劉 力

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州 213164)

0 引言

隨著園林藝術(shù)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步,多樣化的割草修整機(jī)器不斷涌現(xiàn)。在戶外智能移動機(jī)器人產(chǎn)業(yè),個性化的割草機(jī)器人的出現(xiàn)大大降低了人工勞動力,提升了作業(yè)效率。近年來,機(jī)器人的設(shè)計融合了先進(jìn)的計算機(jī)控制技術(shù)、抗干擾技術(shù)及行為分析原理等,相關(guān)學(xué)者采用先進(jìn)的傳感識別與控制方法和核心控制算法,致力于研究其內(nèi)部控制結(jié)構(gòu)及行為規(guī)劃策略,但針對其外觀設(shè)計研究較少。為此,筆者在借鑒相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上,從采摘機(jī)器人的外觀協(xié)調(diào)性與合理性角度進(jìn)行設(shè)計研究。

1 工作原理及組成

個性化割草機(jī)器人的工作原理源于傳統(tǒng)的割草機(jī)器。圖1為目前國內(nèi)外常見的個性化割草機(jī)器人外觀簡圖,其特點在于將人工控制代替為電源驅(qū)動,各執(zhí)行部件在相互協(xié)調(diào)配合下實現(xiàn)自動化、智能化的割草作業(yè)。表1為個性化割草機(jī)器人核心部件及參數(shù)列表。其中,電子籬笆長度主要實現(xiàn)工作區(qū)域與邊界區(qū)域的識別與控制行程控制。

結(jié)合割草機(jī)器人的工作原理及核心部件參數(shù),繪制如圖2所示的個性化割草機(jī)器人作業(yè)運動原理簡圖。

表1 個性化割草機(jī)器人核心部件及參數(shù)

圖2 個性化割草機(jī)器人作業(yè)運動原理示意圖

圖2中,以逆時針方向為正,進(jìn)行行走和割草作業(yè),可得出如下運動關(guān)系,即

(1)

(2)

(3)

式中R(θ)—割草機(jī)器人轉(zhuǎn)向系統(tǒng)矩陣;

P0i—割草機(jī)器人各個輪軸的中心位置向量;

L—割草機(jī)器人驅(qū)動機(jī)構(gòu)至中心的距離;

Di—割草機(jī)器人直流電機(jī)驅(qū)動方向位置向量。

2 外觀設(shè)計分析

2.1 理論模型建立

針對個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計要求,進(jìn)行結(jié)構(gòu)及外觀信息捕捉。考慮各割草作業(yè)環(huán)境的多變性因素,通過圖像處理關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行場景渲染,實現(xiàn)割草機(jī)器人個性化外觀建模,如圖3所示。以加權(quán)平均算法為理念,得出外觀圖像F設(shè)計理論模型為

F(m,n)=ω1A(m,n)+ω2B(m,n)

(4)

式中m—割草機(jī)器人個性化外觀圖像處理像素行序列;

n—割草機(jī)器人個性化外觀圖像處理像素列序列;

ω—割草機(jī)器人個性化外觀圖像處理加權(quán)系數(shù)。

進(jìn)一步采用圖像轉(zhuǎn)換的INS、GRB-HIS方法,其整機(jī)結(jié)構(gòu)模型融入到個性化割草機(jī)器人的外觀設(shè)計考慮因素,且同時進(jìn)行外觀顯示質(zhì)量檢測環(huán)節(jié),最終得到外觀圖像的協(xié)調(diào)性理論模型為

(5)

(6)

式中V1、V2—選定坐標(biāo)系下的橫、縱軸;

I—外觀顯示亮度,選定坐標(biāo)系下的z軸;

H—外觀顯示色度;

S—外觀顯示飽和度;

R、G、B—外觀顯示基礎(chǔ)顏色色域。

圖3 個性化割草機(jī)器人圖像處理與外觀設(shè)計框圖

2.2 結(jié)構(gòu)模型建立

個性化割草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)模型建立合理與科學(xué)是進(jìn)行外觀設(shè)計的必要前提。圖4為該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及控制簡圖,主要基于多傳感控制系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)三大模塊及感應(yīng)、處理、控制驅(qū)動目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計布局,還包含附屬的邊界檢測、復(fù)位指令、實時顯示、無線通信等功能實現(xiàn)。

圖4 個性化割草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成及控制簡圖

針對該割草機(jī)器人的作業(yè)環(huán)節(jié),其具體作業(yè)行為功能分配如表2所示。路徑的識別與避障是割草機(jī)器人感知的主要功能,定位、邊界識別與轉(zhuǎn)向控制則共同構(gòu)成了個性化割草機(jī)器人的內(nèi)部動作感知;進(jìn)行割草作業(yè)環(huán)節(jié)則由割草動作執(zhí)行部件完成,包含識別作業(yè)區(qū)域與邊界區(qū)域的準(zhǔn)確度策劃。

