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      工林立木整枝作业机械研究进展


  自1998年天然林保护工程实施之后,人工林成为我国重要的木材生产来源。要想人工林产出量大、质好的木材,对育苗、抚育、出材过程必须给予充分重视。立木整枝是森林抚育的主要环节,整枝可以加快木材生长,早成材,提高优质材比率,出好材。人工林立木整枝是一项非常繁重的劳动,所以立木整枝的机械化、自动化对整枝抚育作业具有重要的实际意义。

  传统的机械整枝作业效率低,整枝高度受到限制,无法满足立木整枝作业要求。随着整枝机械技术的发展,迄今为止已开发出多种整枝机械,如便携式液压剪枝机、背负式可调高枝修剪机、自动升降台高空剪枝机等,应用这些机械进行立木整枝作业可大幅提高作业效率。随着人工智能的发展,出现了自动导航避障技术、自动树干检测技术和自动爬树剪枝机构等新型技术,同时还开发出林间移动作业机器人。这些新技术新装备的出现推动了立木整枝作业技术的持续不断发展。本文将综述人工林立木整枝作业技术的研究进展,以期为人工林立木整枝作业技术的发展和机器人高技术产品的研发提供参考。

  1 立木整枝作业机械研究现状

  立木整枝是指借用某种工具进入人工林剪除衰老枝、弱枝以及弯曲枝。对人工林进行整枝有利于提高木材和竹材质量。研究立木整枝机械有助于提高劳动效率,减轻劳动力短缺的压力。

  在20世纪以前,人们都是利用无动力的手工工具对人工林进行立木整枝作业,主要是斧子、锯子。这些手工工具所需劳动强度大、作业效率低。20世纪初出现了油锯,在一定程度上提高了作业效率。此后,很多国家开始致力于研究立木整枝机械来帮助人们解决人工林传统手工作业中出现的各类问题。目前,国内外立木整枝机械主要有便携式、车载式、可遥控式等形式。随着科技不断发展,立木整枝机械将向更加自动化、智能化的方面发展。随着自主导航避障以及机器视觉等方面的技术在立木整枝机器人上的运用,将会改变以往手工作业的方式,提高立木整枝作业的效率。

  1.1 传统工具

  美国和瑞典等国家对立木整枝技术的研究起步较早,发明了手动的无动力立木整枝机,改进了常用的鱼头锯,装配了有伸缩功能的工作杆和有辅助功能的构件,作业高度可以达到6 m。这种立木整枝机造价低,对工人业务能力要求低,但所需劳动强度大,作业效率低,还很容易断锯,不适合大面积的人工林作业。

  国内对立木整枝机械的研究起步较晚,1950年之前仍采用斧头、锯子等手工工具对树木进行人工剪枝。这种方式虽然成本低,但作业效率不高,人们只能通过爬梯进行高枝修剪,且修剪高度具有一定的局限性。

  1.2 油锯

  油锯由手把、汽油机切削部件组成,切削机构是锯链式。20世纪初,德国的斯蒂尔公司生产出第1台油锯,用汽油机作为液压传动动力,带动电动机和链条锯工作,锯径可以达到20 cm,作业高度可以达到5 m,提高了修剪效率,但其造价高,对操作人员的业务能力要求也很高。后来日本的小松和爱丽斯、瑞典的胡斯华纳等公司也开始生产油锯,使立木整枝作业机械从手动的无动力整枝时代进入有动力的立木整枝时代,但由于造价高,操作、维修困难,人们希望能够研究出效率高且易于操作的立木整枝机械来辅助人们进行立木整枝作业。  
  1.3 高空剪枝机

