付　秀，辛　穎，谷周澎

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

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一種基于人機(jī)交互的樹干智能涂白裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

付秀，辛穎*，谷周澎

(東北林業(yè)大學(xué) 工程技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150040)

樹干涂白具有防寒、殺蟲等作用，近年來，已經(jīng)越來越普遍地應(yīng)用到樹木的管理養(yǎng)護(hù)中。傳統(tǒng)的樹木涂白工具主要依靠人力進(jìn)行工作，為解決其工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大并且人工費(fèi)不斷提高的問題，設(shè)計(jì)一種基于人機(jī)交互的樹干智能涂白裝置。裝置由太陽能供電，推動(dòng)把手通過萬向輪驅(qū)動(dòng)，利用滾珠絲杠帶動(dòng)機(jī)械手上下移動(dòng)涂白，機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤與滾珠絲杠和旋轉(zhuǎn)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(jī)械手三大部分組成，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。

樹干涂白裝置；人機(jī)交互；太陽能供電；工作原理

0　引　言

樹干涂白是根據(jù)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(huán)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(huán)境等作用[3]。目前背負(fù)式電動(dòng)噴霧器是應(yīng)用的比較廣泛的涂白工具[4]，包括噴霧器架和藥桶，藥桶內(nèi)設(shè)有抽吸器和開關(guān)，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(shí)，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(fèi)。由楊澤春發(fā)明的“智能樹干涂白的裝置”該裝置的特色在于內(nèi)有攪拌器的涂白罐設(shè)置在機(jī)動(dòng)車上，涂白罐的液體輸出管同噴涂器相連，液體輸出管上設(shè)置有泵體[5]。需要人力手持機(jī)械噴涂部分進(jìn)行移動(dòng)，無法合理地控制涂白的速度，易受外界環(huán)境和人為因素的影響，易造成涂白劑的浪費(fèi)。另外有一些稍先進(jìn)一些的涂白機(jī)器，仍處于理論階段，整機(jī)體積大，生產(chǎn)成本高，適應(yīng)性不強(qiáng)。根據(jù)以上存在的問題，并針對樹木規(guī)格不同、部分樹干傾斜彎曲的現(xiàn)象，本文提出一種基于人機(jī)交互的樹干智能涂白裝置，利用觸摸屏PLC一體機(jī)實(shí)現(xiàn)對裝置的操作，機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤與滾珠絲杠和旋轉(zhuǎn)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(jié)合GPS為行道樹建立檔案，具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作方便，并具有清潔環(huán)保、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。

1　裝置結(jié)構(gòu)方案

1.1整體結(jié)構(gòu)

裝置主要由控制與供能部分、涂白劑裝盛部分以及機(jī)械手3大部分組成。

圖1為裝置的機(jī)構(gòu)示意圖。由4個(gè)安裝在底座下的萬向輪驅(qū)動(dòng)，操作者通過裝置上部的把手推動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)，底座上方的裝置主體外殼具有支承保護(hù)作用，裝置上部的人機(jī)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(jī)械手開合控制推桿和機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤安裝在裝置上部，機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤與蝸輪蝸桿、旋轉(zhuǎn)軸相連接，貫穿裝置內(nèi)部。裝置外殼頂端安裝太陽能電池板，外殼內(nèi)為涂白劑裝盛部分，涂白劑裝料桶內(nèi)部有浮球液位計(jì)，小型氣泵設(shè)置在涂白劑裝料桶的下端。轉(zhuǎn)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(jī)械手部分放置在轉(zhuǎn)板上，滾珠絲杠、聯(lián)軸器和步進(jìn)電機(jī)依次設(shè)置在絲杠導(dǎo)軌的內(nèi)部。機(jī)械手安裝在滾珠絲杠的螺母上。

圖1　一種基于人機(jī)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(jī)、GPS接收器以及太陽能電池板、太陽能控制器、蓄電池構(gòu)成的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)[7]等組成。

針對行道樹胸徑的差異性，為了達(dá)到簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、節(jié)約涂白劑、便于操作的目的，在觸摸屏上設(shè)定手動(dòng)和自動(dòng)操作方式。自動(dòng)方式分為4種模式，預(yù)先設(shè)置好對應(yīng)的機(jī)械手移動(dòng)速度、出料口壓力等參數(shù)，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(dòng)方式則可以根據(jù)需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)速、停止供料等操作。模式及參數(shù)見表1，觸摸屏界面如圖2所示。同時(shí)，人機(jī)界面[8]顯示涂白劑裝料筒中浮球液位計(jì)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(biāo)顯示在觸摸屏上[9]，用于建立行道樹檔案，并可手動(dòng)添加樹木種類、胸徑等信息。各部分關(guān)系如圖3所示。

表1　觸摸屏PLC一體機(jī)針對不同胸徑行道樹設(shè)置的四種模式及其參數(shù)

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(guān)系Fig.3 Relationship between components of control and energy supply section

