树木涂白机发展探讨

胡鑫 林森 栾厚泽 袁小东 高忱

摘要：采用机械化和信息化作业替代人工，对于提高树木涂白劳动效率和经济效益至关重要。介绍树木涂白机的工作原理及组成，分析现有自适应涂白机与非自适应涂白机需要解决的技术问题，提出涂白机的研究重点在于涂白模块、自动化控制及模块化设计，以期为促进树林涂白机进一步研究与发展提供参考。

关键词：树木;涂白机;自适应;非自适应

中图分类号：S776.28    文献标识码：A    文章编号：1674-1161（2020）05-0057-03

树干涂白是指根据防治目的和树种不同，选用不同配方制成涂白剂涂抹在树干基部的一种绿色环保防治方法，旨在防止树木受到冻伤、灼伤和虫害，通常北方冬季涂白1次，南方涂白2次。传统涂白方式是通过人工手持毛刷蘸取涂白剂涂抹或喷雾器喷涂（如图1和图2所示），存在工作强度大、作业效率低、质量参差不齐等问题，且因容易接触到有害化学药剂而危害作业人员健康。目前市场上已有多种类型涂白机，但涂白工作仍以人工为主。

1 树木涂白机类型

树木因品种、种植年限不同，其直径也不尽相同，甚至同一棵树自上到下也呈不规则形态。从理论上来说，喷涂装置能够完全主动适应任意不规整变化，即喷头可以很好地贴合树干边界轨迹完成喷涂工作的机器，称之为自适应涂白机;喷头不能适应树木表面不规则变化，而需通过一些改良包括控制出料压力、更换机械臂直径等方法间接完成对不规则树木表面喷涂的机器，称之为非自适应涂白机。

1.1 非自适应涂白机

树木涂白不是一项高精尖的工作，作业装置结构简单、生产维修成本低廉即可满足作业要求。目前市场上大多采用非自适应涂白机进行树木涂白作业。按照涂白机核心模块—喷涂模块设计思路，非自适应涂白机可分为以下类型。

1） 自动化程度较低的非自适应机器（如图3a所示）。其特点是喷涂组件所含有的喷头数量多于现有的手持喷雾式涂白机，单位时间喷涂面积即作业效率高于手持喷雾式涂白机。作业时，作业人员手持喷涂组件，将安有喷头的环形装置套在树上，然后沿着树干方向完成喷涂工作。

2） 自动化程度较高的非自适应涂白机器（如图3b所示）。其主要由喷涂装置、储备装置、控制装置三部分构成。作业时，喷头套在树干上，由动力装置控制其上下移动，不需人工手持喷头，作业效率明显提高，且一定程度上可适应不同特征的树干。

3） 自动化程度很高的非自适应涂白机器（如图3c所示）。其特点是设有一端开口的柱状套筒，套筒内自上到下设有多层喷口，作业时开口柱状套筒将待涂白的树干围住，边上下移动边喷出涂白剂，大大缩短了喷涂作业时间，也可有效防止化学试剂喷到作业人员身上。这种作业方式适应喷涂部分较直的树干，且对树木直径有一定要求。

1.2 自适应涂白机

树干直径超出喷涂夹套尺寸、树木弯曲程度过大、树木差异很大等情况超出非自适应机器所能调节的范围，影响机器使用。因此，研究人员设计出多种能适应树干不同特征的自适应涂白机。

1） 配有喷涂模块的自适应涂白机（如图4a所示）。其特点是在手持喷雾器装置上设有手持操作喷涂模块，该模块可根据喷头与树干之间的距离调整压力，喷涂效果好，作业成本低，应用范围广。涂白作业的大部分指令由作业人员完成，可在保证灵活性的同时，通过增加喷头数量和药箱体积来提高单位时间的喷涂面积。

2） 可变化框架形状的自适应涂白机（如图4b所示）。其特点是通过控制喷涂框架形变，使喷头与树木表面保持合理的距离。这种装置自上而下运动，可在一定程度上满足不同形状树干的喷涂作业。

3） 机电一体化自适应涂白机（如图4c所示）。借助传感器（如红外距离传感器等）和合理的机械结构设计，将信号传给电脑，控制执行器使喷头与树干表面保持合理的角度和距离，从而完成喷涂作业。这种机器可适应不同形状的树干，自动化程度高，但机器成本高，适于规模化作业。

2 树木涂白机应用情况

2.1 应用范围不广

目前，非自适应喷涂机应用范围较广，主要用于喷涂道路两旁生长较为规整的树木。但在实际应用中，常常遇到树干弯曲较大、分枝较多、直径相差较大等情况，这些情况超出了非自适应涂白机的调节范围。此外，大多数喷涂装置的机械臂和开口柱状套筒直径不可调，实际作业时只能通过控制液体喷出的压力来适应不同直径的树木，导致喷涂液消耗较多，且影响作业效率和效果。而灌木类树木几乎没有适用的涂白机器。

2.2 机器设计不精

城市绿化树木有时会使用围栏加以保护，而围栏的宽度和高度缺乏统一标准，操作人员涂白作业时无法将机器开进围栏，只能在围栏外作业。还有部分树木种在人行道或马路中间的隔离带上，因存在台阶不便作业。但在设计中，往往对这些因素考虑不够充分，导致机器适应性不强，难以实施作业或影响作业效果。

2.3 经济效益不高

非自适应涂白机和自适应涂白机虽然作业效率较高、作业效果较好，但作业成本较高，且易受地形限制。目前市场上应用较多的是手持电动喷雾机，其造价远低于非自适应涂白机和自适应涂白机，且能适应复杂地形，灵活性高。

3 树木涂白机发展趋势

需要涂白的树木大多为规划种树，涂白处较直、弯曲度较小且不同树木直径大小相近，设计时可对某种固定形状的喷涂组件进行改良来完成喷涂工作。此外，采用直径大小可調的通用夹具，调节喷头的喷射压力，调整机械臂的上下运动速率等，这些方法均可用于一定树干粗细范围内喷涂的设计。

3.1 改进喷涂模块

1） 非自适应涂白机的最大缺点是喷涂装置尺寸大小固定、无法调节。为此，可通过更换不同尺寸的喷涂模块来完成不同直径树木的喷涂。喷涂模块是涂白机的核心部件。现行设计的喷涂模块与整体连接较为紧密（包含线路、软管等），频繁更换容易引起密闭性变差，可改进设计为通过按键即可完成不同尺寸喷涂模块的伸缩与更换。

2） 自适应涂白机的改进方向是使喷头在无人干预情况下自主贴合树木轮廓，实现一种机器能对任意生长状况的树木进行喷涂。这就需要将机械电子、控制科学、计算机科学等相关学科知识融合应用于涂白机中，满足机电一体化设计需要。

3.2 应用自动化控制

结合运用其他领域新技术，实现树木涂白的完全自动化。如利用GPS导航模块、超声波雷达模块实现涂白机自动驾驶;利用视觉模块、激光模块建立树木三维模型，合理构建算法，从而自动识别和搜索树木;利用太阳能电池模块实现续航等。图5是一种超声波模块涂白机器人，它采用了视觉模块、GPS模块、PLC一体机等技术，可在较为规范的人行道上自主搜寻树木进行刷白。

3.3 设计多功能模块

树木涂白机器人价格昂贵，使用成本高。采用模块化设计实现一机多用，即涂白机不仅可以完成树木涂白，还能完成喷洒、喷药等其他园艺工作，可较好地解决成本高问题。重点研究多功能园林机快速接口技术，实现更换工作组件即可完成不同工作任务。

参考文献

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[3] 陈济泽. 喷涂机器人轨迹规划系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2016.