固定式割胶机器人割胶误差分析与精度控制

高可可，孙江宏，高 锋，焦 健

（北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192）

0 引言

橡胶作为工业设备和生活用品的制造原料，在工业生产、医疗卫生和日常生活中有着举足轻重的作用，是重要经济支柱[1-3]。切割橡胶是获取天然橡胶的中心环节和关键技术环节[4-5]，割胶方法是收获天然橡胶的关键，而割胶机械直接决定割胶效率、伤树程度、作业强度和橡胶产量[6-8]。目前市场上还是以传统的人工割胶方式为主，对劳动者的体能和技术要求较高，且生产效率低、工作模式复杂和劳动投入高，已无法满足橡胶产业的发展需要[9-10]，因此，采用自动化割胶设备获取天然橡胶将是解决橡胶行业困境的首选方法[11]。

已有的割胶设备主要有电动割胶刀、移动式割胶机器人和固定式割胶机器人。其中印度和日本主要应用为电动割胶刀[12-15]。但电动割胶刀需人工手持操作，并未完全代替人工操作。吴思敏等[16-18]针对移动式割胶机器人进行了研究，但受橡胶林间环境和图像识别误差等因素的影响，移动式割胶机器人的割胶精度低，且再次割胶时无法同上次割胶刀痕完全吻合，造成割胶轨迹杂乱甚至损伤橡胶树结构。

固定式割胶机器人采用固定架和导轨将设备固定于树干上，相对于移动式割胶机器人具有结构坚固和设备维护简单便利等优势，可忽略橡胶林间环境以及图像识别等，实现快速、精准割胶。艾哈迈德等发明一种捆绑式全自动智能割胶机[19-20]，由割胶机械动力、刀头、导轨与芯片程序控制5部分组成，使用固定架和导轨将机器架于树上，但该机器使用成本远超过橡胶的收益，未能在生产上大面积推广应用。张春龙等[21]针对固定式割胶器械研制了一种激光测距式割胶试验平台，该平台采用不同路径激光采点进行测距，通过控制三坐标平台联动，实现割刀按激光测定的空间曲线路径运动。但该割胶实验平台的研究没有解决因树干弯曲造成的割胶设备安装偏心问题。许振昆等[22-23]发明了一种固定式割胶机，该割胶机械由割胶机械动力、刀头、导轨与芯片程序控制系统等部分组成，采用固定架和导轨将割胶机架于树上，可完全替代人工。但该机器人采用定值深度割胶，且无割胶精度控制。

结合国内橡胶种植与收获特点[24]，本文研制了一种固定式割胶机器人，该机器人采用高分子材料制作加工。利用超声波测量技术，将先扫描后切割的控制方式应用于橡胶精准切割，通过控制3个方向的电机实现刀具按规划的空间螺旋曲线路径运动，具有割胶精度高、整机质量轻和集成度高等特点。

1 固定式割胶机器人结构与工作原理

1.1 总体结构

固定式割胶机器人结构如图1所示，该机器人主要由夹持机构、割胶工作台、组合滚柱丝杠副和测量限位模块等组成。其中割胶工作台由运动转轴、刀具夹持结构、刀具、电容式传感器和测距传感器组成，除割胶工作台外，割胶机支撑结构采用高分子材料制作，整机质量为33 kg。在橡胶树产胶期内将割胶机器人固定在树干上，通过固定脚座进行定位和无损夹持，期间不进行拆卸，机器人可循环切割。

割胶机器人夹持结构采用三点定位工作原理，通过上下2个齿圈架上各3个橡胶固定脚座进行夹持，可根据不同树径调节其距机器人轴线的距离。橡胶固定脚座夹持面为硬质橡胶，夹持面受力后变为弧形，使接触面积和摩擦力增大，保证夹持和运行过程中稳定。

割胶机器人夹持固定在橡胶树干上后，通过控制圆周方向和上下方向的电机速度V，把直线运动和圆周运动合成为空间螺旋运动，实现刀具按规划的空间螺旋线路径运动。其中圆周方向运动利用步进电机输出轴与齿轮连接，通过齿轮啮合使传动轴转动，通过传动轴下端的齿轮与轨道齿圈啮合完成圆周运动；沿树干方向上下运动的电机通过滚珠丝杠传动力矩和转速，滚珠丝杠有效运动行程为200 mm，因刀具运动空间限制，在一个切割周期内可控制刀具对橡胶树切割180次。通过滚珠丝杠将电机回转运动转化为刀具的直线运动，具有精度高、效率高和运动可逆等特点。

