自行式綠籬修剪機(jī),旨在提供一種完全機(jī)械化修剪高速公路綠籬的設(shè)備,所采取的技術(shù)方案是:在基礎(chǔ)車上設(shè)有:水平剪,豎直剪,液壓油箱,液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu)和操作室,豎直剪有豎直剪升降套,豎直剪升降梁,豎直剪水平伸縮套,豎直剪水平伸縮梁,并在其上設(shè)有豎直剪水平伸縮油缸,水平剪設(shè)有:水平剪升降套,水平剪升降梁兩者之間設(shè)有水平剪升降油缸,豎直剪及水平剪上均設(shè)有刀片,在水平剪升降套上設(shè)有回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu),水平剪和豎直剪均安裝在基礎(chǔ)車上,并與液壓動(dòng)力機(jī)構(gòu),液壓油箱,操作室相聯(lián).它主要適用于高速公路綠籬枝條的整形修飾.

針對(duì)綠籬修剪機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)開發(fā)了一種小型自走式綠籬修剪機(jī),包括動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)和行走裝置設(shè)計(jì)、修剪裝置設(shè)計(jì),并且利用三維建模軟件建立了移動(dòng)式綠籬修剪機(jī)的三維模型.所設(shè)計(jì)的移動(dòng)式綠籬修剪機(jī)在所查閱的文獻(xiàn)中尚未發(fā)現(xiàn)有相同機(jī)型的報(bào)道,屬原創(chuàng)型產(chǎn)品.相比現(xiàn)在小型綠籬修剪機(jī)以手持式為主的狀況,該綠籬修剪機(jī)能夠有效降低綠籬修剪的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高修剪質(zhì)量,有比較廣闊的市場(chǎng)前景.

連桿式可調(diào)綠籬修剪機(jī),包括機(jī)架和修剪刀頭,所述移動(dòng)底盤車,旋轉(zhuǎn)電機(jī),轉(zhuǎn)動(dòng)平板以及連桿結(jié)構(gòu),所述機(jī)架設(shè)在移動(dòng)底盤車上,所述轉(zhuǎn)動(dòng)平板通過轉(zhuǎn)軸可轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)在機(jī)架上,旋轉(zhuǎn)電機(jī)可驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)在機(jī)架上,所述連桿結(jié)構(gòu)懸空設(shè)在轉(zhuǎn)動(dòng)平板下部,修剪刀頭設(shè)在連桿結(jié)構(gòu)上.該連桿式可調(diào)綠籬修剪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,通過上下兩個(gè)電機(jī)即可完成距離的設(shè)定和所需要綠籬修剪半徑調(diào)整,調(diào)節(jié)簡(jiǎn)便,便于曲面造型綠籬修剪,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了修剪效率,保障了工人的安全性.

純液壓車載式綠籬修剪機(jī),包括汽車底盤,所述汽車底盤頂面的位置處設(shè)置有修剪機(jī)底盤,所述修剪機(jī)底盤頂面的中間位置處設(shè)置有回轉(zhuǎn)支架,所述回轉(zhuǎn)支架頂面靠近右側(cè)的位置處設(shè)置有液壓油箱,所述液壓油箱頂部的位置處設(shè)置有電控箱,所述回轉(zhuǎn)支架頂部的位置處設(shè)置有舉升臂,所述舉升臂內(nèi)側(cè)的位置處設(shè)置有伸縮桿,所述伸縮桿底部的位置處連接有調(diào)節(jié)刀架,所述調(diào)節(jié)刀架底部靠近左側(cè)的位置處設(shè)置有主刀盤;該新型綠籬修剪機(jī)采用純液壓驅(qū)動(dòng),液壓系統(tǒng)的液壓泵直接安裝在車輛底盤的取力器上,液壓泵為這個(gè)液壓系統(tǒng)提供動(dòng)力,驅(qū)動(dòng)刀片轉(zhuǎn)動(dòng)和刀盤姿態(tài)調(diào)整.這種傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,傳動(dòng),同時(shí)該裝置大幅降低了制造成本.

