专利名称：智能树干涂白机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种树干涂白机，特别是一种智能树干涂白机器人，属于城市及园林绿化专用设备相关领域。
背景技术：
随着绿化覆盖面积越来越大，每逢秋末冬初，为了让树木安全过冬，随处可以看到园林部门工作人员十分忙碌地给树木涂白。给树木树干涂白，不仅美化园林环境，便于管理，更重要的是对树木越冬起到很好的保护作用。一是有利防治病虫害。进入冬季各类害虫如蚜虫、红蜘蛛、介壳虫等会在树皮内产卵过冬，为降低明年开春各类病虫害的发生率，园林部门工作人员会配制药液，用水、生石灰、硫磺、食盐按照比例熬制成石硫合剂，将树干自根部起1. 2米处涂抹石硫合剂，以杀灭藏在树皮中的越冬害虫及虫卵。二是有效防止树木冻伤。 涂白后树干白天与夜晚温度变化比较平稳，朝阳面和背阳面温差缩小，避免树皮冻裂，减少冻害，确保树木成活。涂白最好在树落叶至次年出叶前进行。与此同时，给树木树干涂白也是一项非常劳累的工作，园林部门工作人员经常需要在露天顶着烈日，克服药物的刺鼻气味给树木树干涂白。因此，采用机械化或自动化设备进行涂白作业可以显著减轻劳动强度， 提高涂白作业的质量。为了树木涂白工作量大、劳动强度高、效率低、质量差的不足，已经提出了各种针对树木涂白的树木涂白机，其中2009年3月11日公告的实用新型专利ZL200820087383. 0 中提出了一种树木涂白机，它包括机架、自动升降机构、夹持机构和供液系统。在其机架底部安装一组万向轮和车轮，车轮通过电机驱动；夹持机构是一种夹持手机构，夹持手机构、 三级滑轨、架台通过普通螺栓连接在一起，夹持手机构包括T型连杆、第一夹持手、第二夹持手、驱动电机和自动前后伸缩毛刷组；其自动升降机构包括自动升降架、钢丝、收线盘、收线盘传动机构和电机，自动升降架安装在机架上，在自动升降架的上端安装滑轮，钢丝穿过滑轮，钢丝卷在收线盘上，钢丝的端部固定安装在夹持机构上，收线盘与收线盘驱动机构连接；供液系统包括石灰浆容器、输液管和安装在毛刷上的喷头，石灰浆容器安装在机架上， 石灰浆容器内安装泵，泵经输液管与喷头连接，小功率泵将石灰水通过输液管输送到喷头。 该树木涂白机可以进行机械化工作，从而减轻劳动强度，提高涂白效率和涂白质量。但是， 这种树木涂白机的机械结构复杂、操作不方便，不能实现对树木的进行快速、高效地涂白作业，此外，因为采用毛刷对树干表皮进行粉刷，不容易做到平均厚度涂白，对树干表皮凹凸不平的地方很难涂刷均勻，而且浪费涂料，且涂刷效果不佳。这种树木涂白机对不同直径的树干进行粉刷时需要配置几个级别的毛刷组，需要人工进行毛刷组拆装和置换，使用不够方便。由于该树木涂白机的自动化程度不高，也不能实现远程监控，更不能实现智能化涂白作业，相比人工涂白的效率提升不太明显。
发明内容
本发明的目的在于提供一种智能树干涂白机器人，可以对人行道树木进行快速、 高效地喷涂石灰溶液，显著提高了工作效率，节省劳动力，智能化程度高，操作简便。同时采用机器人来代替人工进行工作是智能化数字时代的趋势所向，而采用喷涂方式进行树干涂
白可以节省涂料、更加优化涂刷效果。 为达到上述目的，本发明采用下述技术方案
一种智能树干涂白机器人，包括机架系统、机器人行走系统、石灰浆供应系统、自动涂白执行系统和为各系统供电的电源，机架系统包括机架本体、底盘架和上支架，底盘架设置于机架本体的下部，上支架固定设置于机架本体的上中部；机器人行走系统包括安装于底盘架下的一组行走车轮；石灰浆供应系统包括石灰浆储存箱、与石灰浆储存箱连接的输送导管、位于输送导管末端的喷嘴、输送泵及泵用驱动电机，石灰浆储存箱固定安装于上支架上，输送泵位于石灰浆储存箱之外，输送泵的入口通过吸入管与石灰浆储存箱相连通，输送泵的出口与输送导管相连通，泵用驱动电机驱动输送泵的被传动轴使其转动；自动涂白执行系统包括活动夹持臂、升降架、电力驱动装置、夹持臂开合机构和夹持臂升降机构，夹持臂包括两个，夹持臂通过夹持臂开合机构和夹持臂升降机构与升降架活动连接，电力驱动装置包括夹持臂升降电机和夹持臂开合电机，夹持臂开合电机驱动夹持臂开合机构带动夹持臂作开合平移运动，夹持臂升降电机通过驱动夹持臂升降机构牵引夹持臂开合机构作升降平滑运动并进而带动夹持臂作同步升降运动，喷嘴包括两组，每组喷嘴分别对应设置于夹持臂靠近其自由端的位置处，且每组喷嘴分别安装于各夹持臂的相向内侧；上述底盘架通过避震器与机架本体之间弹性连接，底盘架下设有行走驱动装置，行走驱动装置包括伺服电机和方向控制电机，伺服电机通过其延伸输出轴驱动行走车轮转动，方向控制电机控制行走车轮的摆动角度；升降架为龙门架，龙门架由两根立柱、一根横梁、一个基座和一个