裝置采用鉛酸免維護(hù)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(jìn)行，因此可在夜晚不工作時(shí)對蓄電池進(jìn)行充電。另外，太陽能具有取之不盡，用之不竭、運(yùn)行成本低、無污染和環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)[11]，考慮到光電轉(zhuǎn)換效率[12]、使用壽命和性價(jià)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(shí)間、節(jié)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(jìn)氣管、涂白劑裝料桶、浮球液位計(jì)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(nèi)部，下方由支撐板支承。內(nèi)部安裝有SY-UQZ型磁浮球液位計(jì)，用于檢測裝料桶內(nèi)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(dāng)磁浮球隨液位變化、沿導(dǎo)管而上下浮動(dòng)時(shí)，由于磁性作用，浮球液位計(jì)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(shí)觸摸屏上設(shè)定液面上、下限報(bào)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(jī)在觸摸屏PLC一體機(jī)的控制下，可以通過調(diào)速對裝料桶內(nèi)部的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)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(diào)節(jié)閥手動(dòng)控制開閉和出料量的多少，在不使用時(shí)可以掛在裝置側(cè)面的掛鉤上。機(jī)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(gè)三通硅膠管連接兩根橡膠管，將內(nèi)部的涂白劑送入機(jī)械手中。

1.4機(jī)械手部分

機(jī)械手主要有機(jī)械手開合控制推桿、推桿連接桿、推桿卡槽、機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤、蝸輪蝸桿、旋轉(zhuǎn)軸、絲杠導(dǎo)軌、滾珠絲杠、聯(lián)軸器、步進(jìn)電機(jī)、機(jī)械手、出料軟管和機(jī)械手出料口組成。

由于地形、風(fēng)、光照以及人為因素的影響，部分行道樹會出現(xiàn)傾斜倒伏的現(xiàn)象，并且其傾斜程度各有不同，針對該問題，本裝置采用手動(dòng)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(dòng)可自鎖[16]的優(yōu)點(diǎn)，避免因機(jī)械手的移動(dòng)使蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而造成滾珠絲杠偏轉(zhuǎn)角度改變的問題。

裝置采用ZA型普通圓柱蝸桿[17]，參數(shù)見表2。順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手方向轉(zhuǎn)盤一圈，蝸桿帶動(dòng)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使與蝸輪連接的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)軸端部的可拆分式套環(huán)套住滾珠絲杠的下端，套環(huán)帶動(dòng)滾珠絲杠順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)11.61°，可根據(jù)樹木傾斜的實(shí)際情況轉(zhuǎn)動(dòng)多圈并進(jìn)行微調(diào)。

表2　蝸輪蝸桿參數(shù)

滾珠絲杠傳動(dòng)具有傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)平穩(wěn)、同步性好、磨損小、壽命長等諸多優(yōu)點(diǎn)[18]，本裝置選用公稱直徑d0為25 mm、導(dǎo)程為10 mm、有效行程為800 mm的滾珠絲杠副，用絲杠導(dǎo)軌進(jìn)行導(dǎo)向。由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，用于機(jī)械手的上下移動(dòng)。

機(jī)械手為五桿機(jī)構(gòu)，左右兩根半圓形不銹鋼管閉合時(shí)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(gè)單噴霧化噴嘴。

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

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(zhuǎn)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(jī)控制小型氣泵通過進(jìn)氣管向涂白劑裝料桶泵氣，使其內(nèi)部氣壓升高并使涂白劑充分混合。

起初機(jī)械手在滾珠絲杠最上端，推桿連接桿套入機(jī)械手開合控制推桿套槽，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤使?jié)L珠絲杠的螺桿與待涂白樹木保持平行。向前推動(dòng)機(jī)械手開合控制推桿并卡入推桿卡槽使機(jī)械手張開并保持張開狀態(tài)不動(dòng)，推動(dòng)把手使樹干處于機(jī)械手的正中間，向后推動(dòng)機(jī)械手開合控制推桿使機(jī)械手閉合。通過觸摸屏PLC一體機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)從而帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，此時(shí)打開電磁閥，機(jī)械手向樹干噴涂白劑，并且滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)機(jī)械手向下移動(dòng)，直至機(jī)械手移動(dòng)到最下端接觸行程開關(guān)，此時(shí)機(jī)械手出料口停止向樹干噴涂白劑；即刻步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，使?jié)L珠絲杠也隨之反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)械手向上移動(dòng)至滾珠絲杠最上端，步進(jìn)電機(jī)停止工作。再通過向后移動(dòng)機(jī)械手開合控制推桿使機(jī)械手張開，將裝置推離樹干，閉合機(jī)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(jìn)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(jié)　論

本文對一種基于人機(jī)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(jī)械手三大部分的結(jié)構(gòu)以及工作原理進(jìn)行了分析，裝置中機(jī)械手方向控制轉(zhuǎn)盤結(jié)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(jié)構(gòu)緊湊，可以大大提升樹干涂白的質(zhì)量和效率。

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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(yè)大學(xué)國家級大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)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(jī)交互的樹干智能涂白裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].森林工程，2016，32(5)：55-58.

S 436.8

A

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