  法国研制的移动式液压打枝机由回转平台和打枝装置组成,由液压马达经皮带驱动,安装在专用汽车的车架上。但其使用寿命短,成本高,机器的使用率低。

  意大利、瑞典等国家研制出自动升降台来进行高空剪枝。意大利的萨斯马升降台是把4个升降台安装在四轮车架上,每个升降台都拥有独立的液压系统,单独控制其工作位置,最长可以伸出7.5 m,最大升起高度6 m。瑞典研制的阿弗龙升降台把3个升降台安装在三轮车上,由液压系统控制工作台升降。此外,还有利用钢索绞盘机来对工作台升降进行控制的剪枝装备,其升起高度比液压控制的要高,可以达到20 cm。

  20世纪80年代后期,中国开始生产HYL5030J型高空作业车,解决了高空整枝作业的难题。此后,还推出了JY130SP型、YZ12-A型、GKH-20型等型号的高空作业车。华南热带作物机械研究所设计制造了3GS-8型修剪整形自动升降台,以拖拉机作为底盘,伸缩臂由液压缸控制,修枝剪由液压油缸、定刀片、动刀片等组成,配有2种型号,一种能剪直径5 cm的树枝,一种能剪8 cm的树枝,最大升起高度是8.5 m,可以容纳2位工人,工人通过操纵手柄来控制工作台的位置。但该机型功能单一且造价高,劳动强度较大,没有得到广泛应用。

  20世纪90年代初,南京林业大学等成功研制出车载式高枝修剪机。以高空作业车为基础,装上剪枝机构、摆动机构以及抓具,通过液压油缸驱动,能剪切直径小于20 cm的枝丫。车载式立木整枝机效率高、易于操作,可完成高枝干、大直径树木的整枝工作,但由于设备价格昂贵,使用成本高,故使用率低。

  这类剪枝机虽然解决了高空剪枝的问题,但操作困难,效率较低,还存在夹锯、断锯等问题。

  1.4 便携式液压剪枝机

  1994年,孙坤龙等研发出5XY-5型便携式液压剪枝机,采用液压技术以及单手柄联动操纵机构,在作业间隙汽油机处于怠速状态,能有效降低耗油率,具有重功比小、输出力大、传动稳定等优点。2015年,朱广勇等对液压剪枝机的结构进行了优化,剪切机构以小型汽油机作为动力,单杆活塞缸驱动,行程120 mm,可以剪断直径为80 mm的树枝。

1998年,姜树海等研制出5XB-6型便携式立木整枝机,用直流电动机作动力源,采用旋转切削方式,可以完成大功率切削,具有结构简单、重量轻、体积小等优点。

  2003年,辛继红等研制出背负式可调高枝修剪机,结构简单,工作效率高,但操纵杆重,锯切振动幅度大,工作舒适度不高,体力消耗大,极易造成人员疲劳。2006年,邹运梅分析了背负式高枝修剪机工作过程中的不稳定因素, 以锯切稳定性为主要约束条件,对修剪机进行优化设计,建立了修剪机操纵杆的倾角优化模型,改善了修剪机的操纵杆机构。

  2005年中马集团研发了ZMP2600型、ZM2600T型、ZM2600L型高空修枝剪,切削机构是锯链导板式。南京秦淮园林机械厂研发的3CXU-290-B多功能电动手持式高空修枝剪,切削机构是锯片式。这类剪枝机易于携带,能更加便利地完成剪枝作业。

便携式液压剪枝机结构简单,体积小,易于携带,修剪效率高,但仍需要工人手动操作。

  1.5 立木整枝机器人

  1966年,西德研制出世界上第1台自动整枝机,由于机械重量和整枝效果不好,没有得到普及。日本的SEIREI公司从20世纪70年代开始研究立木整枝作业机器人,经过近50年的努力,开发出大、中、小系列的无线可遥控型自动立木整枝机(AB170、AB230、AB350系列),由夹紧弹簧把整枝机固定在树上,整枝机沿螺旋线上升或下降,采用了密码潜入数字式的抗干扰无线遥控技术,通过手持遥控器对立木整枝机器人进行无线遥控,控制机器人爬上树干进行整枝作业,但该机型对树木的通直度有很高的要求,无法应用于弯曲树木的整枝作业。