辅助支撑座组成，横梁与两根立柱的顶端固定连接，基座与两根立柱的底端固定连接，辅助支撑座为U形架，U形架的开口宽度与龙门架的肩宽相等，U形架的两直臂的端部分别与龙门架的两根立柱的中部偏下部位固定连接并形成辅助支撑座，U形架的两直臂分别与龙门架的两根立柱互相垂直，龙门架的两根立柱和辅助支撑座之间设置加强筋，自动涂白执行系统还包括夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构，电力驱动装置还包括夹持臂俯仰电机和龙门架推进电机，夹持臂俯仰电机通过驱动夹持臂俯仰机构牵引夹持臂作俯仰运动，龙门架推进电机通过驱动龙门架进退机构牵引龙门架作进退平移运动并进而带动夹持臂作同步进退平移运动；自动涂白执行系统采用喷涂方式对树干进行涂白，各喷嘴的位置及其喷射方向形成相对应的均勻喷射布局；智能树干涂白机器人还包括实时检测系统，实时检测系统包括机器人内部信息反馈控制系统和机器人外部信息传感系统，机器人内部信息反馈控制系统包括对动作的行程和角度极限进行控制的限位开关和PLC，限位开关共包括十路， 其中八路限位开关均分为四组并分别安装于夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构中相对静止的各部件上，限位开关将龙门架受控行程以及夹持臂的受控行程和受控转动角度极限分别以开关量形式的信号向PLC输出，PLC通过分别向夹持臂升降电机、夹持臂开合电机、夹持臂俯仰电机或龙门架推进电机输出指令对夹持臂的升降、开合及龙门架的进退动作行程和夹持臂的俯仰角度极限进行控制，另外两路限位开关分别安装于底盘架上并将行走车轮的受控摆动角度极限和受控行程以开关量形式的信号向PLC输出，由PLC通过向方向控制电机和伺服电机输出指令控制行走车轮的摆动角度极限和行程，PLC通过向泵用驱动电机发出指令驱动输送泵将石灰浆通过输送导管从喷嘴处喷射出去，机器人外部信息传感系统包括机器人视觉感知组件、障碍侦测组件、导向装置和定位测距装置，机器人视觉感知组件包括两个摄像头，摄像头分别安装于机架本体的左侧和龙门架的横梁上，摄像头将视频信号向PLC输出，障碍侦测组件包括两个超声波传感器，超声波传感器分别安装于机架本体的左侧和龙门架的横梁上，超声波传感器将障碍检测信号向PLC输出，导向装置采用数字罗盘，数字罗盘将导航信号向PLC输出，PLC通过向伺服电机和方向控制电机输出指令对行走车轮的行程和行进方向进行控制，定位测距装置包括两个激光传感器，激光传感器分别安装在靠近夹持臂自由端的位置处的一组喷嘴之间的位置处，位于不同夹持臂上的激光传感器相向对应设置，形成对射布局，激光传感器将多普勒频移信号向PLC输出，PLC通过分别向夹持臂升降电机、夹持臂开合电机、夹持臂俯仰电机或龙门架推进电机输出指令驱动夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构带动夹持臂作升降、开合、俯仰和进退运动。本发明的夹持臂可以进行转动，这样就实现了夹持臂的收放自如，可以减少机构的空间占用。本发明的控制系统结合激光传感器、超声波传感器以及视觉处理等功能，使得机器人具有自动行走、定位、检测并识别树木以及避障等人工智能，实现涂白机工作全过程的智能化。上述龙门架进退机构包括水平承载滑轨和水平进退滑块座，水平承载滑轨固定设置于机架本体上，水平进退滑块座固定设置于龙门架的辅助支撑座的底部，龙门架推进电机固定在机架本体上，龙门架推进电机驱动水平进退滑块座沿水平承载滑轨作进退平移运动并进而带动夹持臂作进退运动；上述夹持臂升降机构包括线性升降导轨和升降滑块，线性升降导轨固定设置于龙门架的立柱上，夹持臂升降电机固定在龙门架的基座上，夹持臂升降电机驱动升降滑块沿线性升降导轨作升降平滑运动并进而带动夹持臂作升降运动；上述夹持臂开合机构包括水平悬臂座滑轨和两个悬臂座滑块，水平悬臂座滑轨与线性升降导轨垂直并固定设置于升降滑块上，夹持臂开合电机固定在升降滑块上，夹持臂开合电机驱动悬臂座滑块沿水平悬臂座滑轨作开合平移运动并进而带动夹持臂作开合运动；上述夹持臂俯仰机构包括两个水平悬臂座滑块和两个悬臂座轴板，夹持臂俯仰电机固定在水平悬臂座滑块上，夹持臂分别固定安装于悬臂座轴板的一端上，靠近悬臂座轴板的另一端部位置处固定设置有垂直于悬臂座轴板所在平面的短轴，夹持臂俯仰电机驱动悬臂座轴板沿其短轴的轴线定轴转动并进而带动夹持臂作俯仰运动。