CN105373050A - 一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法，包括视频图像采集单元和控制单元。所述的视频图像采集单元用于拍摄高大树木树枝视频图像，并传送至工业平板电脑。所述的控制单元根据视频图像采集单元拍摄的视频图像，操作人员通过视频图像确定修枝锯与树枝相对位置，控制修枝锯完成修枝工作。所述的视频图像采集单元包括数字无线摄像头和USB数字无线接收器。所述的控制单元包括触屏式工业平板电脑模块、升降台控制模块、转盘控制模块、机械臂控制模块和修枝锯控制模块。本发明采用无线视频图像系统和工业平板电脑控制，自动化程度、可靠性和安全性高，操作人员依据视频图像，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝机末端修枝锯前后、左右、上下运动，完成高大树木的修枝工作。

Description

一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法，属于林业机械领域。

技术背景

树木修枝是林业生产中的一项重要工作，而高大树木修枝在林业生产管理中占有非常大的比例。高大树木修枝方式主要分为两种：一种是单枝选择修枝，主要对树木枯死枝、病虫害枝、障碍枝、风折枝进行修剪；一种是整形修剪，主要对主干中下部所有分枝进行修剪。目前，我国高大树木种植面积不断扩大，但修枝技术落后，机械化、自动化程度低。

目前，高大树木常用修枝机械有手持式、车载式等多种形式。手持式修枝工具主要是伸缩高枝锯，对常用手锯进行改良的基础上，安装有伸缩功能的工作杆，使用简单，造价低廉，但是其修枝高度只有2～4米左右，存在夹锯、断锯等问题，机械化程度不高。车载式修枝机主要是折臂式或伸缩臂式高空作业车，依靠作业车将操作员抬升到树枝周围，进行人工修枝作业，存在安全性差、劳动强度大、自动化程度低等问题。

针对高大树木修枝机械臂械存在自动化、智能化程度低，大树修枝机械尚处空白等问题，急需发明一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法，完成高大树木的修枝工作。

发明内容

为了解决高大树木修枝问题，本发明提供了一种高大树木修枝机械臂的控制装置及控制方法，使操作人员依据视频图像，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝机末端修枝锯前后、左右、上下运动，以完成高大树木的修枝工作。

本发明采用的技术方案：

一种高大树木修枝机械臂的控制装置，包括视频图像采集单元和控制单元。所述的视频图像采集单元用于拍摄高大树木树枝视频图像，并传送至工业平板电脑。所述的控制单元根据视频图像采集单元拍摄的视频图像，操作人员通过视频图像确定修枝锯与树枝相对位置，控制修枝锯完成修枝工作。

所述的视频图像采集单元包括数字无线摄像头和USB数字无线接收器。所述的数字无线摄像头固定在修枝锯前端进行拍摄，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器。所述的USB数字无线接收器通过USB接口安装在工业平板电脑上，接收数字无线摄像头拍摄的视频图像，并在工业平板电脑上显示视频图像。

所述的控制单元包括触屏式工业平板电脑模块、升降台控制模块、转盘控制模块、机械臂控制模块和修枝锯控制模块。所述的触屏式工业平板电脑模块用于显示视频图像，并通过RS485总线控制其它模块；所述的升降台控制模块包括升降台、升降台电磁换向阀和基于RS485总线升降台继电器；所述的升降台采用液压控制方式；所述的基于RS485总线的升降台继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接电磁换向阀，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器，控制电磁换向阀换向，实现升降台的上下运动；所述的转盘控制模块包括基于RS485总线的PWM发生器、步进电机控制器和步进电机；所述的步进电机控制器输出端通过控制线和信号线连接步进电机；所述的基于RS485总线的PWM发生器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端与步进电机控制器连接，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线配置基于RS485总线的PWM发生器，基于RS485总线的PWM发生器对步进电机控制器发出脉冲信号，通过步进电机控制器控制步进电机转动，实现转盘的旋转；所述的机械臂控制模块包括三个电动缸，每个电动缸由伺服电机驱动器、伺服电机和丝杠组成；所述的丝杠固定在伺服电机输出轴上；所述的伺服电机驱动器信号输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接伺服电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制伺服电机旋转，带动丝杠传动，实现机械臂的运动；所述的修枝锯控制模块包括修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机、径向推杆驱动电机和基于RS485总线的修枝锯继电器；所述的基于RS485总线的修枝锯继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，输出端分别连接修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，基于RS485总线的修枝锯继电器控制修枝锯驱动电机的启停、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机的启停和换向，实现修枝锯的启停、摆动推杆的摆动及径向推杆的伸缩，进行修枝工作。

本发明还提供了一种高大树木修枝机械臂的控制方法，包括如下步骤：

1)启动修枝机，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由原始位置运动到工作位置。

2)开启数字无线摄像头拍摄树枝图像，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器，并在工业平板电脑视频图像显示区域显示视频图像。

3)操作人员根据视频图像，操作工业平板电脑触摸屏，通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器、基于RS485总线的PWM发生器和伺服电机驱动器，根据修枝机的运动学逆解算法程序，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝锯的前、后、左、右、上、下运动，到达待修树枝位置。

