一种基于人机交互的树干智能涂白装置结构设计

付　秀，辛　颖，谷周澎

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)



一种基于人机交互的树干智能涂白装置结构设计

付秀，辛颖*，谷周澎

(东北林业大学 工程技术学院，哈尔滨 150040)

树干涂白具有防寒、杀虫等作用，近年来，已经越来越普遍地应用到树木的管理养护中。传统的树木涂白工具主要依靠人力进行工作，为解决其工作效率低、劳动强度大并且人工费不断提高的问题，设计一种基于人机交互的树干智能涂白装置。装置由太阳能供电，推动把手通过万向轮驱动，利用滚珠丝杠带动机械手上下移动涂白，机械手方向控制转盘与滚珠丝杠和旋转轴相互配合，有利于倾斜弯曲树木的涂白。装置主要由控制与供能部分、涂白剂装盛部分以及机械手三大部分组成，具有结构简单、操作方便、清洁环保、稳定可靠等诸多优点。

树干涂白装置；人机交互；太阳能供电；工作原理

0　引　言

树干涂白是根据防治目的和树种的不同，选用不同的配方制成涂白剂涂抹在树干基部的一种绿色环保防治方法[1]。树干涂白能够防止病菌侵入[2]、防虫、杀虫、防寒以及美化环境等作用[3]。目前背负式电动喷雾器是应用的比较广泛的涂白工具[4]，包括喷雾器架和药桶，药桶内设有抽吸器和开关，药桶还外接有出水管。但此种装置喷涂效率较低，在喷涂胸径较小的树木时，从喷口喷出的涂白剂很大一部分喷到了空气中，造成了浪费。由杨泽春发明的“智能树干涂白的装置”该装置的特色在于内有搅拌器的涂白罐设置在机动车上，涂白罐的液体输出管同喷涂器相连，液体输出管上设置有泵体[5]。需要人力手持机械喷涂部分进行移动，无法合理地控制涂白的速度，易受外界环境和人为因素的影响，易造成涂白剂的浪费。另外有一些稍先进一些的涂白机器，仍处于理论阶段，整机体积大，生产成本高，适应性不强。根据以上存在的问题，并针对树木规格不同、部分树干倾斜弯曲的现象，本文提出一种基于人机交互的树干智能涂白装置，利用触摸屏PLC一体机实现对装置的操作，机械手方向控制转盘与滚珠丝杠和旋转轴相互配合，有利于倾斜弯曲树木的涂白，并且利用触摸屏结合GPS为行道树建立档案，具有结构紧凑、操作方便，并具有清洁环保、稳定可靠等优点。

1　装置结构方案

1.1整体结构

装置主要由控制与供能部分、涂白剂装盛部分以及机械手3大部分组成。

图1为装置的机构示意图。由4个安装在底座下的万向轮驱动，操作者通过装置上部的把手推动装置运动，底座上方的装置主体外壳具有支承保护作用，装置上部的人机交互触摸屏[6]、GPS接收器和太阳能控制器等是装置的控制部分，触摸屏下方是工具箱，用于存放各类辅助工具。机械手开合控制推杆和机械手方向控制转盘安装在装置上部，机械手方向控制转盘与蜗轮蜗杆、旋转轴相连接，贯穿装置内部。装置外壳顶端安装太阳能电池板，外壳内为涂白剂装盛部分，涂白剂装料桶内部有浮球液位计，小型气泵设置在涂白剂装料桶的下端。转板安装在装置主体的前端，通过一根短轴插入底座的凹槽中。机械手部分放置在转板上，滚珠丝杠、联轴器和步进电机依次设置在丝杠导轨的内部。机械手安装在滚珠丝杠的螺母上。

图1　一种基于人机交互的树干智能涂白装置示意图Fig.1 The sketch map of a kind of man-machine interactive -based intelligent trunk whitewashing device