上述龙门架推进电机驱动水平进退滑块座沿水平承载滑轨作进退平移运动采用链式传动方式，龙门架推进电机驱动主动链轮转动，链条绕在主动链轮上，链条还绕过设置于机架本体上的从动链轮，水平进退滑块座固定连接在链条上；上述夹持臂升降电机驱动升降滑块沿线性升降导轨作升降运动采用链式传动方式，夹持臂升降电机驱动主动链轮转动，链条绕在主动链轮上，链条还绕过固定设置于龙门架上的从动链轮，升降滑块固定连接在链条上；上述夹持臂开合电机驱动悬臂座滑块沿水平悬臂座滑轨作开合平移运动采用齿形带传动方式，龙门架推进电机驱动主动带轮转动，齿形带还绕过设置于龙门架上的从动带轮，悬臂座滑块固定连接在齿形带上；上述夹持臂俯仰电机驱动夹持臂沿悬臂座轴板所在的平面内作俯仰运动采用齿轮传动方式，夹持臂俯仰电机驱动主动齿轮转动，悬臂座轴板上设有与主动齿轮相啮合的从动齿轮，从动齿轮的传动输出轴与悬臂座轴板的短轴同轴刚性连接。作为本发明的改进，安装于上述自动涂白执行系统上的输送导管部分形成刚性的夹持臂，夹持臂为刚性悬臂管。
作为本发明的进一步改进，PLC与触摸屏信号连接，PLC接收来自触摸屏的控制指令信号的输入。作为本发明的更进一步改进，本发明智能树干涂白机器人可外联监控中心系统， 监控中心系统为远端PC，PLC通过无线RS232串口模块与远端PC相连接。作为本发明的再进一步改进，上述石灰浆储存箱内设有过滤网和搅拌器，过滤网安装于石灰浆储存箱之内，搅拌器安装于灰浆储存箱的上方，搅拌器的转轴与专用电机的输出轴紧固联接，PLC通过向专用电机发出指令驱动搅拌器的转轴旋转，搅拌器和灰浆储存箱与输送导管的连接的出口分别位于过滤网的两侧。作为本发明的又一种进一步改进，上述石灰浆储存箱由上下两个腔室构成，其中上部腔室为石灰储存箱，其中下部腔室为水储存箱，水储存箱通过水泵和输水管与石灰储存箱连通，水泵通过电机驱动向石灰储存箱内供水。作为本发明的还有一种进一步改进，上述机架本体上设有配重构件。本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点 本发明智能树干涂白机器人可以自动沿着人行道行走，并对人行道两侧的树木进行快
速、高效地喷涂石灰溶液。本发明结合机电一体化技术，在机械方面，智能树干涂白机器人的机械结构简单，构件易于标准化设计与加工；在控制方面，智能树干涂白机器人以PLC作为下位机的核心控制系统实现对机器人进行实时控制，同时，在下位机也可采用了触摸屏， 提供手动控制模式。上位机则使用PC机还可通过无线RS232串口与下位机相连，实现对机器人的远程监控。在控制中还建立了视觉处理系统，利用机器视觉判别树木和轮廓提取，攻克了智能识别树木以及自动避障等技术。控制系统结合激光传感器、超声波传感器以及视觉处理等功能，使得机器人具有自动行走、定位、检测并识别树木以及避障等人工智能，实现涂白机工作全过程的智能化。本发明智能树干涂白机器人可以显著提高了树干涂白地工作效率，节省劳动力，提高树干涂白的质量。经过树干涂白模拟系统测试，本发明智能树干涂白机器人从寻找树木到完成对一棵树木进行全方位喷涂的工作不到30秒钟的时间，而人工涂刷则至少需要3分钟，达到了发明的目的。
图1是本发明智能树干涂白机器人第一实施例的系统结构图。图2是本发明智能树干涂白机器人第一实施例的自动涂白执行系统结构图。图3是本发明智能树干涂白机器人第一实施例的承载系统结构图。图4是本发明智能树干涂白机器人第二实施例的系统的结构图。图5是本发明智能树干涂白机器人分级式控制的信号系统框图。
具体实施例方式实施例一
参见图1至图3，本发明为一种智能树干涂白机器人，包括机架系统、机器人行走系统、 石灰浆供应系统、自动涂白执行系统和为各系统供电的电源38，机架系统包括机架本体1、 底盘架2和上支架8，底盘架2设置于机架本体1的下部，上支架8固定设置于机架本体1 的上中部；机器人行走系统包括安装于底盘架2下的一组行走车轮6 ；石灰浆供应系统包括石灰浆储存箱7、与石灰浆储存箱7连接的输送导管9、位于输送导管9末端的喷嘴21、输送泵10及泵用驱动电机11，石灰浆储存箱7固定安装于上支架8上，输送泵10位于石灰浆储存箱7之外，输送泵10的入口通过吸入管与石灰浆储存箱7相连通，输送泵10的出口与输送导管9相连通，泵用驱动电机11驱动输送泵10的被传动轴使其转动；自动涂白执行系统包括活动夹持臂20、升降架、电力驱动装置、夹持臂开合机构和夹持臂升降机构，夹持臂 20包括两个，夹持臂20通过夹持臂开合机构和夹持臂升降机构与升降架活动连接，电力驱动装置包括夹持臂升降电机14和夹持臂开合电机15，夹持臂开合电机15驱动夹持臂开合机构带动夹持臂20作开合平移运动，夹持臂升降电机14通过驱动夹持臂升降机构牵引夹持臂开合机构作升降平滑运动并进而带动夹持臂20作同步升降运动，喷嘴21包括两组，每组喷嘴21分别对应设置于夹持臂20靠近其自由端的位置处，且每组喷嘴21分别安装于各夹持臂20的相向内侧；底盘架2通过避震器3与机架本体1之间弹性连接，底盘架2下设有行走驱动装置，行走驱动装置包括伺服电机4和方向控制电机5，伺服电机4通过其延伸输出轴驱动行走车轮6转动，方向控制电机5控制行走车轮6的摆动角度；升降架为龙门架 