收放，以便在行走過(guò)程中放下手臂，減少機(jī)構(gòu)的空間占用。激光傳感器的作用至關(guān)重要，其中一對(duì)用于檢測(cè)樹與涂白機(jī)間的距離。噴涂機(jī)械手臂可以在縱向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)下與龍門架一起，實(shí)現(xiàn)噴涂機(jī)械手臂伸縮運(yùn)動(dòng)以調(diào)整機(jī)器人與樹木之間的距離；另一對(duì)激光傳感器安裝在龍門架上用來(lái)檢測(cè)人行道上的樹木及樹木的粗細(xì)，同時(shí)給出圖像處理的信號(hào)；而噴涂手臂可根據(jù)檢測(cè)到的信息進(jìn)行張開閉合運(yùn)動(dòng)，來(lái)適應(yīng)樹木的粗細(xì)。噴涂機(jī)械手臂也可以在鏈條的帶動(dòng)下沿龍門架上的導(dǎo)軌上下運(yùn)動(dòng)，在上下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)樹進(jìn)行噴涂。主體噴涂機(jī)構(gòu)安裝在帶有四輪的移動(dòng)小車上，小車具有避震機(jī)構(gòu)，其轉(zhuǎn)向利用左右輪速差實(shí)現(xiàn)。在小車的兩側(cè)及前方裝有超聲波傳感器和攝像頭用以檢測(cè)障礙物、路沿及樹木。整體模型如圖2所示。
圖2 整體模型
在控制方面，涂白機(jī)以plc（可編程控制器）作為下位機(jī)的核心控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，同時(shí)，在下位機(jī)也采用了觸摸屏，提供手動(dòng)控制。上位機(jī)則使用PC機(jī)通過(guò)無(wú)線RS232串口與下位機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人的遠(yuǎn)程監(jiān)控。在控制中還建立了視覺(jué)處理系統(tǒng)，利用機(jī)器視覺(jué)判別樹木和輪廓提取，攻克了智能識(shí)別樹木以及自動(dòng)避障等技術(shù)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)合激光傳感器、超聲波傳感器以及視覺(jué)處理等功能，使得機(jī)器人具有自動(dòng)行走、定位、檢測(cè)并識(shí)別樹木以及避障等人工智能，實(shí)現(xiàn)涂白機(jī)工作全過(guò)程的智能化。
目前，該機(jī)器人已基本實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，可沿著人行道進(jìn)行自動(dòng)行走，尋找并識(shí)別樹木，當(dāng)檢測(cè)到樹木時(shí)則進(jìn)行全方位的噴涂工作（如圖3）。
圖3 實(shí)際噴涂過(guò)程
本項(xiàng)目于2008年11月成功申報(bào)為國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，項(xiàng)目在2009年參加上海市首屆大學(xué)生創(chuàng)新論壇與第二屆全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新論壇，均被評(píng)為十佳項(xiàng)目。項(xiàng)目成功入選2010年全國(guó)教育成果展與第十屆科技活動(dòng)周開幕式展出。
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