  日本早稻田大学管野研究室设计出一款安全、易于操作的 WOODY 整枝机器人,配备有 CCD 摄像头和微处理器,机器人可通过螺旋式机械爪的收缩环绕树干上下移动来完成剪枝任务。Ueki等模仿日本伐木工攀爬的方式研发出一种木耳式的整枝机器人,融合了垂直和螺旋攀登的创新策略,具有轻量化和高速度的特点。Gui等提出一种新型的爬树机器人剪枝机制,它具有被动和主动的防坠落机制,以及垂直或螺旋爬上树干的能力,这些攀爬机制的出现改善了以往爬树机构的局限性,能使整枝机器人更好地进行立木整枝作业。

  2007年,为了提高立木整枝修剪机械化水平,张俊梅等从日本SEIREI公司引进了AB232-R型可遥控自动立木整枝机,对整枝机的遥控运动控制系统进行了相关研究,开发出BSR-Z23 型无线电遥控自动立木整枝机,该整枝机由行走系统、动力传动系统、树枝锯切系统、控制系统和无线电遥控系统组成,基于无线数字抗干扰遥控技术以及CPLD集成芯片技术,由人工通过弹性夹持机构夹紧树干,启动遥控器,沿树干螺旋上升,自主完成剪枝运动,当操作者发出停止和下降命令时,立木整枝机沿树干反螺旋下降,再从树干拆下立木整枝机移向另外一棵树,完成一个工作循环。这种机型电路结构简单,抗干扰能力强,推进了林业自动化的发展。

  这类剪枝机自动化程度较高,劳动效率高,工人的工作环境得到了改善,但对树干的通直度和直径有一定的要求。

  2 立木整枝作业机器人关键技术

  立木整枝作业机器人是一种移动式机器人,其有2种方式到达作业地点,一种是车辆运送到待整枝的树下,另一种是自主运动到待整枝的树下。在本章只针对自主运动到待整枝树下的立木整枝作业机器人的2种关键技术,即自主导航与自动识别技术进行阐述。

  2.1 自主导航避障

  目前,立木整枝机械都需要工人携带入林进行整枝作业,但人工林地形复杂多变,工人进入会有危险,使用机器人代替工人入林作业可以规避风险。此外,由于人工林地面不平,路障较多,因此对立木整枝作业机器人自主导航避障方面的研究将成为重点。

  自主导航避障就是机器人通过各种方法识别周围的障碍物,并且有效地进行避障动作,识别方法有通过传感器识别、通过摄像机标定然后分析检测识别、通过激光反射识别等。李雯雯利用超声波传感器对障碍物测距和红外开关对超声波传感器测距盲区补偿,然后用工控机对所测得的障碍物进行数据处理,最后通过模糊控制算法识别障碍物,发出控制指令,最终完成自主导航避障。Jodas等使用图像分析处理技术对所提取的图像进行预处理,提取图像特征,然后把这些特征交给支持向量机,进而控制机器人的方向,找出最合适的路径,实现自主导航避障。夏学凝等通过导航激光束照射在探测器上的位置来控制小车的运动路径,遇到障碍物时,发射的激光信号被反射,弹射器接收到反射信号进行避障动作,实现自主导航避障。Juman等就通过使用树检测算法对路径进行规划,使用探测器和kinect摄像头的视觉跟踪技术来检测树木,然后通过图像处理估计树的位置,最后利用距离估计技术追踪树的位置,在树周围形成一个系统集成,最终规划出最短的无碰撞路径,实现自主导航避障。

  自主导航避障技术的发展可以使立木整枝作业机器人代替人们克服恶劣的环境,自主地进入人工林进行立木整枝作业,这改变了以往的作业方式,减轻操作工人的作业强度,减少作业过程中由于人员疲劳而造成的损失,也提高了立木整枝作业的作业效率。