22，龙门架22由两根立柱、一根横梁、一个基座和一个辅助支撑座组成，横梁与两根立柱的顶端固定连接，基座与两根立柱的底端固定连接，辅助支撑座为U形架，U形架的开口宽度与龙门架22的肩宽相等，U形架的两直臂的端部分别与龙门架22的两根立柱的中部偏下部位固定连接并形成辅助支撑座，U形架的两直臂分别与龙门架22的两根立柱互相垂直，龙门架22的两根立柱和辅助支撑座之间设置加强筋18，自动涂白执行系统还包括夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构，电力驱动装置还包括夹持臂俯仰电机17和龙门架推进电机16， 夹持臂俯仰电机17通过驱动夹持臂俯仰机构牵引夹持臂20作俯仰运动，龙门架推进电机 16通过驱动龙门架进退机构牵引龙门架22作进退平移运动并进而带动夹持臂20作同步进退平移运动；自动涂白执行系统采用喷涂方式对树干进行涂白，各喷嘴21的位置及其喷射方向形成相对应的均勻喷射布局；智能树干涂白机器人还包括实时检测系统，实时检测系统包括机器人内部信息反馈控制系统和机器人外部信息传感系统，机器人内部信息反馈控制系统包括对动作的行程和角度极限进行控制的限位开关36和PLC (37)，限位开关36 共包括十路，其中八路限位开关36均分为四组并分别安装于夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构中相对静止的各部件上，限位开关36将龙门架22 受控行程以及夹持臂20的受控行程和受控转动角度极限分别以开关量形式的信号向PLC (37)输出，PLC (37)通过分别向夹持臂升降电机14、夹持臂开合电机15、夹持臂俯仰电机 17或龙门架推进电机16输出指令对夹持臂20的升降、开合及龙门架22的进退动作行程和夹持臂20的俯仰角度极限进行控制，另外两路限位开关36分别安装于底盘架2上并将行走车轮6的受控摆动角度极限和受控行程以开关量形式的信号向PLC (37)输出，由PLC (37)通过向方向控制电机5和伺服电机4输出指令控制行走车轮6的摆动角度极限和行程，PLC (37)通过向泵用驱动电机11发出指令驱动输送泵10将石灰浆通过输送导管9从喷嘴21处喷射出去，机器人外部信息传感系统包括机器人视觉感知组件、障碍侦测组件、 导向装置和定位测距装置，机器人视觉感知组件包括两个摄像头33，摄像头33分别安装于机架本体1的左侧和龙门架22的横梁上，摄像头33将视频信号向PLC (37)输出，障碍侦测组件包括两个超声波传感器34，超声波传感器34分别安装于机架本体1的左侧和龙门架22的横梁上，超声波传感器34将障碍检测信号向PLC (37)输出，导向装置采用数字罗盘35，数字罗盘35将导航信号向PLC (37)输出，PLC (37)通过向伺服电机4和方向控制电机5输出指令对行走车轮6的行程和行进方向进行控制，定位测距装置包括两个激光传感器23，激光传感器23分别安装在靠近夹持臂20自由端的位置处的一组喷嘴21之间的位置处，位于不同夹持臂20上的激光传感器23相向对应设置，形成对射布局，激光传感器23 将多普勒频移信号向PLC (37)输出，PLC (37)通过分别向夹持臂升降电机14、夹持臂开合电机15、夹持臂俯仰电机17或龙门架推进电机16输出指令驱动夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构带动夹持臂20作升降、开合、俯仰和进退运动。 本发明的水平进退滑块座可以沿水平承载滑轨运动，从而可以将整个喷涂部分都收入到储料与动作部分主体框架内部的空间中，这样就可以缩小整个机构的空间尺寸，便于运输。本发明采用喷涂方式，可节省涂料、更加优化涂刷效果。本发明在控制系统中建立了视觉处理系统，利用机器视觉判别树木和轮廓提取，攻克了智能识别树木以及自动避障等技术。其中超声波传感器将放置在机器人的前方和右侧，用来检测前方和右侧有无障碍物。如果右侧有障碍物时，机器将与路边保持一定的距离直走，当无障碍物时，小车向右打转直至重新检测到障碍物后继续直走。树检测激光传感器检测是否有树，如有树，降低行走速度，同时发信号给控制台，控制台的监控人员根据机器左边的摄像头判别是树还是其它东西或者机器视觉自动进行判别，若是其它东西，则按跳过按钮，机器继续前进。如是树，涂白手臂抬起，而后手臂上下移动进行涂白，结束后手臂放下，机器继续前进。