仿生蠕虫爬树除虫机器的设计_许骏.pdf

MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师仿生蠕虫爬树除虫机器的设计许骏，吕黎曙，何健，黄贻程，肖宁（湖南科技大学 机电工程学院，湖南 湘潭 411201）0引言随着工业逐步发展，温室效应的出现，人们的环保意识逐渐提高，我国林业产业和城市绿化树木数量有了显著的发展和提高，但林木害虫也随之大幅度增加，给树木的生长造成了严重的伤害。因此在树木防治领域急需合适的方法以达到除虫、防护树林等目的，但经调研发现，现阶段的除虫机大多只适用于对地底等低处地段除虫，对于森林高处的害虫难以防治。少数可实行树木高处除虫的树林杀虫机器人存在操作难、效率低等多方面的问题。而随着科技的发展，仿生机器的研究不断深入，已经逐渐在各个领域凸显出良好的应用前景1，其中仿生蝎子在侦查领域2、仿生鱼在海洋探测领域3等均具有重要意义。因此，本文针对以上问题，提出了一种多功能、环保、易操作的除虫机器仿生蠕虫爬树除虫机器。1仿生蠕虫爬树除虫机器的机理分析1.1运动功能形式仿生蠕虫爬树除虫机器的运动形式模仿了属于蠕虫的尺蠖。通过电动伸缩杆的伸缩带动整体结构上下移动。电动伸缩杆上下各连接一平台，平台上装有两只机械抓手用于固定装置的上下两端,并且在向上攀爬的过程中抓手也可以握紧树干，防止装置掉落。在运动过程中首先让电动伸缩杆伸出，推动上方放置平台向上移动，当上方抓手到达一定位置后，步进电动机工作使得抓手抓紧，形成自锁。然后下方抓手放松，电动伸缩杆收缩，带动下方放置平台上移，到达一定位置后，下方抓手对树抓紧。如此往复便可使装置向上移动。1.2除虫功能形式除虫装置模仿了啄木鸟捉虫时的动作，对树干进行撞击。当啄木鸟发现树干的某处有虫时会紧紧地攀在树上，头和嘴与树干几乎垂直，对树干进行敲击，将树皮啄破，进而吃掉害虫。除虫装置安装在两个电动伸缩杆之间的空隙中，它由一个伸缩电动机和敲击板组成，可以对树干表面进行敲击，将树皮敲破，进而消灭害虫。尤其在树木众多的地区，虫害在一定程度上制约了林业经济的发展。同时，对于一些珍稀濒危的树种，目前的除虫检查方式还是人工检查，人工检查除效率低下以外，相对于除虫装置的精准度也会更加低下，爬树除虫机器的优越性便摘要：蛀干害虫作为树木虫害中的一类，自然影响了树木的生长且蛀干害虫大都隐蔽生活，防治难度较大。针对除虫装置中存在除虫覆盖面不够、除虫难度大等问题，开发了仿生蠕虫爬树除虫机器装置。介绍了仿生蠕虫爬树除虫机器的总体设计方案，开展了仿生蠕虫爬树除虫机器的机理分析，提出了尺蠖爬行运动方式的机械结构，搭建了仿生蠕虫爬树除虫机器的控制系统。该除虫机器模仿鸟类捕虫的原理，搭载了摄像头对虫卵、幼虫进行精准定位，通过喷洒药物及碾压等形式进行除虫，最终破坏虫卵的孵化环境以从源头上快速消灭害虫。关键词：树木防治；仿生蠕虫；爬树；除虫中图分类号:TP 242；TH 122文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08008203Design of Bionic Worm Tree Climbing and Insect Removal MachineXU Jun,LYU Lishu,HE Jian,HUANG Yicheng,XIAO Ning(School ofMechanical Engineering,Hunan UniversityofScience and Technology,Xiangtan 411201,China)Abstract:As a kind of tree pests,stem borers naturally affect the growth of trees and most of them live in seclusion,so itis difficult to get rid of them.Aiming at the problems such as insufficient coverage and difficulty of insect removal in theinsect removal device,a bionic worm tree climbing and insect removal machine device is developed.This paper introducesthe overall design scheme of the bionic worm tree climbing and insect removing machine,analyzes the mechanism of thebionic worm tree climbing and insect removing machine,puts forward the mechanical structure of Inchworm crawlingmotion mode,and builds the control system of the bionic worm