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(chǎn)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.

車載式公路綠籬修剪機避障結構,包括防護外殼,刀架,驅動結構和避障組件;防護外殼包括側擋板和弧形罩,側擋板固定地設在弧形罩兩端;刀架鉸接在側擋板上且位于弧形罩內;驅動結構設在一側擋板上,驅動結構與刀架連接并可驅動刀架轉動;避障組件包括集繩卷筒座,復位拉繩和復位結構,所述集繩卷筒座和復位結構均設在弧形罩頂部,所述復位拉繩一端與復位結構連接,另一端與集繩卷筒座連接;本實用新型結構設計合理,可實現(xiàn)防護外殼的大范圍擺動,其不僅利于避障,同時還可促進刀架使用的靈活性,增加使用的方便性.

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(jù)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(shù)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(jù)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(jù).
(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(jù)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.

本實用新型涉及綠化帶修剪用設備,尤其是環(huán)保型車載式綠籬修剪機.它包括基礎車,控制室,修剪機頭,吸納管,和集料箱,其結構要點是,基礎車上固定有連接修剪機頭的支座,支座有水平轉臂支座和豎直轉臂支座,分別連接修剪平面綠籬的水平面修剪機頭和修剪豎直面綠籬的豎直面修剪機頭,修剪機頭與支座間連接有油缸,油缸調整修剪機頭的位置,支座,油缸,修剪機頭間采用銷軸連接,操控室安裝在靠基礎車駕駛室車廂前部,吸納管一端連接修剪機頭出料口,另一端與集料箱連接.該修剪機能夠同時修剪綠籬的頂面和側面,且能自動收集清理修剪下的枝葉,修剪速度快,,且不污染環(huán)境.