張春龍 李德程 張順路 稅 勇 譚豫之 李 偉

(中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 北京 100083)

0 引言

天然橡膠是一種不可或缺的工業(yè)原料和戰(zhàn)略物資[1]，對橡膠樹進(jìn)行割膠操作是獲取天然橡膠最主要的手段[2]。割膠是生產(chǎn)橡膠的中心環(huán)節(jié)和關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)，對勞動者的體能和技術(shù)要求較高，其勞動投入約占整個天然橡膠生產(chǎn)的70%[3]。近年來，勞動力成本迅速增長，天然橡膠價格持續(xù)低迷，加之割膠工作環(huán)境差，導(dǎo)致國內(nèi)膠工短缺與老齡化現(xiàn)象嚴(yán)重，膠園棄管、棄割面積增大，天然橡膠供需矛盾進(jìn)一步加劇[4]。因此，實現(xiàn)自動化割膠對我國乃至世界天然橡膠產(chǎn)業(yè)具有重要意義。

20世紀(jì)70、80年代，美國和馬來西亞都對機(jī)械化割膠進(jìn)行過研究，并分別研制了樣機(jī)進(jìn)行田間試驗，但因當(dāng)時社會需求不強(qiáng)以及相關(guān)技術(shù)不成熟而未能推廣使用[5-8]。近年來，世界各植膠區(qū)均投入大量人力物力研發(fā)自動化割膠設(shè)備。按其工作形式主要分為便攜式電動割膠刀[9-10]和固定式自動割膠機(jī)[11-12]兩種，需要同時對割膠路徑、割膠深度、耗皮量進(jìn)行控制[13]。便攜式割膠刀利于膠工手持操作，一臺機(jī)器可針對多棵橡膠樹作業(yè)，以電機(jī)代替人力能夠提高割膠效率，但割膠時膠工的參與度依然很高。固定式割膠機(jī)需固定在橡膠樹上，自動化程度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本也高，接觸式仿形容易出現(xiàn)卡頓和傷樹現(xiàn)象。

三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)控制簡單，精度易于保證，在對自由曲面的測量與加工中均有廣泛應(yīng)用[14-16]。本文通過結(jié)合三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)和激光測距傳感器，先對橡膠樹已割面進(jìn)行測量，在獲取已割面進(jìn)刀深度信息的基礎(chǔ)上，規(guī)劃割刀運(yùn)動路徑，通過三坐標(biāo)聯(lián)動實現(xiàn)自動化割膠。同時，針對研制的割膠裝置樣機(jī)進(jìn)行試驗驗證。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 割膠要求

割膠是指采用特制的工具從橡膠樹樹干割口處切割樹皮使膠乳從割口處流出以獲取橡膠的操作[17]。割膠后形成一段近似圓柱螺旋線的割線，割線傾斜度即為螺旋升角。陽刀割膠時，其傾斜度為25°～30°，陰刀割膠時，其傾斜度為40°～45°。陽刀割膠后的橡膠樹如圖1所示。

割膠操作過程中需保證沿樹干徑向的割膠深度和沿樹干軸向的樹皮消耗量(簡稱耗皮量)2個指標(biāo)在合適范圍內(nèi)。割膠深度是指割膠時割去樹皮的內(nèi)切口與形成層的距離，常規(guī)割膠時為1.2～1.8 mm，如圖2a所示。耗皮量是指每割一刀切割樹皮的厚度，不同的割膠制度對應(yīng)不同厚度，一般為1.0～2.1 mm，如圖2b所示。

圖1 割膠后的橡膠樹Fig.1 Rubber tree after tapping1.割線 2.割線傾斜度 3.待割面 4.膠碗 5.膠乳 6.膠舌 7.水線 8.割口 9.已割面

圖2 割膠深度與耗皮量Fig.2 Cutting depth and bark consumption1.割口 2.內(nèi)切口 3.形成層 4.木質(zhì)部

圖3 割膠裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of rubber tapping device1.Y軸 2、5、9.X、Z、Y限位開關(guān) 3.X軸 4.Z1軸 6.振動割刀 7.激光測距傳感器 8.安裝板 10.Z2軸 11.絲杠滑塊