tree climbing and insect removing machine.The insectremoval machine imitates the principle of bird insect catching.It is equipped with a camera to accurately locate the eggsand larvae.It is used to remove insects by spraying drugs and rolling,and finally destroys the incubation environment ofthe eggs to quickly eliminate pests from the source.Keywords:tree control;bionic worm;climb tree;disinfestation基金项目：湖南省创新型省份建设专项（2020GK2003）图1运动示意图82MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期机械工程师显现出来了4。2仿生蠕虫爬树除虫机器的机械结构本文的机械结构仿生的是尺蠖类昆虫的爬行运动及啄木鸟的除虫机制。两只前伸的抓手仿真尺蠖的爬行动作，以此完成爬上树干，位于整体机械中间的横向推杆为除虫装置，因为啄木鸟本身具备高强度、高冲击力的采虫能力，对树干具有比较大的冲击力，可以将树干内部的害虫清除。仿生啄木鸟对树干的敲打，可以在产生大冲击的同时保持身体稳定，且关节所承受的力小5，进而达到除虫的目的。具体结构及工作原理如图2所示。1）驱动装置。装置的主要驱动是由电动推杆来完成，在两个放置平台之间安装两个电动推杆，通过推杆的推动来驱动装置伸缩运动。2）爬树部分。主要通过机械抓手来完成。两个放置平台之间有两个能够伸缩的推杆，在两个推杆伸出推动上方放置平台的同时使上方抓手放松，让两个推杆同时推动上方放置平台向上运动，以此带动抓手向上方运动，上方抓手到达目的地后对树进行抓紧；然后下方抓手放松，两个推杆再同时进行收缩，带动下方放置平台向上运动，在运动到目的地后，下方抓手抓紧树干，进行往复运动以完成爬树运动。3）除虫装置。模拟啄木鸟撞击树干的过程，利用可伸缩的结构对树干表面进行撞击，以达到对树干表面的虫卵、虫巢进行碾压的目的，从而杀死表面的害虫，同时撞击产生的振动也会使得树干内部的害虫受到惊吓跑出。再由喷壶喷出药物对害虫进行杀灭，对害虫进行双重打击，从根源上杀死害虫。4）转向装置。转动结构由双轴舵机、单轴舵机和转动拨片组成。双轴舵机转动，驱动下级抓手转过一定角度。在抓手抓紧后，位于中间的单轴舵机转动，带动拨片旋转，使得与拨片相连接的两根推杆转动一定角度，驱动上方抓手转动至合适位置。5）监控装置。核心部件为微型智能计算机树莓派，树莓派上搭载高清摄像头，利用opencv可对树干外表面的情况进行采集。3仿生蠕虫爬树除虫机器的控制系统为了实现系统的正常运行及实现所设定的功能，本机器装置所用到的控制系统模块包括远程遥控器、树莓派智能控制模块、可充电蓄电池、直流稳压模块、舵机模块。1）树莓派智能控制模块。树莓派是一款基于ARM的微型电脑主板，其所有元件全部整合在一张仅比信用卡稍大的主板上，具备所有PC的基本功能，且只需接通电视机和键盘，就能执行如电子表格、文字处理、玩游戏、播放高清视频等诸多功能。Raspberry Pi 4b具备1.5 GHz运行的64位四核处理器6，其强大的功能及系统可以完全保证装置的各个功能的实现。2）可充电蓄电池。选用可充YTX7A蓄电池，额定电压为12 V,额定容量为7 A h,单节质量为2 kg，在保证提供充足动力的同时，尽量减轻系统总体质量，实现电能的高效利用。3）稳压模块。选用了AMS11175.0芯片和AMS11173.3稳压芯片，AMS1117系列稳压芯片控制简单，可靠性高，干扰小，精度合适且体积小，适合给该系统供电，能提高该系统的工作稳定性和可靠性，使装置能够稳定持续地工作较长时间。4）舵机模块。选用MG996R标准大转矩金属模拟舵机，是一种大转矩且稳定性强的舵机。其体积小、质量轻、转矩大、运行可靠等特点可以使装置更好地完成操作。4仿生蠕虫爬树除虫机器的运动过程分析4.1仿生蠕虫爬树除虫机器的运动过程在攀爬方面，仿生蠕虫爬树除虫机器主要借助电动伸缩杆提供向上攀爬的动力及支撑。工作人员只需将仿生蠕虫爬树除虫机器固定在树干上，机器便可借助电动伸缩杆提供的动力向上攀爬，电动伸缩杆上下两端都有放置平台，在两个推杆伸出推动上方放置平台的同时使上方抓手放松后，电动伸缩杆向上伸长带动下方抓手攀升。在除虫方面，在上升途中，监控装置可随时监测树干表面状况，当检测到虫巢或虫卵后，下方把手握紧树干形成自锁，中间部位的除虫装置在伸缩电动机和敲击板提供动力支持的情况下，模拟鸟类撞击树干捕获虫子的过程，利用可伸缩的结构对树干表面进行猛烈的撞击，从而可以达到碾碎表面虫卵及卵巢的目的，进而杀死表面的害虫，随后再利用喷壶将农药均匀且精准地洒在虫卵周围，进一步保障除虫率。