4)操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，摆动推杆带动修枝锯运动到树枝底部，驱动径向推杆和修枝锯相互配合进行修枝作业。

5)完成作业后，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由工作位置运动到原始位置，关闭修枝机。

本发明的有益效果：

1、本发明采用工业平板电脑控制，自动化程度高，节省大量劳动力。

2、本发明采用无线视频图像系统，无需人工直接参与修枝，安全性高。

3、本发明采用RS485总线，通讯距离长，适合高大树木修枝作业。

4、本发明根据修枝机的运动学逆解算法程序，采用联动控制，工作效率高。

5、本发明结构简单，操作方便，适合在林间进行修枝作业。

附图说明

图1是本发明高大树木修枝机械臂控制结构的总体图；

图2是高大树木修枝机械臂控制结构的示意图；

图3是工业平板电脑工作界面图；

图4是高大树木修枝机械臂联动控制示意图；

图5是高大树木修枝机械臂上(下)运动控制示意图；

图6是高大树木修枝机械臂前(后)运动控制示意图；

图7是高大树木修枝机械臂左(右)运动控制示意图；

图8是高大树木修枝机械臂工作流程图；

具体实施方式：

下面结合附图对本发明专利进行进一步描述。本发明所述一种高大树木修枝机械臂控制装置及控制方法，如图1、2所示。一种高大树木修枝机械臂控制装置包括视频图像采集单元和控制单元。所述的视频图像采集单元包括数字无线摄像头和USB数字无线接收器。所述的数字无线摄像头固定在修枝锯前端进行拍摄，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器。所述的USB数字无线接收器通过USB接口安装在工业平板电脑上，接收数字无线摄像头拍摄的视频图像，并在工业平板电脑上显示视频图像。所述的控制单元包括触屏式工业平板电脑模块、升降台控制模块、转盘控制模块、机械臂控制模块和修枝锯控制模块。所述的触屏式工业平板电脑模块用于显示视频图像，并通过RS485总线控制其它模块；所述的升降台控制模块包括升降台、升降台电磁换向阀和基于RS485总线升降台继电器；所述的升降台采用液压控制方式；所述的基于RS485总线的升降台继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接电磁换向阀，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器，控制电磁换向阀换向，实现升降台的上下运动；所述的转盘控制模块包括基于RS485总线的PWM发生器、步进电机控制器和步进电机；所述的步进电机控制器输出端通过控制线和信号线连接步进电机；所述的基于RS485总线的PWM发生器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端与步进电机控制器连接，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线配置基于RS485总线的PWM发生器，基于RS485总线的PWM发生器对步进电机控制器发出脉冲信号，通过步进电机控制器控制步进电机转动，实现转盘的旋转；所述的机械臂控制模块包括三个电动缸，每个电动缸由伺服电机驱动器、伺服电机和丝杠组成；所述的丝杠固定在伺服电机输出轴上；所述的伺服电机驱动器信号输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接伺服电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制伺服电机旋转，带动丝杠传动，实现机械臂的运动；所述的修枝锯控制模块包括修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机、径向推杆驱动电机和基于RS485总线的修枝锯继电器；所述的基于RS485总线的修枝锯继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，输出端分别连接修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，基于RS485总线的修枝锯继电器控制修枝锯驱动电机的启停、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机的启停和换向，实现修枝锯的启停、摆动推杆的摆动及径向推杆的伸缩，进行修枝工作。

如图3所示，所述的触屏式工业平板电脑界面包括视频图像显示区域、联动控制区域、单步控制区域和修枝锯控制区域。所述的视频图像显示区域用于显示数字无线摄像头拍摄的视频图像，操作人员通过视频图像观察树枝位置，确定修枝锯的运动；所述的联动控制区域用于控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝机末端修枝锯的前、后、左、右、上、下运动；所述的单步控制区域单独控制转盘控制模块、机械臂控制模块和升降台控制模块，实现修枝机末端修枝锯运动；所述的修枝锯控制区域用于修枝作业，摆动推杆带动修枝锯运动到树枝底部，径向推杆和修枝锯相互配合进行修枝作业。

如图4所示，所述的高大树木修枝机械臂联动控制，根据修枝机的运动学逆解算法程序，计算出升降台的升降高度、步进电机和伺服电机的旋转角度，并通过RS485总线同时传输给基于RS485总线的升降台继电器、基于RS485总线的PWM发生器和伺服电机驱动器，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝机末端修枝锯的运动。

如图5所示，所述的高大树木修枝机械臂上下联动控制，实现修枝机末端修枝锯的上(下)运动。操作人员触摸工业平板电脑控制界面上(下)按钮，根据修枝机的运动学逆解算法程序，计算出电动缸的伸长量，工业平板电脑根据伸长量通过RS485总线控制电动缸伸长和收缩，超出修枝机末端修枝锯作业区域时启动升降台，配合电动缸的伸长和收缩，实现修枝机末端修枝锯上(下)运动，扩大修枝锯作业区域。