1.2 整機(jī)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的割膠裝置主要由三坐標(biāo)平臺、振動割刀及激光測距傳感器組成，如圖3所示。三坐標(biāo)平臺由4個直線模組搭建成龍門形式，并在各模組端點安裝有限位開關(guān)，以設(shè)定各坐標(biāo)軸原點。振動割刀通過安裝板與Y軸絲杠滑塊連接，激光測距傳感器安裝在安裝板側(cè)面。

設(shè)定割膠運(yùn)動坐標(biāo)系各軸與三坐標(biāo)平臺各軸平行且方向相同，振動割刀位于初始位置時(即各軸絲杠滑塊位于限位開關(guān)處)，刀尖為割膠運(yùn)動坐標(biāo)原點。

1.3 工作原理

參照人工割膠，自動化割膠需要實現(xiàn)兩個基本功能：一是控制割刀(刀尖)沿不規(guī)則空間曲線運(yùn)動，在對已割面仿形的基礎(chǔ)上控制割膠深度和耗皮量，即控制割膠路徑；二是在割刀運(yùn)動過程中完成樹皮的切割。本文設(shè)計的割膠裝置在激光測距傳感器獲取進(jìn)刀深度信息實現(xiàn)已割面仿形的基礎(chǔ)上規(guī)劃出割刀運(yùn)動路徑，再通過控制三坐標(biāo)平臺聯(lián)動使割刀沿規(guī)劃路徑運(yùn)動，實現(xiàn)控制割膠路徑；通過振動割刀做直線往復(fù)切割動作實現(xiàn)樹皮切割。

將刀尖做不規(guī)則空間曲線運(yùn)動的路徑定義為目標(biāo)路徑，當(dāng)采用1/2樹周割線長度割膠時，其形態(tài)近似一段圓柱螺旋曲線。近年來，隨著乙烯利等刺激劑的使用，在提高割膠效率的同時，割線長度也呈縮短趨勢[18-19]。本文設(shè)計的割膠裝置采用短割線制度，此時目標(biāo)路徑在割膠運(yùn)動坐標(biāo)系中的投影如圖4所示。

圖4 目標(biāo)路徑分析Fig.4 Analysis of target path

由圖4可知，目標(biāo)路徑在XOY平面內(nèi)的投影可近似為一條傾斜的線段，在XOZ平面內(nèi)的投影為一條不規(guī)則的圓弧。因此，可將振動割刀的運(yùn)動分解為XOY平面內(nèi)的斜線運(yùn)動和XOZ平面內(nèi)的不規(guī)則圓弧曲線運(yùn)動。

三坐標(biāo)平臺各直線模組均可由電機(jī)控制實現(xiàn)雙向直線運(yùn)動，通過合成X軸和Y軸運(yùn)動可實現(xiàn)XOY平面內(nèi)的斜線運(yùn)動，合成X軸和Z軸運(yùn)動可實現(xiàn)XOZ平面內(nèi)的不規(guī)則圓弧曲線運(yùn)動。因此，以X軸運(yùn)動為基準(zhǔn)的三軸聯(lián)動可實現(xiàn)振動割刀的不規(guī)則空間曲線運(yùn)動。

振動割刀切割樹皮原理如圖5所示。被切割之前，切屑通過徑向結(jié)合面和軸向結(jié)合面與橡膠樹聯(lián)結(jié)，需要同時切割2個結(jié)合面才能將切屑從橡膠樹分離。振動割刀主要工作件為上下相貼的上刀片和下刀片，上刀片固定于割刀基座，下刀片通過電機(jī)帶動偏心凸輪在其內(nèi)框中轉(zhuǎn)動而做直線往復(fù)動作。三坐標(biāo)平臺帶動振動割刀沿目標(biāo)路徑運(yùn)動時，上刀片軸向刃切割軸向結(jié)合面，下刀片徑向刃切割徑向結(jié)合面，從而完成樹皮的切割。