对射传感器的作用至关重要，共有四个，除用来检测是否有树外，还用来检测树的具体位置和树的粗细从而以此来控制涂白手臂的伸缩和开合的大小。数字罗盘用来判别涂白机的运行方向.使涂白机除沿路边行走外，还可以按事先编好的轨迹行走.极限开关用来限制升降，伸缩， 俯仰，开合等运动的行程，同时给出到位信号。对射激光传感器就可以通过夹持臂的纵横向的运动实现对树的全方位定位，龙门架能根据用以检测树木的激光传感器所传回的距离信息，进行前后的进退运动以调整机器人与树木之间的距离，由夹持臂，喷嘴和运动执行机构组成的机器人喷涂手臂可根据对射激光传感器进行张开闭合运动，来适应各类树木的粗细。同时手臂通过升降、俯仰等运动，实现对树干空间XYZ坐标的全方位喷涂。
上述龙门架进退机构包括水平承载滑轨19和水平进退滑块座M，水平承载滑轨 19固定设置于机架本体1上，水平进退滑块座M固定设置于龙门架22的辅助支撑座的底部，龙门架推进电机16固定在机架本体1上，龙门架推进电机16驱动水平进退滑块座M 沿水平承载滑轨19作进退平移运动并进而带动夹持臂20作进退运动；上述夹持臂升降机构包括线性升降导轨25和升降滑块沈，线性升降导轨25固定设置于龙门架22的立柱上， 夹持臂升降电机14固定在龙门架22的基座上，夹持臂升降电机14驱动升降滑块沈沿线性升降导轨25作升降平滑运动并进而带动夹持臂20作升降运动；上述夹持臂开合机构包括水平悬臂座滑轨27和两个悬臂座滑块观，水平悬臂座滑轨27与线性升降导轨25垂直并固定设置于升降滑块26上，夹持臂开合电机15固定在升降滑块沈上，夹持臂开合电机15 驱动悬臂座滑块观沿水平悬臂座滑轨27作开合平移运动并进而带动夹持臂20作开合运动；上述夹持臂俯仰机构包括两个水平悬臂座滑块观和两个悬臂座轴板四，夹持臂俯仰电机17固定在水平悬臂座滑块观上，夹持臂20分别固定安装于悬臂座轴板四的一端上，靠近悬臂座轴板四的另一端部位置处固定设置有垂直于悬臂座轴板四所在平面的短轴，夹持臂俯仰电机17驱动悬臂座轴板四沿其短轴的轴线定轴转动并进而带动夹持臂20作俯仰运动。
上述龙门架推进电机16驱动水平进退滑块座M沿水平承载滑轨19作进退平移运动采用链式传动方式，龙门架推进电机16驱动主动链轮转动，链条绕在主动链轮上，链条还绕过设置于机架本体1上的从动链轮，水平进退滑块座M固定连接在链条上；上述夹持臂升降电机14驱动升降滑块沈沿线性升降导轨25作升降运动采用链式传动方式，夹持臂升降电机14驱动主动链轮32转动，链条31绕在主动链轮32上，链条31还绕过固定设置于龙门架22上的从动链轮30，升降滑块沈固定连接在链条31上；上述夹持臂开合电机 15驱动悬臂座滑块观沿水平悬臂座滑轨27作开合平移运动采用齿形带传动方式，龙门架推进电机16驱动主动带轮转动，齿形带还绕过设置于龙门架22上的从动带轮，悬臂座滑块 28固定连接在齿形带上；上述夹持臂俯仰电机17驱动夹持臂20沿悬臂座轴板四所在的平面内作俯仰运动采用齿轮传动方式，夹持臂俯仰电机17驱动主动齿轮12转动，悬臂座轴板四上设有与主动齿轮12相啮合的从动齿轮13，从动齿轮13的传动输出轴与悬臂座轴板 29的短轴同轴刚性连接。夹持臂可以在悬臂座滑块的带动下沿水平悬臂座滑轨滑动，实现悬臂管的横向运动。夹持臂也可以在上下链轮的带动下沿龙门架上的导轨上下运动，实现悬臂管的纵向运动。上述八路限位开关36可分别安装于水平承载滑轨19、水平悬臂座滑轨27和线性升降导轨25靠近端部的位置处以及悬臂座滑块28上。车轮在电机带动下做前进和差动转向运动，配合各车轮的独立避震弹簧系统，实现智能树干涂白机器人的全地形行驶。本本发明智能树干涂白机器人可以自动沿着人行道行走，并对人行道树木进行快速、高效地喷涂石灰溶液。实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下
参见图4，安装于自动涂白执行系统上的输送导管9部分形成刚性的夹持臂20，夹持臂 20为刚性悬臂管。上述PLC (37)与触摸屏信号连接，PLC (37)接收来自触摸屏的控制指令信号的输入。参见图5，上述智能树干涂白机器人外联监控中心系统，监控中心系统为远端PC (40),PLC (37)通过无线RS232串口模块39与远端PC (40)相连接。本发明智能树干涂白机器人还可采用分级式控制的信号系统，以PLC作为下位机的核心控制系统实现对机器人进行实时控制，结合激光传感器、超声波传感器以及视觉处理等功能，使得机器人能自动行走、定位、检测并识别树木、以及避障等人工智能，实现涂白机工作全过程的智能化。同时， 在下位机也适用了触目屏控制技术，提供手动控制。上位机则使用PC机通过无线RS232串口与下位机相连，实现对机器人的远程监控。