1.2 割胶轨迹规划

割胶轨迹决定割胶质量且直接影响割面的连续性与割深准确性。固定式割胶机器人的割胶运动通过圆周方向和沿树干上下方向的运动轨迹组合而成，控制刀具路径为螺旋线，形成自右下到左上的空间螺旋割线。如图2所示，将橡胶树干简化成标准圆柱体，切割树皮时，当刀具在圆周方向运动距离为2 πR时，其在上下方向运动距离为P，螺旋角为θ，则tanθ=P/(2πR)。当切割螺旋角θ一定时，刀具在2个方向运动距离之比为定值。设刀具上下运动的线速度为V1，圆周运动的线速度为V2，则在相同时间内，V1/V2=tanθ。在切割过程中，控制两电机按定比值tanθ进行运动，即可得到切割螺旋线。

2 割胶误差分析

2.1 误差构成与测量

固定式割胶机器人的割胶轨迹通过圆周方向电机和沿树干的上下方向电机配合运动，控制刀具路径为螺旋线，形成自右下到左上的空间螺旋割线。但由于橡胶树形状并非标准圆柱形，在实际切割橡胶树时会产生安装误差和测量误差，进而产生切割误差。其中安装误差是由于树干弯曲造成的割胶机器人与橡胶树干安装偏心而产生的。测量误差由超声波传感器与刀尖之间的横向距离引起，割胶机器人固定到橡胶树干上时，超声波传感器安装位置位于树干径向方向，刀具刀柄与超声波传感器平行安装，因超声波传感器中心与刀尖之间存在横向间距，造成刀尖没有正对树干径向方向，导致传感器测得的距树皮的距离并非刀具刀尖距树皮的实际距离。

为减小安装误差，应尽量选取近似标准圆柱体的树干部分固定割胶机器人。对于测量误差，通过测量模块中的超声波传感器预先扫描树干轮廓，在切割入刀点测算刀尖与树皮之间的实际距离，配合进刀深度控制刀具进给量；当刀尖扎进树皮之后，实时监测刀具刀尖与刀具原点的距离，并与刀具刀尖需要到达的目标位置作比较，控制刀具进给量。

图3为割胶机器人测量模块。其中超声波传感器为翰西公司生产的M18型，频率为200 kHz，测量精度0.1 mm，重复测量精度0.1%，用来测量与树皮之间的距离，其测量范围为50～1000 mm，小于50 mm为测量盲区，输出4～20 mA的模拟量信号。为使控制系统能检测到因测量距离变化而产生的电流变化，同时避免盲区检测失效以保证其测量效果，设置其有效测量范围为60～120 mm。电容式传感器为翰西公司生产的PNP常开型，用来测量刀具和超声波传感器与刀具原点的距离，并实时监测刀具进给量，其工作电压为DC10～30 V，可感应距离为1.5 mm。

测距传感器主要包括超声波传感器和激光传感器2种。激光传感器在工作时为单个激光点测距，在扫描橡胶树围时进行逐点测量，虽然其测量精度很高，但因树皮微小凸起或凹陷及树皮上胶液沾附等因素影响，单个激光点的测量结果偶然性较大。而超声波传感器具有重复测量精度，且测量范围为扇形区域平均值，可降低偶然性提高测量准确度。在割胶过程中，由于流出的胶液与橡胶树干有颜色差异，要求测距传感器不能受颜色影响，超声波传感器相对于激光传感器对光线和被测对象的颜色等没有要求，具有方向性好、测量方便快速以及可靠性高等优点[25-26]，因此本文选用超声波传感器作为测量模块的测距传感器进行树干轮廓扫描，测量超声波传感器距树干的距离。

2.2 测量误差模型建立

将橡胶树横截面简化为标准圆形，树干半径为R，超声波传感器位于树干径向方向，割胶方向为顺时针。割胶误差模型如图4所示。

图5为超声波传感器安装位置与刀具尺寸，因超声波传感器安装位置位于树干径向方向，刀具刀柄与超声波传感器平行，同时因刀具刀柄具有一定角度，导致超声波传感器前端中心与刀具刀尖有横向距离S5，又因树干为圆柱形而产生测量误差S3。