圖5 振動割刀切割原理圖Fig.5 Cutting principle of vibrating knife1.徑向刃 2.刀尖 3.軸向刃 4.徑向結(jié)合面 5.切屑截面 6.軸向結(jié)合面 7.基座 8.電機(jī) 9.偏心凸輪 10.上刀片 11.下刀片

2 基于激光測距的割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃

割膠深度是割膠作業(yè)中最為關(guān)鍵的評價指標(biāo)，而進(jìn)刀深度信息測量精度直接決定了割膠裝置對割膠深度的控制效果。激光測距技術(shù)在農(nóng)業(yè)應(yīng)用中具有非接觸、高精度的優(yōu)勢[20-23]，其精度往往能夠達(dá)到0.1 mm以上，完全滿足割膠作業(yè)要求。為避免振動割刀工作時的高頻振動對激光測距精度產(chǎn)生影響，本文采取先獲取進(jìn)刀深度信息，規(guī)劃好割刀運(yùn)動路徑后，最后通過三坐標(biāo)聯(lián)動實現(xiàn)割膠動作。

割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃前，需由熟練膠工完成橡膠樹開割作業(yè)并割膠至形成可參考的已割面。割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃分為3個階段，分別是參考割線選取、深度信息測量和運(yùn)動路徑生成。

2.1 參考割線選取

由于割膠裝置采用短割線方式割膠，因此需從人工割線中選取一段作為參照，選取的割線段即參考割線。目標(biāo)路徑的傾斜度及位置由參考割線決定，因此需確定參考割線的起始點(M)和終止點(N)在割膠運(yùn)動坐標(biāo)系XOY平面內(nèi)的坐標(biāo)，如圖6a所示。

圖6 割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃Fig.6 Motion path planning of cutting knife1.橡膠樹 2.已割面 3.割線 4.待割面 5.割口 6.振動割刀 7.激光測距傳感器 8.進(jìn)刀深度信息測量點 9.目標(biāo)路徑確定點

通過控制三坐標(biāo)平臺聯(lián)動，使激光測距原點(初始位置為P0，坐標(biāo)已知)按照圖中綠色虛線所示路徑運(yùn)動，即P0→B0→B1→B2→B3→P0，并持續(xù)獲取測距原點到橡膠樹表面相應(yīng)點的距離。當(dāng)照射在橡膠樹表面的激光點經(jīng)過M和N時，由于已割面和待割面在Z方向存在高度差Δh，因而測距模塊測距值發(fā)生突變。利用測距值突變特性，可間接計算出h1和h2，進(jìn)而確定M和N在XOY平面內(nèi)的坐標(biāo)。

2.2 進(jìn)刀深度信息激光測量

進(jìn)刀深度信息的激光測量過程如圖6b所示。通過控制三坐標(biāo)平臺聯(lián)動，使激光測距原點按照圖中藍(lán)色虛線路徑運(yùn)動，即P0→C0→C1→C2→C3→C4→P0，其中C1、C2分別與M、N在OY方向的距離為j(10 mm)。當(dāng)照射在橡膠樹表面的激光點經(jīng)過C1→C2段時，在X方向每間隔距離k，獲取激光測距原點到進(jìn)刀深度信息測量點之間的距離d。d減去刀尖到激光測距原點的距離即為進(jìn)刀深度信息測量點在Z方向的坐標(biāo)D，結(jié)合已確定的X、Y軸坐標(biāo)值即得到測量點三維坐標(biāo)。

2.3 割刀運(yùn)動路徑生成

割刀運(yùn)動路徑生成過程中，將已確定三維坐標(biāo)的一系列進(jìn)刀深度信息測量點沿Y軸向下平移距離Δy，計算式為

Δy=j+b/cosθ

(1)

其中

j=10 mm

式中b——耗皮量，mm

θ——參考割線傾斜度，(°)

通過坐標(biāo)變換，得到目標(biāo)路徑上一系列確定點，如圖6c所示。以直線依次連接目標(biāo)路徑上確定點得到割刀運(yùn)動規(guī)劃路徑，即紅色虛線路徑T0→T1→T2→T3→T0。