可选用松下公司的FP Σ系列的PLC作为下位机的控制核心与负责上位控制的PC机实现全程实时监控。本发明在控制方面结合机电一体化技术，除了以PLC作为下位机的核心控制系统实现对机器人进行实时控制，同时，在下位机也采用了触摸屏，提供手动控制。上述石灰浆储存箱7内设有过滤网和搅拌器，过滤网安装于石灰浆储存箱7之内， 搅拌器安装于灰浆储存箱7的上方，搅拌器的转轴与专用电机的输出轴紧固联接，PLC (37) 通过向专用电机发出指令驱动搅拌器的转轴旋转，搅拌器和灰浆储存箱7与输送导管9的连接的出口分别位于过滤网的两侧。上述石灰浆储存箱7由上下两个腔室构成，其中上部腔室为石灰储存箱，其中下部腔室为水储存箱，水储存箱通过水泵和输水管与石灰储存箱连通，水泵通过电机驱动向石灰储存箱内供水。上支架部分可分成两个独立空间，下面部分用于存放水箱，上面部分用于存放石灰。喷涂时，下部的水由电机带动被抽到上面的石灰缸内，与石灰混合后用于喷涂，这样可以节省石灰的用量。上述机架本体1上设有配重构件，以保证整个机架工作时的平衡稳定状态。以上结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的作出多种变化。如果电机14、15、16、17分别安装在其他位置实现对夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构驱动都在此发明的保护范围内，如果夹持臂20作升降、开合、俯仰和进退运动采用其他传动方式，比如，夹持臂20作升降运动采用齿轮齿条传动，夹持臂20作开合和进退运动采用链式传动或齿轮齿条传动，夹持臂20作俯仰运动采用齿形带传动、链传动或者电机直接连接夹持臂20 的旋转轴传动以及夹持臂20作升降、开合、俯仰和进退运动采用气动或液压传动方式，皆在此发明的保护范围内。
权利要求
1.一种智能树干涂白机器人，包括机架系统、机器人行走系统、石灰浆供应系统、自动涂白执行系统和为所述各系统供电的电源(38)，其特征在于a.所述机架系统包括机架本体(1)、底盘架(2)和上支架(8)，所述底盘架(2)设置于所述机架本体(1)的下部，所述上支架(8)固定设置于所述机架本体(1)的上中部；b.所述机器人行走系统包括安装于所述底盘架(2)下的一组行走车轮(6)；c.所述石灰浆供应系统包括石灰浆储存箱(7)、与所述石灰浆储存箱(7)连接的输送导管(9)、位于输送导管(9)末端的喷嘴(21)、输送泵(10)及泵用驱动电机(11)，所述石灰浆储存箱(7)固定安装于所述上支架(8)上，所述输送泵(10)位于所述石灰浆储存箱(7)之外，所述输送泵(10)的入口通过吸入管与所述石灰浆储存箱(7)相连通，所述输送泵(10) 的出口与所述输送导管(9 )相连通，所述泵用驱动电机(11)驱动所述输送泵(10 )的被传动轴使其转动；d.所述自动涂白执行系统包括活动夹持臂(20)、升降架、电力驱动装置、夹持臂开合机构和夹持臂升降机构，所述夹持臂(20 )包括两个，所述夹持臂(20 )通过夹持臂开合机构和夹持臂升降机构与升降架活动连接，所述电力驱动装置包括夹持臂升降电机(14)和夹持臂开合电机(15)，所述夹持臂开合电机(15)驱动夹持臂开合机构带动夹持臂(20)作开合平移运动，所述夹持臂升降电机(14)通过驱动夹持臂升降机构牵引夹持臂开合机构作升降平滑运动并进而带动夹持臂(20)作同步升降运动，所述喷嘴(21)包括两组，每组所述喷嘴(21)分别对应设置于所述夹持臂(20)靠近其自由端的位置处，且每组所述喷嘴(21)分别安装于所述各夹持臂(20)的相向内侧。
2.根据权利要求1所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述底盘架(2)通过避震器(3)与机架本体(1)之间弹性连接，所述底盘架(2)下设有行走驱动装置，所述行走驱动装置包括伺服电机(4)和方向控制电机(5)，所述伺服电机(4)通过其延伸输出轴驱动所述行走车轮(6 )转动，所述方向控制电机(5 )控制所述行走车轮(6 )的摆动角度。
