李伊凡 ， 康之訥 ， 秦 堃 ， 謝新杰 ， 徐陶祎

（武漢城市學(xué)院，湖北 武漢 430083）

1 概述

植樹造林是我國(guó)綠色發(fā)展工作重點(diǎn)之一。在推進(jìn)“一帶一路”建設(shè)的過程中，幫助沿線地區(qū)解決土地荒漠化的問題，具有積極的意義。據(jù)2020年發(fā)布的第九次全國(guó)森林資源調(diào)查結(jié)果，全國(guó)森林覆蓋面積為2.21億公頃，森林覆蓋率為22.96%，遠(yuǎn)低于世界31%的平均水平，尤其是甘肅、新疆等地區(qū)，由于人力資源匱乏加之土質(zhì)原因，森林覆蓋率僅為10%左右[1]。因此，要想實(shí)現(xiàn)我國(guó)森林資源建設(shè)的總體目標(biāo)，機(jī)械化植樹造林是必由之路。

2 自動(dòng)循環(huán)式挖穴栽植一體機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 整體架構(gòu)

自動(dòng)循環(huán)式挖穴栽植一體機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括：履帶式驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、三葉爪升降式挖坑機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)輪盤送苗機(jī)構(gòu)、培土機(jī)構(gòu)和澆水機(jī)構(gòu)。將行駛、挖坑、栽植、培土和澆水等多種功能合而為一，機(jī)械整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自動(dòng)循環(huán)式挖穴栽植一體機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖

2.2 履帶式驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)

全自動(dòng)栽植一體機(jī)的行走機(jī)構(gòu)由履帶底盤、控制電機(jī)、齒輪、傳動(dòng)桿等組成，如圖2所示。

圖2 履帶式驅(qū)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

考慮到產(chǎn)品主要的工作環(huán)境為荒漠區(qū)沙地或地形崎嶇的林地，因此，選擇了固定式履帶行走機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由全數(shù)字控制的四輪直流伺服電機(jī)組成，負(fù)責(zé)機(jī)器人在作業(yè)過程中的行走驅(qū)動(dòng)。其特點(diǎn)是導(dǎo)向輪不作支撐，驅(qū)動(dòng)能力、承載能力和穩(wěn)定性表現(xiàn)更佳，能避免在復(fù)雜地貌中行走時(shí)因卷入泥土而造成的磨損和失效，從而延長(zhǎng)驅(qū)動(dòng)輪和導(dǎo)向輪的使用壽命。并且在雨雪地、泥地、沙地等坡度路面提高地面摩擦力，避免出現(xiàn)車輪空轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

2.3 三葉爪升降式挖坑機(jī)構(gòu)

挖坑機(jī)構(gòu)位于履帶底盤中間，采用三葉爪式升降挖頭，便于挖穴成型和向周圍堆放。三葉爪升降式挖坑機(jī)構(gòu)主要由三葉爪式取土挖穴器、導(dǎo)軌、滑塊、動(dòng)力輸入軸、伸縮電機(jī)、機(jī)架連接銷等組成，如圖3所示。

圖3 三葉爪升降式挖坑機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

三葉爪式取土挖穴器設(shè)計(jì)為三塊上端大、下端小的三角形狀葉片，有利于挖坑時(shí)挖頭順利地刺入土壤。工作時(shí)挖頭沿導(dǎo)軌向下滑動(dòng)以張開的姿態(tài)豎直向下入土，同時(shí)對(duì)土壤產(chǎn)生剪切作用，在達(dá)到一定入土深度后，在伸縮電機(jī)作用下各葉片沿滑槽移動(dòng)，挖頭閉合器閉合，使土壤產(chǎn)生形變而匯集在挖頭內(nèi)部，隨后沿導(dǎo)軌向上以閉合姿態(tài)豎直出土，完成取土的同時(shí)形成孔穴，挖頭隨整機(jī)運(yùn)行移動(dòng)至成型孔穴前方，再在伸縮電機(jī)的作用下向外打開完成排土，隨后復(fù)位完成整個(gè)挖坑成穴過程。

2.4 送苗栽植機(jī)構(gòu)

送苗栽植機(jī)構(gòu)主要由蝸輪環(huán)、蝸桿、旋轉(zhuǎn)環(huán)、苗株卡槽、栽植機(jī)械臂、電機(jī)等部件組成，如圖4所示。

