目前我国每年用于市政建设、园林景观、生态恢复、道路绿化以及维护等总投资额已经超过2000亿元人民币，然而对高速公路、城市道路以及公园小区绿化带和景观苗木的修剪造型，主要依靠工人使用各种手持和背负式绿篱修剪机，作业时操作者一直处于持重状态，劳动强度大、维护成本高，且工作时机器产生振动、噪音和废气，作业环境和安全性差，市场迫切需求全自动多功能绿篱苗木修剪机。
景观园林机械手通过机械手直接操作修剪刀具在空间进行各种轨迹的运动，完成相应的几何造型。修剪作业过程中可能遇到不可预测的过大载荷，要求机械手应具备有过载保护的功能。
景观园林机械手的结构图
1.运动学分析与轨迹规划
园林机械手机构是由若干刚性杆件通过移动关节或旋转关节首尾连接在一起组成开链机构，其中起始端固定连接在承载车上，末端连接修剪刀具，用以在工作空间范围内修剪绿篱。通过各个关节的相对运动，使机械手末端修剪刀具到达不同的空间位姿，从而完成期望的修剪任务要求。园林机械手的运动学分析是研究关节变量和末端修剪刀具的位姿之间的关系，为园林机械手的运动控制提供分析的方法和手段，是控制系统研究的基础。
园林机械手运动学分析涉及到正问题和逆问题：
（1）正问题：知道园林机械手各杆件的几何参数及各杆件相对的关节变量值，求解园林机械手修剪刀具相对于参考坐标系的位姿。
（2）逆问题：知道园林机械手修剪刀具位姿和园林机械手连杆的几何参数，求关节变量值。园林机械手运动学逆问题是园林机械手运动控制编程的基础。
园林机械手坐标系建立
在园林机械手轨迹规划中，机械手的运动轨迹主要分为两种：点到点运动和连续路径规划。
轨迹规划器框图
园林机械手笛卡尔空间轨迹算法流程图
2.关键零部件的有限元分析
现代结构优化设计的基础是结构有限元分析。结构有限元分析是利用计算机对结构在载荷作用下的应力、应变、变形等进行离散数值计算的现代方法。其基本作法是根据需要在结构上选取尽可能多的合理的节点，将结构离散为有限个通过节点相连的单元，以这种网格结构模拟原结构。结构有限元分析的基本计算是求解大型线性刚度方程组，其未知向量是节点位移，已知向量是所承受的载荷，系数矩阵是结构刚度矩阵，它是由各个单元的刚度矩阵按照几何位置组集起来的大型对称方阵。单元刚阵则是根据单元性质、材料性质、截面特性、单元尺寸、单元内各点位移与单元节点位移的关系及物理弹性关系、静力平衡关系、几何协调关系求得的。结构静力分析是利用高效计算方法求解上述结构刚度方程得到各节点位移后，再利用单元刚阵及位移关系求解各单元应力。
模型简化后的园林机械手结构
划分网格后的模型图
3.机械手控制系统设计
园林机械手控制系统是以电动机为控制对象，以控制器为核心，以电力电子、功率变换装置为执行机构，在控制理论指导下组成的电气传动控制系统。从基本结构上看，一个典型的现代运动控制系统的硬件主要由上位计算机、运动控制器、功率驱动装置、电动机和传感器反馈检测装置和被控对象等几部分组成。通过控制系统将设计的机器人算法在设备上实现。
系统总体控制流程图
本文摘自《景观园林机械手数字化设计理论与应用研究》（蒙艳枚 韦锦 孙启会/着. 北京：科学出版社，.5）一书，标题为编者所加。
（本文编辑：肖雷）
