自行式綠籬修剪機,旨在提供一種完全機械化修剪高速公路綠籬的設備,所采取的技術方案是:在基礎車上設有:水平剪,豎直剪,液壓油箱,液壓動力機構和操作室,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,并在其上設有豎直剪水平伸縮油缸,水平剪設有:水平剪升降套,水平剪升降梁兩者之間設有水平剪升降油缸,豎直剪及水平剪上均設有刀片,在水平剪升降套上設有回轉機構,水平剪和豎直剪均安裝在基礎車上,并與液壓動力機構,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.

針對綠籬修剪機的發(fā)展現(xiàn)狀,設計開發(fā)了一種小型自走式綠籬修剪機,包括動力系統(tǒng)設計和行走裝置設計、修剪裝置設計,并且利用三維建模軟件建立了移動式綠籬修剪機的三維模型.所設計的移動式綠籬修剪機在所查閱的文獻中尚未發(fā)現(xiàn)有相同機型的報道,屬原創(chuàng)型產品.相比現(xiàn)在小型綠籬修剪機以手持式為主的狀況,該綠籬修剪機能夠有效降低綠籬修剪的勞動強度,提高修剪質量,有比較廣闊的市場前景.

連桿式可調綠籬修剪機,包括機架和修剪刀頭,所述移動底盤車,旋轉電機,轉動平板以及連桿結構,所述機架設在移動底盤車上,所述轉動平板通過轉軸可轉動的設在機架上,旋轉電機可驅動轉軸轉動的設在機架上,所述連桿結構懸空設在轉動平板下部,修剪刀頭設在連桿結構上.該連桿式可調綠籬修剪機結構設計合理,通過上下兩個電機即可完成距離的設定和所需要綠籬修剪半徑調整,調節(jié)簡便,便于曲面造型綠籬修剪,降低了勞動強度,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,包括汽車底盤,所述汽車底盤頂面的位置處設置有修剪機底盤,所述修剪機底盤頂面的中間位置處設置有回轉支架,所述回轉支架頂面靠近右側的位置處設置有液壓油箱,所述液壓油箱頂部的位置處設置有電控箱,所述回轉支架頂部的位置處設置有舉升臂,所述舉升臂內側的位置處設置有伸縮桿,所述伸縮桿底部的位置處連接有調節(jié)刀架,所述調節(jié)刀架底部靠近左側的位置處設置有主刀盤;該新型綠籬修剪機采用純液壓驅動,液壓系統(tǒng)的液壓泵直接安裝在車輛底盤的取力器上,液壓泵為這個液壓系統(tǒng)提供動力,驅動刀片轉動和刀盤姿態(tài)調整.這種傳動結構簡單,造價低,傳動,同時該裝置大幅降低了制造成本.

高速公路不僅是交通運輸業(yè)的一部分,也是""發(fā)展戰(zhàn)略的核心.如今,我國的高速公路總里程已達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.為了達到良好的綠化指標,需要對其進行定期的養(yǎng)護修剪.傳統(tǒng)的高速公路綠籬修剪設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,針對上述問題設計一款新型的高速公路綠籬修剪機器人,對修剪機械臂進行正/逆運動學分析,操作空間求解,剛柔耦合動力學建模以及避障路徑規(guī)劃等研究.本課題源于國家自然科學基金資助項目(項目編號:51375519).本文主要研究內容如下:
(1)根據綠籬隔離帶的綠化指標和修剪機器人的技術要求,規(guī)劃與建立高速公路綠籬修剪機器人的總體布局,從修剪對象,養(yǎng)護功能以及實際情況等考慮,設計高速公路綠籬修剪機器人的本體結構,分析驅動系統(tǒng)的工作方式和控制系統(tǒng)的設計要求,完成驅動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設計,構建并研制實驗樣機.
(2)以設計的修剪機械臂為研究對象,通過D-H法創(chuàng)建其連桿簡化模型,進行運動學正解,求得修剪機械臂的末端刀具位姿方程,采用反變換法進行修剪機械臂逆運動學解耦,推導各關節(jié)角運動表達式,基于Monte Carlo法求解修剪機械臂操作空間,通過MATLAB進行操作空間的數值仿真,驗證運動學模型的正確性和修剪機械臂結構的合理性,為后續(xù)動力學和避障規(guī)劃研究作鋪墊.
(3)基于多體柔性動力學理論,通過浮動系法建立柔性修剪機械臂系統(tǒng)坐標系,根據假設模態(tài)法描述臂桿彈性變形量,采用Lagrange法及虛功原理推導修剪機械臂剛柔耦合動力學方程,在ADAMS仿真軟件中進行修剪機械臂剛性和柔性的動力學對比仿真,研究柔性因素對系統(tǒng)動力學特性的影響,進一步驗證建立剛柔耦合動力學模型的必要性,為以后控制和結構優(yōu)化研究提供理論依據.
(4)針對非結構環(huán)境下高速公路綠籬修剪機器人手臂實時準確避障問題,提出一種基于擾動人工勢場法(PAPF)的避障路徑規(guī)劃解決方法.根據綠籬隔離帶與障礙物分布情況,構建包絡障礙物簡化模型,分析機械臂與障礙物的碰撞條件,求解機械臂在修剪過程中的避碰空間.引入斥力場調節(jié)策略優(yōu)化勢場模型,建立斥力場擾動機制調整斥力影響方式,消除傳統(tǒng)算法中局部極小點和目標不可達等現(xiàn)象.在避碰空間應用PAPF算法進行路徑規(guī)劃仿真,仿真結果表明,機械臂跳出局部極小點,靈活順利避障,成功抵達目標點,驗證了該方法的有效性和可行性.

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