割膠裝置割膠時，通過控制三坐標(biāo)平臺運(yùn)動，使刀尖(初始位置為T0，與割膠運(yùn)動坐標(biāo)系原點O重合)按照規(guī)劃路徑運(yùn)動，并在經(jīng)過路徑T1→T2段時切割樹皮，從而完成一次割膠操作。當(dāng)割膠裝置與橡膠樹位置關(guān)系保持不變時，將本次割膠規(guī)劃路徑T1→T2段向Y軸負(fù)方向平移距離Δy′，計算式為

Δy′=b/cosθ

(2)

通過坐標(biāo)變換后，可得到下一次割膠割刀運(yùn)動路徑。

3 深度信息激光測量點數(shù)優(yōu)化

由于目標(biāo)路徑為曲線，依次連接目標(biāo)路徑確定點形成的折線(即規(guī)劃路徑)與目標(biāo)路徑之間存在進(jìn)刀深度誤差，誤差取決于深度信息激光測量點數(shù)。隨著測量點數(shù)的減少，進(jìn)刀深度誤差將會增大，難以達(dá)到割膠深度的精度要求；當(dāng)測量點數(shù)增加時，進(jìn)刀深度誤差減小，但信息采集效率降低，割膠控制難度增加。因此，需對深度信息激光測量點數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 進(jìn)刀深度誤差分析

將橡膠樹簡化為標(biāo)準(zhǔn)圓柱體，在XOZ平面內(nèi)，用直線替代目標(biāo)路徑相鄰確定點間的圓弧，將在徑向產(chǎn)生誤差e，如圖7所示。由圖7b中幾何關(guān)系可求得進(jìn)刀深度誤差為

(3)

式中r——橡膠樹干截面半徑，mm

l——相鄰確定點間弦長，mm

圖7 進(jìn)刀深度誤差分析Fig.7 Error analysis of cutting depth

令e=f(r)，并對r求導(dǎo)得

(4)

由式(4)可知，f′(r)恒小于0，且當(dāng)l不變時，誤差e隨著r增大而減小。由于橡膠樹干截面半徑隨樹齡增加而增大，且橡膠樹開割樹圍為50 cm[17]，此時橡膠樹半徑處于最小值(約80 mm)，對進(jìn)刀深度誤差影響最大。

同理，令e=f(l)，并對l求導(dǎo)得

(5)

由式(5)可知，f′(l)恒大于0，且當(dāng)r不變時，誤差e隨著l增大而增大。

3.2 激光測量點數(shù)優(yōu)化

當(dāng)橡膠樹干截面半徑r和目標(biāo)路徑在X方向長度s不變時，深度信息激光測量點數(shù)直接決定l，而測量點數(shù)由相鄰確定點在X方向間距k決定。

由前文深度信息采集過程可知，深度信息激光測量點在X方向等間距分布。因此，對目標(biāo)路徑整體而言，處于路徑兩端的相鄰確定點間弦長最長，且此時弦長l隨k增大而增大，如圖7a所示。由幾何關(guān)系可得

(6)

將式(6)代入式(3)可得

(7)

三坐標(biāo)聯(lián)動割膠裝置作業(yè)時，目標(biāo)路徑在X方向長度s設(shè)定為80 mm，為求取此時最大進(jìn)刀深度誤差，將橡膠樹半徑r設(shè)定為80 mm，由式(7)得到不同測量點數(shù)下的進(jìn)刀深度誤差e，見表1。

表1 不同激光測量點數(shù)下的進(jìn)刀深度誤差Tab.1 Cutting depth errors in different numbers of detection

由表1可知，當(dāng)橡膠樹干截面半徑和目標(biāo)路徑在X方向長度不變時，進(jìn)刀深度誤差隨測量點數(shù)增加而減小。當(dāng)激光測量點數(shù)為17時(k=5 mm)，進(jìn)刀深度誤差為0.05 mm，該誤差與選用的三坐標(biāo)平臺單軸定位精度(±0.05 mm)及激光測距傳感器測量精度(0.07 mm)處于同一水平。因此，當(dāng)s=80 mm時，進(jìn)刀深度信息激光測量點數(shù)設(shè)為17比較合理。