圖4 送苗栽植機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

運(yùn)用蝸輪蝸桿的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，創(chuàng)新式設(shè)計(jì)蝸輪環(huán)結(jié)構(gòu)，底部利用帶有滾珠軸承的旋轉(zhuǎn)環(huán)與履帶底盤相連，蝸輪環(huán)上根據(jù)栽植需要設(shè)置6～8個(gè)苗株卡槽。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)蝸桿傳動(dòng)蝸輪環(huán)，使得安裝在環(huán)上的苗株卡槽轉(zhuǎn)動(dòng)。安裝在送苗機(jī)構(gòu)后方的6自由度機(jī)械臂每次都夾取正前方卡槽中的樹苗，并將其放置到剛剛挖好的坑穴中，完成一次樹苗的輸送，接著蝸輪環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)一格，機(jī)械臂放置下一棵樹苗，直至蝸輪環(huán)上的苗株放置完畢。

2.5 培土機(jī)構(gòu)與澆水機(jī)構(gòu)

培土機(jī)構(gòu)連接于履帶底盤后部下表面處，由導(dǎo)輪、滑軌、皮帶、連桿式培土塊、培土塊固定件、舵機(jī)、電機(jī)等組成，如圖5所示。工作時(shí)，皮帶帶動(dòng)培土塊滑動(dòng)聚攏，再以舵機(jī)控制連桿機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)培土塊的上下往復(fù)踩踏動(dòng)作，從而完成培土過程中的反復(fù)拍土，高效地完成聚攏拍土環(huán)節(jié)。

圖5 培土機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

澆水機(jī)構(gòu)包括水箱、水管、噴頭和電動(dòng)水泵，培土過程結(jié)束后，主控單元控制開關(guān)閥的關(guān)閉進(jìn)而完成澆水作業(yè)。在這個(gè)工作過程中，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同種類樹苗所需水量的不同來控制澆水時(shí)間，完成差異化作業(yè)。

3 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)方案基于Torobot藍(lán)牙模塊、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵機(jī)驅(qū)動(dòng)板，其整體的控制系統(tǒng)主要由兩部分組成。一部分為運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，由直流伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和高性能多軸運(yùn)動(dòng)控制器組成，主要用來完成植樹機(jī)器人的行駛、挖坑、栽植、培土和澆水等功能；另一部分為信息傳輸系統(tǒng)，主要包括人機(jī)接口、多傳感器信息融合單元，比如數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和環(huán)境監(jiān)測(cè)等[2]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 植樹機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖

為了使植樹機(jī)器人具備良好的運(yùn)動(dòng)性能，采用了專業(yè)驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)直流伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。本設(shè)計(jì)選用銘朗科技公司的MLD3810電機(jī)驅(qū)動(dòng)器[3-4]，該驅(qū)動(dòng)器可以很好地控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而改變機(jī)器人的移動(dòng)速度。該驅(qū)動(dòng)器通過RS232串口與運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行通信，完成主控芯片控制、參數(shù)調(diào)整以及在線監(jiān)測(cè)等功能，利用輸入模擬信號(hào)和PWM信號(hào)控制植樹機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速率，利用輸入脈沖信號(hào)和方向信號(hào)控制植樹機(jī)器人步進(jìn)模式[5-8]。

機(jī)器人上安裝HOKUYO公司制造的URG-04LX 2D型激光掃描傳感器[9]，可完成測(cè)量工作，測(cè)量距離范圍為60 mm～4 000 mm，測(cè)量角度為0°～360°，掃描間隔時(shí)間為100 ms，用于控制植樹機(jī)避障、識(shí)別植樹坑穴位置等功能。

本設(shè)計(jì)選用LP3300型號(hào)數(shù)字羅盤，羅盤自帶傾角傳感器和磁場(chǎng)傳感器，可以測(cè)量植樹機(jī)器人的航向、俯仰角等參數(shù)，主要用于辨別植樹機(jī)的行進(jìn)方向[10]。羅盤本身具有俯仰角度和翻轉(zhuǎn)角度的補(bǔ)償功能，當(dāng)植樹機(jī)在斜坡上行駛或遇到障礙時(shí)，羅盤的俯仰角和翻轉(zhuǎn)角輸出數(shù)值變化不大。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

相較于市面上已有的栽植設(shè)備，該自動(dòng)循環(huán)式挖穴栽植一體機(jī)有如下創(chuàng)新點(diǎn)：

1）本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)林木栽植過程自動(dòng)化，且工作過程中可以動(dòng)態(tài)調(diào)整工作參數(shù)，可用于代替繁重的人工勞動(dòng)，可在艱苦的環(huán)境中作業(yè)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

2）較之市面上功能較為單一的挖坑機(jī)，課題組所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)栽植一體機(jī)將挖坑、送苗、培土和澆水四個(gè)步驟集于一體，具有高度的功能集成化，一臺(tái)機(jī)器能夠完成全部栽植過程。

3）本設(shè)計(jì)具備間歇式挖穴栽植機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)行進(jìn)間間歇式挖穴栽植、智能調(diào)節(jié)栽植深度以及精準(zhǔn)株距控制等，自循環(huán)完成栽植作業(yè)。