如图6所示，所述的高大树木修枝机械臂前后联动控制，实现修枝机末端修枝锯的前(后)运动。操作人员触摸工业平板电脑控制界面前(后)按钮，根据修枝机的运动学逆解算法程序，计算出电动缸的伸长量，工业平板电脑根据伸长量通过RS485总线控制电动缸伸长和收缩，实现修枝机末端修枝锯前(后)运动。

如图7所示，所述的高大树木修枝机械臂左右联动控制，实现修枝机末端修枝锯的左(右)运动。操作人员触摸工业平板电脑控制界面左(右)按钮，根据修枝机的运动学逆解算法程序，计算出步进电机旋转角度和电动缸的伸长量，工业平板电脑根据旋转角度和伸长量通过RS485总线控制步进电机和伺服电机，实现修枝机末端修枝锯左(右)运动。

如图8所示，一种高大树木修枝机械臂的控制方法，包括如下步骤：

1)启动修枝机，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由原始位置运动到工作位置。

2)开启数字无线摄像头拍摄树枝图像，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器，并在工业平板电脑视频图像显示区域显示视频图像。

3)操作人员根据视频图像，操作工业平板电脑触摸屏，通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器、基于RS485总线的PWM发生器和伺服电机驱动器，根据修枝机的运动学逆解算法程序，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝锯的前、后、左、右、上、下运动，到达待修树枝位置。

4)操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，摆动推杆带动修枝锯运动到树枝底部，驱动径向推杆和修枝锯相互配合进行修枝作业。

5)完成作业后，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由工作位置运动到原始位置，关闭修枝机。

Claims (2)

1.一种高大树木修枝机械臂的控制装置，其特征在于包括视频图像采集单元和控制单元；所述的视频图像采集单元用于拍摄高大树木树枝视频图像，并传送至工业平板电脑；所述的控制单元根据视频图像采集单元拍摄的视频图像，操作人员通过视频图像确定修枝锯与树枝相对位置，控制修枝锯完成修枝工作；

所述的视频图像采集单元包括数字无线摄像头和USB数字无线接收器；所述的数字无线摄像头固定在修枝锯前端进行拍摄，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器；所述的USB数字无线接收器通过USB接口安装在工业平板电脑上，接收数字无线摄像头拍摄的视频图像，并在工业平板电脑上显示视频图像；

所述的控制单元包括触屏式工业平板电脑模块、升降台控制模块、转盘控制模块、机械臂控制模块和修枝锯控制模块；所述的触屏式工业平板电脑模块用于显示视频图像，并通过RS485总线控制其它模块；所述的升降台控制模块包括升降台、升降台电磁换向阀和基于RS485总线升降台继电器；所述的升降台采用液压控制方式；所述的基于RS485总线的升降台继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接电磁换向阀，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器，控制电磁换向阀换向，实现升降台的上下运动；所述的转盘控制模块包括基于RS485总线的PWM发生器、步进电机控制器和步进电机；所述的步进电机控制器输出端通过控制线和信号线连接步进电机；所述的基于RS485总线的PWM发生器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端与步进电机控制器连接，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线配置基于RS485总线的PWM发生器，基于RS485总线的PWM发生器对步进电机控制器发出脉冲信号，通过步进电机控制器控制步进电机转动，实现转盘的旋转；所述的机械臂控制模块包括三个电动缸，每个电动缸由伺服电机驱动器、伺服电机和丝杠组成；所述的丝杠固定在伺服电机输出轴上；所述的伺服电机驱动器信号输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端连接伺服电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制伺服电机驱动器，伺服电机驱动器控制伺服电机旋转，带动丝杠传动，实现机械臂的运动；所述的修枝锯控制模块包括修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机、径向推杆驱动电机和基于RS485总线的修枝锯继电器；所述的基于RS485总线的修枝锯继电器输入端通过RS485总线与工业平板电脑相连，其输出端分别连接修枝锯驱动电机、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机，操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，基于RS485总线的修枝锯继电器控制修枝锯驱动电机的启停、摆动推杆驱动电机和径向推杆驱动电机的启停和换向，实现修枝锯的启停、摆动推杆的摆动及径向推杆的伸缩，进行修枝工作。

2.如权利要求1所述的一种高大树木修枝机械臂控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)启动修枝机，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由原始位置运动到工作位置；

2)开启数字无线摄像头拍摄树枝图像，将视频图像通过无线信号传送至USB数字无线接收器，并在工业平板电脑视频图像显示区域显示视频图像；

3)操作人员根据视频图像，操作工业平板电脑触摸屏，通过RS485总线控制基于RS485总线的升降台继电器、基于RS485总线的PWM发生器和伺服电机驱动器，根据修枝机的运动学逆解算法程序，控制机械臂、转盘与升降台的联动，实现修枝锯的前、后、左、右、上、下运动，到达待修树枝位置；

4)操作人员操作工业平板电脑通过RS485总线控制基于RS485总线的修枝锯继电器，摆动推杆带动修枝锯运动到树枝底部，驱动径向推杆和修枝锯相互配合进行修枝作业；

5)完成作业后，操作人员操作触屏式工业平板电脑，采用联动控制方式，控制修枝机由工作位置运动到原始位置，关闭修枝机。