摘 要：綠化樹木精剪車是一種專門用于園林綠化領(lǐng)域的機械設(shè)備。深入探討了綠化樹木精剪車的設(shè)計、功能及其在現(xiàn)代城市綠化維護中的應(yīng)用。首先探討了關(guān)于國內(nèi)外伐木設(shè)備的工作方式和結(jié)構(gòu)設(shè)計，表明了它在城市綠化工作中的重要性；其次詳細介紹了綠化樹木精剪車的主要組成部分，包括機械結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等；再次探討了綠化樹木精剪車的性能特點和solidworks里的有限元分析；最后展望了綠化樹木精剪車的未來發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：綠化樹木；精剪車；城市綠化；機械結(jié)構(gòu)設(shè)計；精準修剪

隨著我國綠植樹木越來越多，有的樹木出現(xiàn)了樹干懸垂、樹枝壓電線的現(xiàn)象。樹木的形狀會直接影響城市的綠化效果和生態(tài)環(huán)境。早期主要通過人工作業(yè)或使用不帶收集功能的機器進行修剪，人工修剪過程中存在安全隱患，有些機械設(shè)備沒有收集樹枝樹葉的功能。因此，綠化樹木精剪車對樹枝的修剪及收集起到了關(guān)鍵的作用。

綠化樹木精剪車主要包括車輛結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)、性能特點和實時定位技術(shù)等。通過綜合運用現(xiàn)代機械設(shè)計、電子技術(shù)、自動控制技術(shù)和計算機仿真等手段，旨在實現(xiàn)精剪車的智能化、高效化和環(huán)保化設(shè)計。

1 國內(nèi)外修剪樹木設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

在國外園林綠化領(lǐng)域中，修剪樹木樹枝的設(shè)備和技術(shù)發(fā)展比國內(nèi)先進。手持式、背負式、車載式、自動式多種類型的修剪設(shè)備層出不窮，其中一些設(shè)備已經(jīng)具備遙控操作、自動識別、智能導航等功能。此外，隨著環(huán)保理念的普及，國外修剪設(shè)備也越來越注重環(huán)保和節(jié)能。但其結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，在不同地區(qū)，不同種類的樹木修剪各有差異，一些設(shè)備在特定環(huán)境下效果不佳。而且由于其結(jié)構(gòu)復雜，維修困難，而且對駕駛員的操作要求條件比較高，因此，存在許多問題。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)修剪設(shè)備種類繁多，有手動、電動等多種類型。手動修剪設(shè)備如剪刀、鋸等，常用于面積小、強度低的修剪；電動修剪設(shè)備則用于大面積、高強度的修剪，提高了修剪效率。隨著科技的不斷進步，國內(nèi)修剪設(shè)備在技術(shù)創(chuàng)新方面也取得了顯著成果。例如，一些新型修剪設(shè)備采用了激光掃描技術(shù)、計算機視覺技術(shù)，實現(xiàn)了自動化、智能化修剪，更好地提高了修剪的精確度和效率。然而，國內(nèi)的修剪設(shè)備仍然存在一些不足之處。例如，一些高端、智能化的修剪設(shè)備還需要依賴進口，國內(nèi)自主研發(fā)的核心技術(shù)較少；同時，國內(nèi)市場上部分修剪設(shè)備存在質(zhì)量、性能不穩(wěn)定等問題，影響了用戶的使用體驗和市場口碑[1-2]。

2 結(jié)構(gòu)組成與工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計（圖1）

2.1.1 底盤設(shè)計 保證車輛穩(wěn)定、靈活，能夠適應(yīng)不同地形和作業(yè)環(huán)境。底盤采用高強度材料，整車質(zhì)量較輕，承載能力和穩(wěn)定性較高。

2.1.2 剪刀臂設(shè)計 剪刀臂是綠化樹木精剪車的工作部分，也是其核心，負責樹木的修剪工作。在設(shè)計過程中需考慮剪刀臂的長度、角度和剪切力等因素，以確保修剪的精確性和效率。通過三維建模軟件如SolidWork進行建模和優(yōu)化，確保剪刀臂的結(jié)構(gòu)合理性和強度要求。