1.2控制与供能部分

控制与供能部分主要有触摸屏PLC一体机、GPS接收器以及太阳能电池板、太阳能控制器、蓄电池构成的太阳能光伏发电系统[7]等组成。

针对行道树胸径的差异性，为了达到简化机械结构、节约涂白剂、便于操作的目的，在触摸屏上设定手动和自动操作方式。自动方式分为4种模式，预先设置好对应的机械手移动速度、出料口压力等参数，使得不同径级范围的树木都能够均匀、合理地包裹上涂白剂。手动方式则可以根据需要随时进行调速、停止供料等操作。模式及参数见表1，触摸屏界面如图2所示。同时，人机界面[8]显示涂白剂装料筒中浮球液位计检测的液面高度、蓄电池电量；GPS接收器将定位到的树木坐标显示在触摸屏上[9]，用于建立行道树档案，并可手动添加树木种类、胸径等信息。各部分关系如图3所示。

表1　触摸屏PLC一体机针对不同胸径行道树设置的四种模式及其参数

图2　触摸屏界面Fig.2 Touch-screen interface

图3　控制与供能部分各部件关系Fig.3 Relationship between components of control and energy supply section

装置采用铅酸免维护蓄电池[10]为各部分供电，由于树干涂白大多在春季的晴朗天气下进行，因此可在夜晚不工作时对蓄电池进行充电。另外，太阳能具有取之不尽，用之不竭、运行成本低、无污染和环境友好等诸多优点[11]，考虑到光电转换效率[12]、使用寿命和性价比等因素，装置采用三块单晶硅太阳能电池[13-14]覆盖在装置外壳的最上部，在晴天为蓄电池充电，起到辅助作用，可以延长蓄电池的使用时间、节约能源。

1.3涂白剂装盛部分

涂白剂装盛部分主要由辅助喷管、涂白剂装料口、小型气泵、进气管、涂白剂装料桶、浮球液位计和涂白剂装料桶支撑板等组成。

涂白剂装料桶放置在装置主体内部，下方由支撑板支承。内部安装有SY-UQZ型磁浮球液位计，用于检测装料桶内涂白剂液面的高度。采取顶置安装的方式，通过法兰安装于涂白剂装料桶顶上，当磁浮球随液位变化、沿导管而上下浮动时，由于磁性作用，浮球液位计的干簧受磁性吸合[15]，把液面位置变化成电流信号输出到触摸屏上，同时触摸屏上设定液面上、下限报警。

涂白剂装料桶的下方安装有抽气排气两用的小型气泵，其无刷电机在触摸屏PLC一体机的控制下，可以通过调速对装料桶内部的压力进行调节，同时采用下方通气的方式可以在一定程度上避免涂白剂沉淀。

橡胶辅助喷管从装料桶底部右下部伸出，由流量调节阀手动控制开闭和出料量的多少，在不使用时可以挂在装置侧面的挂钩上。机械手出料软管从装料桶正前方底部的常闭电磁阀伸出，再由一个三通硅胶管连接两根橡胶管，将内部的涂白剂送入机械手中。

1.4机械手部分

机械手主要有机械手开合控制推杆、推杆连接杆、推杆卡槽、机械手方向控制转盘、蜗轮蜗杆、旋转轴、丝杠导轨、滚珠丝杠、联轴器、步进电机、机械手、出料软管和机械手出料口组成。

由于地形、风、光照以及人为因素的影响，部分行道树会出现倾斜倒伏的现象，并且其倾斜程度各有不同，针对该问题，本装置采用手动蜗轮蜗杆改变滚珠丝杠的倾斜角度，使其在涂白过程中与树干保持平行。并充分利用蜗轮蜗杆传动可自锁[16]的优点，避免因机械手的移动使蜗轮转动，从而造成滚珠丝杠偏转角度改变的问题。