根据超声波传感器测得的距离，得到刀尖至树皮的实际距离，通过PID控制算法控制刀具进给量完成橡胶切割。由图4可知，刀尖至树皮的实际距离为

根据NY/T1088-2006[27]，橡胶树树围达到500 mm时才可进行割胶作业。树围为500 mm时，树干半径R约为79.6 mm，本文结构设计中S5=9 mm，则由式（2）计算可得S3=0.5 mm。

当树干树围增大时测量误差S3随之增大，因此测量误差不可忽略。

在割胶作业时，设定刀尖扎进树皮的深度为h，在割胶机割胶作业过程中超声波传感器测量树径时每秒输出2个距离值，故超声波传感器扫描树径完成后形成系列采集数据点。以刀具原点为参考点，以作为刀尖移动的第一个目标位置值，以S4作为刀尖当前位置值，控制系统将刀尖当前位置值与目标位置值作差，则刀具初始进给量为进刀时间为1 s。

根据误差模型，通过超声波传感器测量数据测算刀具刀尖与树皮间的实际距离，进而实现对刀具进给量的精准控制。

3 割胶试验

为验证割胶机器人割胶作业准确性、实用性与可靠性，于2019年7月、12月在海南儋州市橡胶林进行割胶作业试验，7月共切割不同树围的橡胶树10棵，持续时间7 d；12月共切割不同树围的橡胶树6棵，持续时间5 d。试验装置由割胶机支撑切割装置与控制柜组成，如图6所示。试验橡胶树树围530～630 mm，切割位置离地约1000 mm。根据人工割胶经验，在切割螺旋角25°～30°、切割深度4～6 mm，有效切割时间20～30 s条件下进行多组试验，采用触控屏进行割胶操作以及参数设置。

割胶机采用直流24 V锂电池供电，按照2 d割1刀，可为割胶机提供1周的稳定电源输入。动力输入采用两相八线的步进电机，其步距角为1.8°，额定电流为3 A，工作电压为10～48 V，静转矩为2.1 Nm，步进电机驱动器为ZD-2HD542型全数字两相步进驱动器，采用差分式接口电路，可适用差分信号，内置高速光电耦合器，采用低速串联接法与电机相连。利用JY-DZI-5A型直流电流变送器进行刀具电机工作时的电流采集，其输入电流为DC0～5 A，可输出电流范围为DC4～20 mA。

橡胶产量受切割时间、切割螺旋角、切割深度以及橡胶树生长状况等多种因素决定，根据实际割胶作业要求，各试验因素设置如表1所示。每组试验3次重复。

表1 试验因素水平表 Table 1 Table of test factors level

从以下3个方面对割胶效果进行评价：

1）切割过程中是否有伤树情况。切割过程中不可损伤橡胶树，否则容易引起割面霉烂和割线干涸等割面病害，还会使橡胶树生瘤，影响橡胶产量。

2）切割结束后胶液是否外流。胶液外流是指胶乳未沿割线流入胶杯而从割线溢出，当割线斜度小或割面不均匀时，胶乳会从割线较平处或割面有毛刺的地方流到胶杯以外。因此从是否出现胶液外流现象可判断割线斜度（切割螺旋角）是否合适。

3）切割结束后是否完全出胶。出胶情况是评价割胶机器人优劣的重要依据，当割胶深度太浅时会导致不出胶或不完全出胶，割胶深度太深则会损伤橡胶树干。

根据影响橡胶产量的主要因素进行试验方案设计，固定某个影响因素的值，分析其余2个因素间的交互作用对割胶效果的影响。根据现场试验情况，割深为4～5 mm时不出胶或不完全出胶，5.5 mm时正常流胶，6 mm时出现伤树情况，故割深其他水平试验没有继续进行。试验方案及结果如表2所示。

表2 试验方案与结果 Table 2 Test scheme and results

由表2可知，螺旋角为25°～30°时胶液均沿割线流入胶杯，未出现胶乳溢出情况；切割时间对割胶效果无影响。

以树围565 mm橡胶树的割胶试验为例，共割胶3次，每次割胶持续时间大致相同，约为78 s。割胶时切割螺旋角为25°，切深为5.5 mm，切割后可正常顺畅流胶。割胶轨迹及切割树屑如图7所示。割胶机器人工作时超声波测量数据与刀具电流如图8、图9所示。