表2 個性化割草機(jī)器人作業(yè)行為功能分配

2.3 結(jié)構(gòu)與外觀協(xié)調(diào)分析

結(jié)構(gòu)與外觀的協(xié)調(diào)性分析可實現(xiàn)割草機(jī)器人的個性化與智能化設(shè)計,外觀的形象設(shè)計常規(guī)應(yīng)預(yù)先在專業(yè)軟件中模擬處理。割草機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計模型主要從工藝與尺寸的角度出發(fā),為得到最優(yōu)化的設(shè)計配置,對于已生成的結(jié)構(gòu)模型文件格式轉(zhuǎn)換須考慮在內(nèi)。據(jù)此設(shè)計出基于協(xié)調(diào)性的個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計流程(見圖5),將割草機(jī)器人的前結(jié)構(gòu)模型按照一定規(guī)則導(dǎo)出為外觀設(shè)計模型,進(jìn)行結(jié)構(gòu)模型與設(shè)計模型的互為調(diào)整,最終通過一定的比例核心控制算法程序整合為個性化割草機(jī)器人協(xié)調(diào)性的外觀模型。

圖5 基于協(xié)調(diào)性的個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計流程簡圖

結(jié)構(gòu)與外觀的轉(zhuǎn)換與協(xié)調(diào),關(guān)鍵在于進(jìn)行設(shè)計的處理方法與步驟的選取,具體內(nèi)部設(shè)計處理流程如圖6所示。割草機(jī)器人的外部結(jié)構(gòu)與設(shè)計快速成型基于STL模型和相應(yīng)的達(dá)標(biāo)分析過程共同實現(xiàn),從點云的前期處理、數(shù)據(jù)采集達(dá)到割草機(jī)器人的曲面造型設(shè)計,根據(jù)后臺輸入運行的三維設(shè)計程序可得出可視化的三維實體造型,實現(xiàn)直觀觀察比例協(xié)調(diào)性、構(gòu)件布局合理性目標(biāo)。

外觀設(shè)計環(huán)節(jié)中,依次進(jìn)行特征輪廓線的形成、外觀尺寸比例的放縮變形處理、細(xì)化節(jié)點、拐點的圖像顯示等,得出個性化割草機(jī)器人的整體三維外觀模型。此處經(jīng)正側(cè)曲線擬合處理,給出該割草機(jī)器人的外形輪廓程序指令片段如下:

…

common ppiuor line spots( )

{

ppiuor ps=fresh ppiuor( );

for(integer i=0; i

{

integer k=1;

integer targain, targain0;

Do

{

targain=k*enwordr W+i;

targain0= targain- enwordr W;

k++;

}

when (arith.abs(dig Dst[targain]- dig Dst[targain0]

if(k== enwordr H) carry on;

rest{needle p=fresh needle(i,k);

ps.plus(p);}

}

setting ps;

}

…

圖6 個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計主要處理流程

3 外觀設(shè)計試驗

3.1 條件設(shè)置

進(jìn)行個性化割草機(jī)器人設(shè)計試驗,以人性化和可操作性為目標(biāo),進(jìn)行信號參數(shù)設(shè)置(見表3),主要實現(xiàn)TAP控制器的選擇、測試、復(fù)位等。同時,設(shè)置主要試驗條件:①建模符合實際結(jié)構(gòu)尺寸;②曲面造型特征線提取連續(xù)平滑;③結(jié)構(gòu)與外觀設(shè)計銜接符合功能要求等。

表3 個性化割草機(jī)器人結(jié)構(gòu)與外觀協(xié)調(diào)性設(shè)計試驗信號參數(shù)設(shè)置

3.2 過程分析

對試驗數(shù)據(jù)相應(yīng)處理換算后,得到如表4所示的效果評價表。由表4可知:整體測試運行效率較外觀設(shè)計優(yōu)化前提升2.8%以上。同時,個性化割草機(jī)器人的整機(jī)設(shè)計約為6周條件下,其結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)性保持在89.4%以上,此時整機(jī)的外觀設(shè)計滿意度保持在91.5%以上,設(shè)計合理有效。

圖7 個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計試驗過程操作步驟實現(xiàn)圖

個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計試驗后,得出如圖7所示的實現(xiàn)設(shè)計外觀的標(biāo)準(zhǔn)化操作步驟。該步驟整體分為單幅點云處理、多幅云處理、多邊形處理及曲面處理4個階段,每個階段可具體細(xì)化,最終經(jīng)刪除、修改、修補(bǔ)、構(gòu)建、擬合后得到用戶滿意度較高的個性化割草機(jī)器人設(shè)計外型。

表4 個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計試驗效果評價

4 結(jié)論

1) 通過理解割草機(jī)器人的工作原理及部件組成,分析結(jié)構(gòu)設(shè)計模型與外觀設(shè)計模型之間協(xié)調(diào)性關(guān)系,并利用圖像處理融合技術(shù)進(jìn)行個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計試驗。

2) 試驗結(jié)果顯示。個性化割草機(jī)器人的整機(jī)設(shè)計約為6周條件下,整體測試運行效率較外觀設(shè)計優(yōu)化前提升2.8%以上,設(shè)計合理。

3) 經(jīng)個性化割草機(jī)器人外觀設(shè)計研究,得出進(jìn)行外觀設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化操作步驟,提升了割草機(jī)器人外型整機(jī)滿意度,且穩(wěn)定在91.5%以上。