  2.2 立木枝干自动识别

  现已研发出的立木整枝机械都需要操作工人观察需要修剪的树枝,然后发出指令,让立木整枝作业机器人进行剪枝操作,但这种作业方式容易造成操作工人的眼部疲劳以及颈部酸痛,从而导致树枝坠落造成人员伤亡的情况。由此可见立木整枝作业机器人代替工人自动识别所需修剪的树枝并进行整枝作业的必要性,故立木枝干自动识别技术将成为立木整枝作业机器人研究的重点。

  立木枝干自动识别技术是指机器人能够自主判断出树枝形状、尺寸、弯曲度等方面的特征。柳皓笛等研究了立木整枝的视觉识别系统来测量树干直径,综合了现有的测量工具和手段,运用摄像机标定理论作为基础,通过图像处理和特征检测以及BP神经网络标定算法技术提出了测量方法,实现了对树干直径的测量。Chen等提出一种基于多摄像头和超声传感器集成技术对树干进行检测,使用定向梯度直方图和支持向量机来训练分类器,然后提取树干特征和非树干图像来优化分类器,最后通过罗伯茨交叉边缘探测器提取树干特征,提高分类器的精度,实现对树干的识别。李文彬等使用数学形态学方法对图像进行二值化处理,然后进行骨架化处理,能够准确检测到立木枝杈并计算出位置。孙仁山等对树干进行数字图像采集和处理,采用图像处理、计算机视觉、小波分析技术对采集的图像进行压缩处理、滤波处理、分割处理、消噪处理以及对边缘特征进行提取,提出一种立木枝干计算机自动识别算法,并且利用模式识别技术进行验算。

  立木枝干自动识别技术的发展使立木整枝作业机器人能够自动识别出树干位置以及树枝形状、尺寸、弯曲度等方面的特征,然后通过数据库中的数据对识别出的树枝进行比对分析,最终筛选出需要修剪的树枝,进行修剪操作。立木枝干自动识别技术的发展改变了以往需要人工判断树枝是否需要修整的方式,减轻了劳动力负担,有助于提高立木整枝机作业效率,抚育优质人工林。

  3 结语及展望

  迄今为止,在育苗、造林、抚育、采伐以及木材加工等多个方面都出现了高度自动化的机器人产品,但是这些产品仍存在着功能有待于完善、品种相对单一、作业效率有待提高等诸多问题,就立木整枝作业机器人来说,未来将在人工智能技术支撑下,向着全自主、高度自动化、智能化方向发展。

  1)自主移动技术。工人把立木整枝作业机器人统一运送到人工林边界,立木整枝作业机器人要能自主地进入人工林进行立木整枝作业,但人工林环境复杂多样,地面凹凸不平、路障较多,这就要求立木整枝作业机器人具有良好的自主导航避障能力,以便能够顺利进入人工林。

  2)自动识别技术。立木整枝作业机器人要能够准确识别出树干的位置,并且通过识别树枝形状、尺寸、弯曲度等方面的特征筛选出所需要修剪的树枝,这就需要立木整枝作业机器人有立木枝干自动识别技术的支撑。

  3)自适应树干。立木整枝作业机器人应当适应不同类型的树木,目前研制出的立木整枝作业机器人的攀爬机制都对树干的通直度有一定要求,难以完成弯曲树木的整枝作业,这就需要研制一种能适应各种树干的攀爬机构来进行立木整枝作业。

  4)智能化电能管理。立木整枝作业机器人进入人工林进行立木整枝作业时,可能会出现电力不足的情况,此时仍需要工人入林寻找。所以在动力提供方面,立木整枝作业机器人的电池需要有良好的续航能力;在能源管理方面,立木整枝作业机器人需要合理分配其电源的电量使用,当其进入低电模式时,能够自动停止立木整枝作业,自主导航回到原出发点。



  来源:中国林业科学研究院林业科技信息研究所《世界林业研究》2019年第5期

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