4 試驗

4.1 試驗材料與設(shè)備

為驗證基于激光測距的割膠裝置實際割膠效果，采用如圖8所示的裝置進(jìn)行割膠試驗。割膠裝置樣機(jī)X、Y、Z軸有效行程分別為180、100、50 mm，單軸直線模組定位精度為±0.05 mm，激光測距傳感器測量精度為0.07 mm。試驗所用橡膠樹截取于海南省儋州市橡膠林(試驗時為樹干截取后第4天)，樹干總高度1 450 mm，樹干截面直徑約170 mm，切割樹皮為原生皮。

圖8 試驗裝置Fig.8 Experimental device1.控制系統(tǒng) 2.割膠裝置 3.橡膠樹 4.電源

4.2 試驗方法

試驗時，采用陽刀割膠方法，設(shè)定人工割線傾斜度為25°。割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃過程中，目標(biāo)路徑在割膠運(yùn)動坐標(biāo)系X方向長度設(shè)為80 mm，深度信息測量點數(shù)設(shè)為17，耗皮量設(shè)為1.0 mm。連續(xù)進(jìn)行了15次割膠操作，實際割膠效果如圖9所示。

圖9 試驗效果Fig.9 Experimental effect1.終止點 2.人工已割面 3.起始點 4.分界線 5.割膠裝置已割面 6.割口

試驗每執(zhí)行5次割膠操作，測定相應(yīng)割膠深度和實際耗皮量。割膠深度測量方法如圖10所示，使用測皮器(割膠行業(yè)用于測量割膠深度的工具，測量精度為0.5 mm)沿著割線，每隔1 cm測量一次。耗皮量測量方法如圖11所示，測量尺測量精度為0.5 mm(前端)。

圖10 割膠深度測量Fig.10 Measurement of cutting depths

圖11 耗皮量測量Fig.11 Measurement of bark consumption

4.3 試驗結(jié)果分析

割膠深度測量結(jié)果如圖12所示，前6個測量點割膠裝置割膠深度與人工割膠深度基本一致，第7、8個測量點割膠裝置割膠深度略大于人工割膠深度?？傮w而言，割膠裝置割膠后形成的割膠深度基本控制在1.2～1.8 mm，超出部分小于0.5 mm(第7、8個點)，未出現(xiàn)傷樹現(xiàn)象，可以滿足割膠要求。

實際耗皮量測量結(jié)果見表2，15次割膠操作平均耗皮量為0.95 mm，耗皮量控制誤差為5%。

圖12 割膠深度測量結(jié)果Fig.12 Measurement results of cutting depths

試驗組號割膠次數(shù)總耗皮量/mm平均耗皮量/mm154.80.962109.60.9631514.30.95

5 結(jié)論

(1)設(shè)計了基于激光測距的三坐標(biāo)聯(lián)動割膠裝置。在人工割膠的基礎(chǔ)上，選取一段割線及已割面作為參考，通過激光測距實現(xiàn)已割面非接觸式測量仿形，通過控制三坐標(biāo)平臺聯(lián)動實現(xiàn)割刀按激光測定的空間曲線路徑運(yùn)動，并通過割刀做直線往復(fù)動作切割樹皮。

(2)提出了割刀運(yùn)動路徑規(guī)劃方法，其中包括參考割線選取、深度信息激光測量和運(yùn)動路徑生成。并對深度信息激光測量點數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，當(dāng)目標(biāo)路徑在割膠運(yùn)動坐標(biāo)系X方向長度為80 mm時，進(jìn)刀深度信息測量點數(shù)設(shè)為17比較合理。

(3)采用單軸直線模組定位精度為±0.05 mm的三坐標(biāo)平臺、測量精度為0.07 mm的激光測距傳感器進(jìn)行了割膠試驗。在設(shè)定耗皮量為1.0 mm時，連續(xù)進(jìn)行15次割膠操作，割膠深度控制良好，未出現(xiàn)傷樹現(xiàn)象，耗皮量控制誤差為5%，可以滿足割膠要求。