在转向方面，仿生蠕虫的方向控制操作则由双轴舵机转动来实现。双轴舵机驱动下级抓手转过一定的角度，调整仿生蠕虫的运动方向；在抓手抓紧后，位于中间的单轴舵机转动，带动拨片旋转，使得与拨片相连接的两根推杆转动一定的角度，带动上方抓手盘调整至合适的前进位置。在树莓智能控制模块的控制下，仿生蠕虫识别树枝弯曲程度自行调节前进方向及抓手力度，实现高效攀爬。该装置的运动流程示意图如图4所示。图2三维模型图及实物图图3稳压电路图图4运动流程示意图83MECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEERMECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：机械工程师4.2仿生蠕虫爬树除虫机器的运动分析1）上下平台的尺寸取决于电动推杆的自紧力与行程，若平台尺寸较大则会造成质量加重，与树木表面相撞，若尺寸过小则不能搭载应有的电源与控制系统树莓派，经过多次实验后选用100 cm100 cm100 cm的支撑平台。2）该装置电源电压为12 V，其舵机电压为5 V，各部分采用并联方式连成通路，因在推杆伸长时变加速时间较短，所以在此时间产生的位移可以忽略不计，其运动周期为25 s。利用式（1）式（4）计算得到一个周期内装置可上升10 cm，从而确定了推杆的选型。p=Fv；（1）2F-m1g=m1a；（2）V1=p/F；（3）S=V1T。（4）式中：p为推杆功率；F为推杆推力；v为速度；g为重力加速度，取9.82 m/s2；T为运动的周期；m1为推杆上部分质量；V1为匀速运动时速度；S为电动推杆伸长距离。3）转弯运动过程。转弯时下机械爪固定，上机械爪通过双轴舵机驱动实现转弯，与此同时，中间的单轴舵机转动，带动拨片旋转，以此使得与拨片相连接的两根推杆转动一定的角度，紧接着上机械爪收紧；下机械爪转动相应的一定角度，电动推杆收缩，实现转弯。5仿生蠕虫爬树除虫机器的创新点与优势5.1仿生蠕虫爬树除虫机器的创新点1）通过学习蠕虫波浪式蠕动的运动方式，本文所述装置采用简单的连接机构组成，装置上下两个放置平台前置两只抓手，通过步进电动机驱动可对树干进行抓紧与放松。两个放置平台之间有两个能伸出和收缩的推杆，可达到爬树运动的目的。2）该装置可以远程控制，节省人力、物力且安全。工作人员只需将设备固定在树上，装置即可在森林树木高处进行除虫，因为抓手有自锁功能，所以不会出现因机器不慎掉落而造成的人员受伤。3）该装置具备智能化自主识别功能。装有摄像头，可观察树表皮状况并对害虫进行精准杀灭。5.2仿生蠕虫爬树除虫机器的优势1）相比于传统的除虫装置更有优势。与传统化学除虫方式相比，仿生蠕虫爬树除虫机器进行除虫，更加环保，避免了环境污染。与新型热力处理器和激光照射等技术相比，本文所述机器除虫方法见效快，不会被众多外在物理因素所影响。2）该装置的发明实现了人工智能化操作，仿生机械的研究对人类的帮助很大,目前人们处于初级研究阶段,且人类已经感受到仿生机械的优异特征,它也必将是未来的发展方向之一7。3）该装置适用范围广，不仅仅局限于一种虫害。利用计算机视觉可同时对多种害虫进行识别，并将识别信息传递给除虫装置，对害虫进行处理。4）模仿啄木鸟除虫方法，并且不仅仅局限于啄木鸟除虫方法，采用多种方式，无污染化除虫，顺应当今绿水青山可持续发展战略。5）制作成本低且可在较短的时间内对森林害虫进行有效的防治。6）大幅度减少人力成本，提高劳动效率。6结语仿生蠕虫爬树除虫机器综合了尺蠖的移动原理和啄木鸟的除虫原理，利用碾压、喷洒药物等多种方法，对树干、树枝、树叶及树干内部进行全方位除虫，以起到防治虫害的作用。机器移动灵活，可以攀爬到树的大部分角落，同时利用药物喷洒，可以有效地覆盖到机器所不能攀附的地方，补足了机器移动的不足，因此与机器的灵活性相结合，对整棵树可以起到全方位、全覆盖的除虫作用，而相对于轮式等其他仿生类爬树机器人，仿生蠕虫爬树除虫机器的稳定性、可靠性和跨越障碍物的能力也更高，对害虫的防治起到了极大的作用，能弥补目前树上除虫技术的不足。参考文献1王国彪,陈殿生,陈科位,等.仿生机器人研究现状与发展趋势J.机械工程学报,2015,51(13):27-44.2孙祖威,张文廷,李晓丹,等.仿生蜘蛛探寻机器人设计J.技术与市场,2022,29(6):19-21,25.3张昕辰,杨康,孙玉龙,等.一种仿生鱼深海探测机器人的机构设计J.机械,2022,49(4):68-73.4李毅.仿生爬树机器人的运动特性与步态轨迹规划研究D.南宁:广西大学,2020.5赵梓淇.基于啄木鸟运动机理的仿生啄击机构研究D.沈阳:沈阳建筑大学,2019.6李睿,王莹,王恒.基于树莓派的室内植物病虫害识别系统设计J.电子设计工程,2022,30(8):114-118.7常影.机械生物创新人才需求现状研究J.河北农机,2019(4):47.（编辑马忠臣）作者简介：许骏（2002），男，本科生，工业工程专业；吕黎曙（1991），男，博士，讲师，研究方向为智能制造与绿色高效精密加工技术。通信作者：吕黎曙，。收稿日期：2022-08-2984