高速公路不僅是交通運(yùn)輸業(yè)的一部分,也是""發(fā)展戰(zhàn)略的核心.如今,我國(guó)的高速公路總里程已達(dá)13.1萬公里,全球,用于綠化環(huán)境,防止眩光,保障安全的綠籬隔離帶在高速公路中處處可見.為了達(dá)到良好的綠化指標(biāo),需要對(duì)其進(jìn)行定期的養(yǎng)護(hù)修剪.傳統(tǒng)的高速公路綠籬修剪設(shè)備存在智能化程度低,修剪穩(wěn)定性弱,功能多樣性差等問題,針對(duì)上述問題設(shè)計(jì)一款新型的高速公路綠籬修剪機(jī)器人,對(duì)修剪機(jī)械臂進(jìn)行正/逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析,操作空間求解,剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)建模以及避障路徑規(guī)劃等研究.本課題源于國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào):51375519).本文主要研究?jī)?nèi)容如下:
(1)根據(jù)綠籬隔離帶的綠化指標(biāo)和修剪機(jī)器人的技術(shù)要求,規(guī)劃與建立高速公路綠籬修剪機(jī)器人的總體布局,從修剪對(duì)象,養(yǎng)護(hù)功能以及實(shí)際情況等考慮,設(shè)計(jì)高速公路綠籬修剪機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu),分析驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作方式和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求,完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),構(gòu)建并研制實(shí)驗(yàn)樣機(jī).
(2)以設(shè)計(jì)的修剪機(jī)械臂為研究對(duì)象,通過D-H法創(chuàng)建其連桿簡(jiǎn)化模型,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正解,求得修剪機(jī)械臂的末端刀具位姿方程,采用反變換法進(jìn)行修剪機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解耦,推導(dǎo)各關(guān)節(jié)角運(yùn)動(dòng)表達(dá)式,基于Monte Carlo法求解修剪機(jī)械臂操作空間,通過MATLAB進(jìn)行操作空間的數(shù)值仿真,驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性和修剪機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的合理性,為后續(xù)動(dòng)力學(xué)和避障規(guī)劃研究作鋪墊.
(3)基于多體柔性動(dòng)力學(xué)理論,通過浮動(dòng)系法建立柔性修剪機(jī)械臂系統(tǒng)坐標(biāo)系,根據(jù)假設(shè)模態(tài)法描述臂桿彈性變形量,采用Lagrange法及虛功原理推導(dǎo)修剪機(jī)械臂剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程,在ADAMS仿真軟件中進(jìn)行修剪機(jī)械臂剛性和柔性的動(dòng)力學(xué)對(duì)比仿真,研究柔性因素對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的影響,進(jìn)一步驗(yàn)證建立剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型的必要性,為以后控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究提供理論依據(jù).
(4)針對(duì)非結(jié)構(gòu)環(huán)境下高速公路綠籬修剪機(jī)器人手臂實(shí)時(shí)準(zhǔn)確避障問題,提出一種基于擾動(dòng)人工勢(shì)場(chǎng)法(PAPF)的避障路徑規(guī)劃解決方法.根據(jù)綠籬隔離帶與障礙物分布情況,構(gòu)建包絡(luò)障礙物簡(jiǎn)化模型,分析機(jī)械臂與障礙物的碰撞條件,求解機(jī)械臂在修剪過程中的避碰空間.引入斥力場(chǎng)調(diào)節(jié)策略優(yōu)化勢(shì)場(chǎng)模型,建立斥力場(chǎng)擾動(dòng)機(jī)制調(diào)整斥力影響方式,消除傳統(tǒng)算法中局部極小點(diǎn)和目標(biāo)不可達(dá)等現(xiàn)象.在避碰空間應(yīng)用PAPF算法進(jìn)行路徑規(guī)劃仿真,仿真結(jié)果表明,機(jī)械臂跳出局部極小點(diǎn),靈活順利避障,成功抵達(dá)目標(biāo)點(diǎn),驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性.

針對(duì)車載綠籬修剪機(jī)難以在公園道路自動(dòng)行走的問題,在視覺系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,提出一種初始點(diǎn)Hough變換算法,可用于指導(dǎo)小型車輛在公園道路的自動(dòng)化導(dǎo)航,從而實(shí)現(xiàn)公園綠籬修剪的機(jī)械化和智能化.算法主要包括五部分:目標(biāo)區(qū)域的截取,HSI彩色空間的轉(zhuǎn)換,S分量圖的二值化及形態(tài)學(xué)處理,導(dǎo)航點(diǎn)的求取與導(dǎo)航線的擬合.為了減少圖像的計(jì)算量和干擾,只截取拍攝圖像的部分區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域;為了減少光照不均勻的影響,將RGB圖像轉(zhuǎn)換為HSI圖像,并提取S分量圖作為研究對(duì)象;采用Otsu法二值化S分量圖,并采用形態(tài)學(xué)處理填充二值圖像的孔洞;針對(duì)傳統(tǒng)的Hough變換計(jì)算量大的缺點(diǎn),提出一種初始點(diǎn)Hough變換擬合導(dǎo)航路徑.試驗(yàn)結(jié)果表明,該文提出的初始點(diǎn)Hough變換具有較高的性,實(shí)時(shí)性的優(yōu)點(diǎn).