装置采用ZA型普通圆柱蜗杆[17]，参数见表2。顺时针或逆时针转动机械手方向转盘一圈，蜗杆带动蜗轮转动，从而使与蜗轮连接的旋转轴转动，旋转轴端部的可拆分式套环套住滚珠丝杠的下端，套环带动滚珠丝杠顺时针或逆时针转动11.61°，可根据树木倾斜的实际情况转动多圈并进行微调。

表2　蜗轮蜗杆参数

滚珠丝杠传动具有传动效率高、传动平稳、同步性好、磨损小、寿命长等诸多优点[18]，本装置选用公称直径d0为25 mm、导程为10 mm、有效行程为800 mm的滚珠丝杠副，用丝杠导轨进行导向。由步进电机带动滚珠丝杠旋转，用于机械手的上下移动。

机械手为五杆机构，左右两根半圆形不锈钢管闭合时整体直径为60 cm，前端封闭，后端分别连接两根出料软管，其圆周上部均匀分布8个单喷雾化喷嘴。

机械手开合控制推杆、推杆连接杆与推杆卡槽配合使用。机械手通过丝杠上升至最大高度时，推杆连接杆插入进机械手开合控制推杆端部的套槽内，此时前后推动机械手开合控制推杆即可手动控制机械手的张合，当不推动机械手开合控制推杆或者机械手没有处于最大高度时，机械手在复位弹簧的作用下处于闭合状态，保证机械手在上下移动时始终闭合，推杆卡槽的槽位可以使机械手保持打开状态。

2　工作原理及工作过程

装置上表面的太阳能电池板在阳光下吸收光能，转换为电能储存在蓄电池中[19]。将涂白剂通过涂白剂装料口装入涂白剂装料桶中，通过触摸屏PLC一体机控制小型气泵通过进气管向涂白剂装料桶泵气，使其内部气压升高并使涂白剂充分混合。

起初机械手在滚珠丝杠最上端，推杆连接杆套入机械手开合控制推杆套槽，转动机械手方向控制转盘使滚珠丝杠的螺杆与待涂白树木保持平行。向前推动机械手开合控制推杆并卡入推杆卡槽使机械手张开并保持张开状态不动，推动把手使树干处于机械手的正中间，向后推动机械手开合控制推杆使机械手闭合。通过触摸屏PLC一体机控制步进电机启动从而带动滚珠丝杠旋转，此时打开电磁阀，机械手向树干喷涂白剂，并且滚珠丝杠的旋转带动机械手向下移动，直至机械手移动到最下端接触行程开关，此时机械手出料口停止向树干喷涂白剂；即刻步进电机反转，使滚珠丝杠也随之反转，带动机械手向上移动至滚珠丝杠最上端，步进电机停止工作。再通过向后移动机械手开合控制推杆使机械手张开，将装置推离树干，闭合机械手完成该树干的涂白工作。

如遇到特殊树木，如有深沟，凹陷等缺陷，难以全部涂白，可以使用辅助喷管进行涂白。装置的工作流程如图4所示。

图4　智能涂白装置工作流程Fig.4 Working process of intelligent trunk whitewashing device

3　结　论

本文对一种基于人机交互的树干智能涂白装置的控制与供能部分、涂白剂装盛部分以及机械手三大部分的结构以及工作原理进行了分析，装置中机械手方向控制转盘结合蜗轮蜗杆能够改变滚珠丝杠的倾斜角度，有效地解决了倾斜树干的涂白。装置充分利用太阳能清洁能源，操作简便、结构紧凑，可以大大提升树干涂白的质量和效率。

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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

东北林业大学国家级大学生创新项目(201510225031)

付秀，本科生。研究方向：森林工程。

辛颖，博士，副教授。研究方向：森林工程。

E-mail:xyne2003@163.com

付秀，辛颖，谷周澎.一种基于人机交互的树干智能涂白装置结构设计[J].森林工程，2016，32(5)：55-58.

S 436.8

A

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