2.1.3 收集箱和粉碎機設(shè)計 大容量收集箱，用于收集修剪下來的枝葉；同時配置粉碎機，將枝葉粉碎成小塊，便于后續(xù)處理，既節(jié)省時間，又能減輕勞動強度。

2.1.4 人機交互界面設(shè)計 裝設(shè)簡單易用的觸摸屏界面，可迅速設(shè)定工作參數(shù)并進行即時監(jiān)測。

2.1.5 環(huán)視攝像頭設(shè)計 360°環(huán)視攝像機可以全方位無死角地拍攝小車周邊的每一個角落，彌補了常規(guī)監(jiān)控的盲區(qū)，讓駕駛者可以更加全面、清楚地了解車輛周邊的狀況，避免倒車、入庫、狹窄路面行駛時發(fā)生碰撞、刮擦等交通安全問題。也可以提升車輛的智能化程度。

2.1.6 機械抓手設(shè)計 該機采用機械式抓具和電腦系統(tǒng)相結(jié)合，達到了自動作業(yè)的目的。在此基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)的工作效率、精度得到了進一步的提高，同時也減少了勞動力的消耗。

2.2 控制系統(tǒng)（圖2）

2.2.1 智能化控制系統(tǒng) 利用現(xiàn)代計算機視覺與人工智能等先進技術(shù)，能實現(xiàn)對樹木的自動識別與修剪。利用智能傳感技術(shù)，可以準確地控制剪枝過程。

2.2.2 導航系統(tǒng) 配備高精度導航系統(tǒng)和實時定位系統(tǒng)，保證綠化樹木精剪車在作業(yè)過程中能夠準確到達指定位置。

3 傳感器技術(shù)

利用多種傳感器實時監(jiān)測車輛狀態(tài)、修剪高度等信息，為控制系統(tǒng)提供準確的數(shù)據(jù)支持。

3.1 動力性能

3.1.1 動力總成選擇 動力系統(tǒng)由電動機驅(qū)動車輪旋轉(zhuǎn)，太陽能板可給電動機補充電能，可以保證綠化樹木精剪車有充足的電力。

3.1.2 電池組優(yōu)化 配置大容量電池組和太陽能板，增加行駛里程，保證工作時間。

3.2 工作原理

3.2.1 車輛定位與導航 車輛定位導航系統(tǒng)，綠化樹木精剪車可以準確地到達指定的修剪區(qū)域。導航系統(tǒng)可以與地理信息系統(tǒng)（GIS）結(jié)合，實現(xiàn)對修剪區(qū)域的精確識別和定位（圖3）。

3.2.2 智能化識別與調(diào)度管理 利用計算機視覺技術(shù)，實現(xiàn)了對樹木種類、生長狀況和待修部位的自動識別。通過智能調(diào)度和管理，車輛能夠?qū)嵤┘糁Φ母叨?、角度和幅度強度等最?yōu)修剪策略[3]。

3.2.3 液壓剪刀臂的工作 液壓剪刀臂是精剪小車的核心部分，在工作過程中起著修剪作用。由液壓泵驅(qū)動，剪刀臂能快速精確地將枝條剪斷。

3.2.4 收集與粉碎 修剪下來的樹枝和葉片會被收集到車輛的收集箱中。同時，配置在車輛上方的粉碎裝置會先將落下來的樹枝粉碎。

3.2.5 實時監(jiān)控與調(diào)整 通過人機交互接口，實現(xiàn)了剪枝全過程的實時監(jiān)測。當修枝效果不佳或失效時，可根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，保證整枝工作的質(zhì)量與效率。

綠化樹木精剪車中剪刀臂的力度大小和搖擺速度控制[4]：

剪刀臂機構(gòu)的控制是整個機構(gòu)的核心。該系統(tǒng)利用先進的電控裝置（ECU）及可編程邏輯控制器（PLC），可以從操作者那里接受輸入的信息，并按照預(yù)先設(shè)定的算法及參數(shù)進行運算。這些命令由電或液壓驅(qū)動裝置傳送到剪式機械抓手上，以準確控制剪式機械抓手的受力。