对比图8、图9可知，割胶机器人在13:36:44时开始工作，在13:36:58时开始对树径进行扫描至13:37:22时结束，在13:37:31时开始切割树皮，至13:37:52时切割结束。割胶机器人从开始切割树皮至切割结束，3次割胶有效切割时间均为22 s，而传统人工割胶有效切割时间为1 min[28]，相比于传统人工割胶，割胶效率提高了63%。

割胶生产中，在一定割线长度和割胶频率下，合理的耗皮量是橡胶树稳产高产的关键因素[29]。因在切割过程中橡胶树皮会发生塑性变形，切割耗皮量在一定范围内变化。本割胶机器人设计耗皮量为0.9～1.2 mm，切割结束后用游标卡尺测量的3次平均耗皮量为1.1 mm，满足割胶技术规程要求。

提取刀具切割树皮时电流变化如图10所示。

由图10可知，13:37:31时刀具电流为1247 mA，此时刀尖开始切入树皮，由于刀具进给量较大，为使刀尖快速达到目标位置，所以刀具电流较大；13:37:52时刀具电流为1141 mA，此时刀具快速退回。切割树皮时刀具电流在940～1040 mA变化，电流变化点即为进刀或退刀点。

因割胶机器人使用蓄电池供电，频繁进退刀会增加蓄电池损耗，工作周期内供电量减少。且频繁进退刀会增加刀具与树干之间的冲击力，加剧刀具磨损，增加电机功率损耗，降低割胶效率，同时也会降低机器寿命。为减少频繁进退刀，提高切割效率，延长机器使用寿命，所以控制刀尖扎进树皮的深度在一定范围内进行橡胶切割以减少进退刀次数。

割胶时刀尖扎进树皮的深度须根据橡胶树的树皮结构和有关割胶技术规定确定。天然橡胶树的树皮厚度约为7 mm，其树皮结构主要包括粗皮、沙皮外层、沙皮内层、黄皮和水囊皮，其中粗皮起保护内部组织的作用；沙皮层因含有大量的石细胞而成为树皮较硬部分，约占树皮总厚度的70%，沙皮层的乳管大部分被石细胞挤裂，产胶能力低；黄皮层位于沙皮内层内侧，厚度约为1 mm，胶乳多，石细胞很少或没有，且是乳管分布最密集、排列最整齐、连通性最好和产胶机能最旺盛的皮层，是产胶的主要部位；水囊皮位于黄皮内侧，一般厚度小于1 mm，有输导功能的韧皮部，含有细嫩乳管和纵向输导营养物质的筛管，切割后流出清液。在割胶操作中，为了提高产胶率，割破黄皮组织且不损伤水囊皮。

根据NY/T1088-2006，割胶深度是指刀片割去树皮的内切口与形成层的距离（mm），该距离按照橡胶树的品种和生长年限来确定[30]。对于常规割胶，割胶深度要在1.2～1.8 mm范围内。

根据橡胶树树皮厚度和对割胶深度的规定，本文设计刀尖切割树皮的深度范围为5.2～5.8 mm，满足割胶要求。在5.2～5.8 mm切割深度范围内切割橡胶时的刀具电流与5.5 mm定值深度切割时的刀具电流对比如图11所示，通过电流对比可知，在一定深度范围内割胶和定值深度割胶的进退刀次数的不同。在5.2～5.8 mm切割深度范围内割胶时，刀具电流变化次数即进退刀次数由定值深度割胶的50次下降到32次，减少36%，刀具电流变化幅度最大缩减4.11%，可减少蓄电池和电机功率损耗，提高割胶效率，延长割胶机器人使用寿命。

4 结论

本文设计的固定式割胶机器人在已有研究基础上，利用超声波测量技术，将先扫描后切割的割胶控制方式应用于割胶精准控制。使用超声波传感器预先扫描树径后割胶，提高了测量准确性和切割精度。

建立测量误差控制模型，利用PID控制算法控制刀具进给量，降低了切割误差。该割胶机器人有效切割时间为22 s，相比于传统人工割胶，割胶效率提高了63%；切割螺旋角为25°～30°；割胶耗皮量为1.1 mm；该机器人采用在一定深度范围内割胶，割胶深度范围为5.2～5.8 mm，在此切割深度范围内切割橡胶，刀具进退刀次数减少36%，刀具电流变化幅度最大缩减4.11%。并通过对机器人的试验测试，验证了固定式割胶机器人的整机结构、误差分析方法和切割控制方式具有准确性、实用性与可靠性。