绿化树木精剪车结构设计

摘 要：绿化树木精剪车是一种专门用于园林绿化领域的机械设备。深入探讨了绿化树木精剪车的设计、功能及其在现代城市绿化维护中的应用。首先探讨了关于国内外伐木设备的工作方式和结构设计，表明了它在城市绿化工作中的重要性；其次详细介绍了绿化树木精剪车的主要组成部分，包括机械结构、动力系统和控制系统等；再次探讨了绿化树木精剪车的性能特点和solidworks里的有限元分析；最后展望了绿化树木精剪车的未来发展趋势。

关键词：绿化树木；精剪车；城市绿化；机械结构设计；精准修剪

随着我国绿植树木越来越多，有的树木出现了树干悬垂、树枝压电线的现象。树木的形状会直接影响城市的绿化效果和生态环境。早期主要通过人工作业或使用不带收集功能的机器进行修剪，人工修剪过程中存在安全隐患，有些机械设备没有收集树枝树叶的功能。因此，绿化树木精剪车对树枝的修剪及收集起到了关键的作用。

绿化树木精剪车主要包括车辆结构设计、控制系统、性能特点和实时定位技术等。通过综合运用现代机械设计、电子技术、自动控制技术和计算机仿真等手段，旨在实现精剪车的智能化、高效化和环保化设计。

1 国内外修剪树木设备发展现状

1.1 国外研究现状

在国外园林绿化领域中，修剪树木树枝的设备和技术发展比国内先进。手持式、背负式、车载式、自动式多种类型的修剪设备层出不穷，其中一些设备已经具备遥控操作、自动识别、智能导航等功能。此外，随着环保理念的普及，国外修剪设备也越来越注重环保和节能。但其结构复杂，成本较高，在不同地区，不同种类的树木修剪各有差异，一些设备在特定环境下效果不佳。而且由于其结构复杂，维修困难，而且对驾驶员的操作要求条件比较高，因此，存在许多问题。

1.2 国内研究现状

国内修剪设备种类繁多，有手动、电动等多种类型。手动修剪设备如剪刀、锯等，常用于面积小、强度低的修剪；电动修剪设备则用于大面积、高强度的修剪，提高了修剪效率。随着科技的不断进步，国内修剪设备在技术创新方面也取得了显著成果。例如，一些新型修剪设备采用了激光扫描技术、计算机视觉技术，实现了自动化、智能化修剪，更好地提高了修剪的精确度和效率。然而，国内的修剪设备仍然存在一些不足之处。例如，一些高端、智能化的修剪设备还需要依赖进口，国内自主研发的核心技术较少；同时，国内市场上部分修剪设备存在质量、性能不稳定等问题，影响了用户的使用体验和市场口碑[1-2]。

2 结构组成与工作原理

2.1 结构设计（图1）

2.1.1 底盘设计 保证车辆稳定、灵活，能够适应不同地形和作业环境。底盘采用高强度材料，整车质量较轻，承载能力和稳定性较高。

2.1.2 剪刀臂设计 剪刀臂是绿化树木精剪车的工作部分，也是其核心，负责树木的修剪工作。在设计过程中需考虑剪刀臂的长度、角度和剪切力等因素，以确保修剪的精确性和效率。通过三维建模软件如SolidWork进行建模和优化，确保剪刀臂的结构合理性和强度要求。

2.1.3 收集箱和粉碎机设计 大容量收集箱，用于收集修剪下来的枝叶；同时配置粉碎机，将枝叶粉碎成小块，便于后续处理，既节省时间，又能减轻劳动强度。

2.1.4 人机交互界面设计 装设简单易用的触摸屏界面，可迅速设定工作参数并进行即时监测。

2.1.5 环视摄像头设计 360°环视摄像机可以全方位无死角地拍摄小车周边的每一个角落，弥补了常规监控的盲区，让驾驶者可以更加全面、清楚地了解车辆周边的状况，避免倒车、入库、狭窄路面行驶时发生碰撞、刮擦等交通安全问题。也可以提升车辆的智能化程度。

2.1.6 机械抓手设计 该机采用机械式抓具和电脑系统相结合，达到了自动作业的目的。在此基础上，本系统的工作效率、精度得到了进一步的提高，同时也减少了劳动力的消耗。

2.2 控制系统（图2）

2.2.1 智能化控制系统 利用现代计算机视觉与人工智能等先进技术，能实现对树木的自动识别与修剪。利用智能传感技术，可以准确地控制剪枝过程。

2.2.2 导航系统 配备高精度导航系统和实时定位系统，保证绿化树木精剪车在作业过程中能够准确到达指定位置。

3 传感器技术

利用多种传感器实时监测车辆状态、修剪高度等信息，为控制系统提供准确的数据支持。

3.1 动力性能

3.1.1 动力总成选择 动力系统由电动机驱动车轮旋转，太阳能板可给电动机补充电能，可以保证绿化树木精剪车有充足的电力。

3.1.2 电池组优化 配置大容量电池组和太阳能板，增加行驶里程，保证工作时间。

3.2 工作原理

3.2.1 车辆定位与导航 车辆定位导航系统，绿化树木精剪车可以准确地到达指定的修剪区域。导航系统可以与地理信息系统（GIS）结合，实现对修剪区域的精确识别和定位（图3）。

