路侧绿篱修剪机器人的设计与试验评估

摘要

【目的】绿篱修剪现有研究面临的主要难点是开发一种既能高效完成大规模基本形状修剪，又能精细处理复杂形状的机器人系统。针对此问题，本研究通过优化机械结构和控制系统，设计一种新型路侧绿篱修剪机器人，以提高道路两侧绿篱修剪质量并降低人工劳动强度。【方法】构建由6自由度SCARA机械臂、往复式剪切刀具及小型履带底盘组成的机器人系统，并对机械臂构型进行优化。控制系统采用“PC+运动控制卡”，开发基于C#的上位机软件用于机械臂轨迹规划。规划了直线、梯形和圆弧3种修剪路径，并进行修剪试验。设计了路径插值点间距和刀具移动速度的单因素试验，通过分析修剪后绿篱形状的误差来评估修剪精度。引入加权法构建综合评价函数，分析不同参数组合下的修剪效果，将修剪误差与作业时间作为指标进行量化评估，探索路径规划参数的最优组合。【结果】试验验证了该机器人在0.6～1.6 m高度、0.5～1.2 m横向范围内的修剪能力。路径插值点间距与刀具移动速度对修剪误差的影响显著。单因素试验结果表明，不同参数组合对修剪误差与作业时间均有影响。在设定范围内，直线绿篱在插值点间距200 mm、速度50 mm/s，梯形绿篱在间隔110 mm、速度45 mm/s，圆弧绿篱在间隔108 mm、速度45 mm/s时，综合评价函数值最小，修剪精度与作业效率表现最佳。【结论】本研究通过机械臂结构和控制系统的优化，成功开发了一种新型路侧绿篱修剪机器人，实现了高效与精细修剪的目标。研究结果验证了机器人在不同作业范围内的修剪能力，并明确了路径规划参数对修剪性能的影响，为绿篱修剪的自动化提供了技术支持。未来研究将进一步优化机器人性能，以适应更复杂的实际应用场景。

关键词

绿篱修剪 / 机器人 / 机械臂 / 控制系统 / 轨迹规划 / 综合评价函数

基金资助

广东省基础与应用基础研究基金区域联合基金项目（地区培育项目）（2022A1515140013）; 企业课题（2023HXKFGXY002）