3.根据权利要求1所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述升降架为龙门架(22)，所述龙门架(22)由两根立柱、一根横梁、一个基座和一个辅助支撑座组成，所述横梁与所述两根立柱的顶端固定连接，所述基座与所述两根立柱的底端固定连接，所述辅助支撑座为U形架，所述U形架的开口宽度与所述龙门架(22)的肩宽相等，所述U形架的两直臂的端部分别与所述龙门架(22)的两根立柱的中部偏下部位固定连接并形成辅助支撑座， 所述U形架的两直臂分别与所述龙门架(22)的两根立柱互相垂直，所述龙门架(22)的两根立柱和所述辅助支撑座之间设置加强筋(18)，所述自动涂白执行系统还包括夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构，所述电力驱动装置还包括夹持臂俯仰电机(17)和龙门架推进电机 (16)，所述夹持臂俯仰电机(17)通过驱动夹持臂俯仰机构牵引夹持臂(20)作俯仰运动，所述龙门架推进电机(16 )通过驱动所述龙门架进退机构牵弓丨龙门架(22 )作进退平移运动并进而带动所述夹持臂(20)作同步进退平移运动；所述喷嘴(21)的位置及其喷射方向形成相对应的均勻喷射布局。
4.根据权利要求1所述的智能树干涂白机器人，其特征在于还包括一个实时检测系统，所述实时检测系统包括一个机器人内部信息反馈控制系统和一个机器人外部信息传感系统，所述机器人内部信息反馈控制系统包括对动作的行程和角度极限进行控制的限位开关(36)和PLC (37)，所述限位开关(36)共包括十路，其中八路所述限位开关(36)均分为四组并分别安装于所述夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构中相对静止的各部件上，所述限位开关(36)将所述龙门架(22)受控行程以及所述夹持臂(20)的受控行程和受控转动角度极限分别以开关量形式的信号向PLC (37)输出，所述 PLC (37)通过分别向夹持臂升降电机(14)、夹持臂开合电机(15)、夹持臂俯仰电机(17)或龙门架推进电机(16)输出指令对所述夹持臂(20)的升降、开合及所述龙门架(22)的进退动作行程和所述夹持臂(20)的俯仰角度极限进行控制，另外两路所述限位开关(36)分别安装于所述底盘架(2)上并将所述行走车轮(6)的受控摆动角度极限和受控行程以开关量形式的信号向PLC (37)输出，由PLC (37)通过向方向控制电机(5)和伺服电机(4)输出指令控制所述行走车轮(6)的摆动角度极限和行程，所述PLC (37)通过向泵用驱动电机(11) 发出指令驱动所述输送泵(10 )将石灰浆通过输送导管(9 )从喷嘴(21)处喷射出去，所述机器人外部信息传感系统包括机器人视觉感知组件、障碍侦测组件、导向装置和定位测距装置，所述机器人视觉感知组件包括两个摄像头(33)，所述摄像头(33)分别安装于所述机架本体(1)的左侧和所述龙门架(22)的横梁上，所述摄像头(33)将视频信号向PLC (37)输出，所述障碍侦测组件包括两个超声波传感器(34)，所述超声波传感器(34)分别安装于所述机架本体(1)的左侧和所述龙门架(22)的横梁上，所述超声波传感器(34)将障碍检测信号向PLC (37)输出，所述导向装置采用数字罗盘(35)，所述数字罗盘(35)将导航信号向 PLC (37)输出，所述PLC (37)通过向伺服电机(4)和方向控制电机(5)输出指令对行走车轮(6)的行程和行进方向进行控制，所述定位测距装置包括两个激光传感器(23)，所述激光传感器(23)分别安装在靠近所述夹持臂(20)自由端的位置处的一组喷嘴(21)之间的位置处，位于不同夹持臂(20)上的激光传感器(23)相向对应设置，形成对射布局，所述激光传感器(23)将多普勒频移信号向PLC (37)输出，所述PLC (37)通过分别向所述夹持臂升降电机(14)、夹持臂开合电机(15)、夹持臂俯仰电机(17)或龙门架推进电机(16)输出指令驱动夹持臂开合机构、夹持臂升降机构、夹持臂俯仰机构和龙门架进退机构带动所述夹持臂(20)作升降、开合、俯仰和进退运动。
5. 5.根据权利要求3所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述龙门架进退机构包括水平承载滑轨(19)和水平进退滑块座(24)，所述水平承载滑轨(19)固定设置于所述机架本体(1)上，所述水平进退滑块座(24)固定设置于所述龙门架(22)的辅助支撑座的底部，所述龙门架推进电机(16)固定在所述机架本体(1)上，所述龙门架推进电机(16)驱动水平进退滑块座(24 )沿水平承载滑轨(19 )作进退平移运动并进而带动夹持臂(20 )作进退运动；所述夹持臂升降机构包括线性升降导轨(25)和升降滑块(26)，所述线性升降导轨 (25)固定设置于所述龙门架(22)的立柱上，所述夹持臂升降电机(14)固定在所述龙门架 (22)的基座上，所述夹持臂升降电机(14)驱动升降滑块(26)沿线性升降导轨(25)作升降平滑运动并进而带动夹持臂(20)作升降运动；所述夹持臂开合机构包括水平悬臂座滑轨(27)和两个悬臂座滑块(28)，所述水平悬臂座滑轨(27)与所述线性升降导轨(25)垂直并固定设置于所述升降滑块(26)上，所述夹持臂开合电机(15)固定在所述升降滑块(26)上，所述夹持臂开合电机(15)驱动悬臂座滑块(28)沿水平悬臂座滑轨(27)作开合平移运动并进而带动夹持臂(20)作开合运动；所述夹持臂俯仰机构包括两个水平悬臂座滑块(28)和两个悬臂座轴板(29)，所述夹持臂俯仰电机(17)固定在所述水平悬臂座滑块(28)上，所述夹持臂(20)分别固定安装于所述悬臂座轴板(29)的一端上，靠近所述悬臂座轴板(29)的另一端部位置处固定设置有垂直于所述悬臂座轴板(29)所在平面的短轴，所述夹持臂俯仰电机(17)驱动所述悬臂座轴板(29)沿其短轴的轴线定轴转动并进而带动夹持臂(20)作俯仰运动。
6.根据权利要求5所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述龙门架推进电机 (16)驱动水平进退滑块座(24)沿水平承载滑轨(19)作进退平移运动采用链式传动方式， 所述龙门架推进电机(16)驱动主动链轮转动，链条绕在主动链轮上，所述链条还绕过设置于所述机架本体(1)上的从动链轮，所述水平进退滑块座(24)固定连接在所述链条上；所述夹持臂升降电机(14)驱动升降滑块(26)沿线性升降导轨(25)作升降运动采用链式传动方式，所述夹持臂升降电机(14)驱动主动链轮(32)转动，链条(31)绕在主动链轮 (32)上，所述链条(31)还绕过固定设置于所述龙门架(22)上的从动链轮(30)，所述升降滑块(26)固定连接在所述链条(31)上；所述夹持臂开合电机(15 )驱动悬臂座滑块(28 )沿水平悬臂座滑轨(27 )作开合平移运动采用齿形带传动方式，所述龙门架推进电机(16)驱动主动带轮转动，所述齿形带还绕过设置于所述龙门架(22)上的从动带轮，所述悬臂座滑块(28)固定连接在所述齿形带上；所述夹持臂俯仰电机(17)驱动夹持臂(20)沿悬臂座轴板(29)所在的平面内作俯仰运动采用齿轮传动方式，所述夹持臂俯仰电机(17)驱动主动齿轮(12)转动，所述悬臂座轴板 (29)上设有与所述主动齿轮(12)相啮合的从动齿轮(13)，所述从动齿轮(13)的传动输出轴与所述悬臂座轴板(29)的短轴同轴刚性连接。
7.根据权利要求4所述的智能树干涂白机器人，其特征在于安装于所述自动涂白执行系统上的所述输送导管(9)部分形成刚性的夹持臂(20)，所述夹持臂(20)为刚性悬臂管。
8.根据权利要求4所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述PLC(37)与触摸屏信号连接，PLC (37)接收来自所述触摸屏的控制指令信号的输入；所述智能树干涂白机器人外联监控中心系统，所述监控中心系统为远端PC (40)，所述 PLC (37)通过无线RS232串口模块(39)与所述远端PC (40)相连接；根据权利要求4或8所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述石灰浆储存箱(7) 内设有过滤网和搅拌器，所述过滤网安装于所述石灰浆储存箱(7)之内，所述搅拌器安装于所述灰浆储存箱(7)的上方，所述搅拌器的转轴与专用电机的输出轴紧固联接，所述PLC (37)通过向专用电机发出指令驱动搅拌器的转轴旋转，所述搅拌器和所述灰浆储存箱(7) 与所述输送导管(9)的连接的出口分别位于所述过滤网的两侧。
9.根据权利要求9所述的智能树干涂白机器人，其特征在于所述石灰浆储存箱(7) 由上下两个腔室构成，其中上部腔室为石灰储存箱，其中下部腔室为水储存箱，所述水储存箱通过水泵和输水管与所述石灰储存箱连通，所述水泵通过电机驱动向所述石灰储存箱内供水。
全文摘要
本发明公开了一种智能树干涂白机器人，属于城市及园林绿化专用设备相关领域。智能树干涂白机器人包括机架系统、机器人行走系统、石灰浆供应系统、自动涂白执行系统、实时检测系统，采用喷涂方式对树干进行涂白，该机器人可以自动沿着人行道行走，并对人行道树木进行快速、高效地喷涂石灰溶液。在实时检测系统中采用了数字罗盘、激光传感器及视觉系统来实现树干的半自动搜索以及树干自动定位，并采用超声波传感器实现自动避障，并实现以PC机和PLC进行全程实时监控。本发明智能树干涂白机器人节省涂料、更加优化涂刷效果，使机器人全自动地沿着人行道对树木进行涂白工作，在提高了工作效率的同时，节省劳动力，实现智能控制和绿色环卫的目标。
文档编号B05B13/04GK102151634SQ20111004890
公开日2011年8月17日 申请日期2011年3月2日 优先权日2011年3月2日
发明者李喆, 李居峰, 杨浩 申请人:上海大学