3.2.2 智能化识别与调度管理 利用计算机视觉技术，实现了对树木种类、生长状况和待修部位的自动识别。通过智能调度和管理，车辆能够实施剪枝的高度、角度和幅度强度等最优修剪策略[3]。

3.2.3 液压剪刀臂的工作 液压剪刀臂是精剪小车的核心部分，在工作过程中起着修剪作用。由液压泵驱动，剪刀臂能快速精确地将枝条剪断。

3.2.4 收集与粉碎 修剪下来的树枝和叶片会被收集到车辆的收集箱中。同时，配置在车辆上方的粉碎装置会先将落下来的树枝粉碎。

3.2.5 实时监控与调整 通过人机交互接口，实现了剪枝全过程的实时监测。当修枝效果不佳或失效时，可根据实际情况进行相应的调节，保证整枝工作的质量与效率。

绿化树木精剪车中剪刀臂的力度大小和摇摆速度控制[4]：

剪刀臂机构的控制是整个机构的核心。该系统利用先进的电控装置（ECU）及可编程逻辑控制器（PLC），可以从操作者那里接受输入的信息，并按照预先设定的算法及参数进行运算。这些命令由电或液压驱动装置传送到剪式机械抓手上，以准确控制剪式机械抓手的受力。

调控机制对剪刀臂力的调控至关重要。整个系统包括传感器、执行器、控制器等部件。该系统能实时监测剪刀臂各个部分的受力、速度等工作状态，并将有关信息反馈给控制器。在此基础上，通过与预设的控制方案相结合的方法，得到相应的控制信号，然后通过执行器来控制剪刀臂的调节装置，来调整剪刀臂的大小。

4 性能特点及有限元分析

4.1 高效性

该机器能快速准确地进行剪枝，大大提高了剪枝的效率，减少了工时。这种高效，不只是因为修剪的速度快，更在于修剪的质量和精度，能让工作效率大大提高。

4.2 安全性

绿化树木精剪车采用了很多安全装置，包括保护系统和紧急刹车装置，保证了精剪车的安全性。同时，由于其结构的稳定性及精密的控制，使得操作的危险系数大大降低。

4.3 广适性

精剪车可适用于任何环境及天气状况，无论冷、热、雨雪，均可正常使用。而且精剪车的轮胎可以在复杂的地面上运动。

4.4 自动化

精剪车自动化水平很高，绿化树木精剪车使用了先进的智能控制系统，能够对作业过程进行自动化控制，降低了手工工作量，从而提高了工作的准确性和工作效率。不仅降低了强度，而且也提高了工作效率。

4.5 精确性

精剪车具有高精度的zkk5FaUQBDzbtTzCnr3etSr6cm+xfoodvxRbLPIn9Fk=传感器和控制系统，能够实现对剪刀臂力度的精确控制。这意味着在修剪过程中，可以准确地调整力度，避免对树木造成过度损伤或因修剪不足而伤害树木（图4、图5）。

5 结 论

5.1 智能化与自动化

利用先进的智能控制系统，使绿化树木精剪车的作业完全自动化，减少了人工作业的依赖性。它的智能、自动特征，不但可以提高工作的效率，也可以降低人工误差，而且可以改善修剪的精确性。

5.2 适应性与灵活性

精剪车可以根据不同的环境和天气情况进行调整，具有很强的柔性，可以实现多种复杂的操作，这样的适应性和灵活性使得它可以应用于不同的区域，以满足不同的景观要求。

5.3 环保与节能

该设备采用低排放、低能耗的能源，降低了对环境的污染。同时，它的高效率工作模式，还可以减少资源的浪费，从而达到节约能源的目的。

5.4 未来发展趋势

随着科学技术的发展，对园林绿化的要求越来越高，树木精剪机在将来将会向智能化、高效化、多样化方向发展。重点应放在完善精剪车辆的性能与工艺上，以满足日益发展的园林绿化行业需求。

绿化树木精剪车作为一种高效的园林工具，具有显著的优势和潜力。其高效、精准、智能化、适应性和环保节能等特点使得它在园林绿化作业中发挥着重要作用。未来的研究和发展应继续探索其潜力，推动园林绿化事业的可持续发展。

参考文献

[1] 徐文玉. 园林绿化机械设备的现状与趋势研究[J]. 四川水泥，2017 （4）： 141.

[2] 陈若虹，童志成，吴翠雯. 市政绿篱机械化快速修剪技术分析与应用推广：以西樵镇道路绿化养护项目为例[J]. 现代园艺，2022，45（16）：180-182.

[3] 李占旗，高继东，彭凯，等.基于PnP算法的前方车辆测距方法[J]. 国外电子测量技术，2020，39 （12）：104-108.

[4] 何帅民，陈皓，王振宇. 基于PnP算法的单目视觉位移测量方法[J]. 新技术新工艺，2023，（6）：46-52.

基金项目：山东工程职业技术大学2023年大学生科研项目。

作者简介：丁吉强（2005年—），男，本科在读，专业为新能源汽车工程技术。