調(diào)控機制對剪刀臂力的調(diào)控至關(guān)重要。整個系統(tǒng)包括傳感器、執(zhí)行器、控制器等部件。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測剪刀臂各個部分的受力、速度等工作狀態(tài)，并將有關(guān)信息反饋給控制器。在此基礎(chǔ)上，通過與預(yù)設(shè)的控制方案相結(jié)合的方法，得到相應(yīng)的控制信號，然后通過執(zhí)行器來控制剪刀臂的調(diào)節(jié)裝置，來調(diào)整剪刀臂的大小。

4 性能特點及有限元分析

4.1 高效性

該機器能快速準確地進行剪枝，大大提高了剪枝的效率，減少了工時。這種高效，不只是因為修剪的速度快，更在于修剪的質(zhì)量和精度，能讓工作效率大大提高。

4.2 安全性

綠化樹木精剪車采用了很多安全裝置，包括保護系統(tǒng)和緊急剎車裝置，保證了精剪車的安全性。同時，由于其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及精密的控制，使得操作的危險系數(shù)大大降低。

4.3 廣適性

精剪車可適用于任何環(huán)境及天氣狀況，無論冷、熱、雨雪，均可正常使用。而且精剪車的輪胎可以在復雜的地面上運動。

4.4 自動化

精剪車自動化水平很高，綠化樹木精剪車使用了先進的智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)ψ鳂I(yè)過程進行自動化控制，降低了手工工作量，從而提高了工作的準確性和工作效率。不僅降低了強度，而且也提高了工作效率。

4.5 精確性

精剪車具有高精度的zkk5FaUQBDzbtTzCnr3etSr6cm+xfoodvxRbLPIn9Fk=傳感器和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對剪刀臂力度的精確控制。這意味著在修剪過程中，可以準確地調(diào)整力度，避免對樹木造成過度損傷或因修剪不足而傷害樹木（圖4、圖5）。

5 結(jié) 論

5.1 智能化與自動化

利用先進的智能控制系統(tǒng)，使綠化樹木精剪車的作業(yè)完全自動化，減少了人工作業(yè)的依賴性。它的智能、自動特征，不但可以提高工作的效率，也可以降低人工誤差，而且可以改善修剪的精確性。

5.2 適應(yīng)性與靈活性

精剪車可以根據(jù)不同的環(huán)境和天氣情況進行調(diào)整，具有很強的柔性，可以實現(xiàn)多種復雜的操作，這樣的適應(yīng)性和靈活性使得它可以應(yīng)用于不同的區(qū)域，以滿足不同的景觀要求。

5.3 環(huán)保與節(jié)能

該設(shè)備采用低排放、低能耗的能源，降低了對環(huán)境的污染。同時，它的高效率工作模式，還可以減少資源的浪費，從而達到節(jié)約能源的目的。

5.4 未來發(fā)展趨勢

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，對園林綠化的要求越來越高，樹木精剪機在將來將會向智能化、高效化、多樣化方向發(fā)展。重點應(yīng)放在完善精剪車輛的性能與工藝上，以滿足日益發(fā)展的園林綠化行業(yè)需求。

綠化樹木精剪車作為一種高效的園林工具，具有顯著的優(yōu)勢和潛力。其高效、精準、智能化、適應(yīng)性和環(huán)保節(jié)能等特點使得它在園林綠化作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。未來的研究和發(fā)展應(yīng)繼續(xù)探索其潛力，推動園林綠化事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻

[1] 徐文玉. 園林綠化機械設(shè)備的現(xiàn)狀與趨勢研究[J]. 四川水泥，2017 （4）： 141.

[2] 陳若虹，童志成，吳翠雯. 市政綠籬機械化快速修剪技術(shù)分析與應(yīng)用推廣：以西樵鎮(zhèn)道路綠化養(yǎng)護項目為例[J]. 現(xiàn)代園藝，2022，45（16）：180-182.

[3] 李占旗，高繼東，彭凱，等.基于PnP算法的前方車輛測距方法[J]. 國外電子測量技術(shù)，2020，39 （12）：104-108.

[4] 何帥民，陳皓，王振宇. 基于PnP算法的單目視覺位移測量方法[J]. 新技術(shù)新工藝，2023，（6）：46-52.

基金項目：山東工程職業(yè)技術(shù)大學2023年大學生科研項目。

作者簡介：丁吉強（2005年—），男，本科在讀，專業(yè)為新能源汽車工程技術(shù)。