李 強(qiáng)，趙金雨，何博文，張昭云

（1.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財(cái)經(jīng)大學(xué)電子商務(wù)綜合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

1 研究背景

我國(guó)土地荒漠化問題十分嚴(yán)重，森林覆蓋率低于全球30.7%的平均水平，人均森林面積不足世界的1/3，還有大片亟待治理和改善的荒漠荒地。在我國(guó)城市化快速發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)鄉(xiāng)村振興已成為重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，在此生態(tài)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的背景下，政府頒布和實(shí)施了一系列鄉(xiāng)村振興的政策和工程，其中植樹造林是一項(xiàng)重要措施，但是由于西北地區(qū)氣候原因，植樹造林的環(huán)境較差，沙漠植樹難度相對(duì)較高，因此提高沙漠地區(qū)的植樹效率成為解決土地荒漠化的一項(xiàng)重要手段。

目前我國(guó)沙漠植樹機(jī)械發(fā)展較為薄弱，市面上的自動(dòng)沙漠種植機(jī)多數(shù)針對(duì)小樹苗的種植，且未實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化，挖坑等一些工序仍然需要人工操作，工作效率不高，目前人工植樹還存在下列問題：

（1）由于沙漠地水資源短缺，在植樹過程中很難做到精準(zhǔn)灌溉，造成大量水資源浪費(fèi)。

（2）樹苗種植過程繁瑣，需首先在沙地人工挖坑，為保證樹苗存活，工人在栽植樹苗之前需往沙坑注水，再栽植樹苗。但是西北地區(qū)沙漠化嚴(yán)重，土地松軟，剛挖好的坑易下陷導(dǎo)致返工，同時(shí)由于沙漠地帶沙塵暴頻繁，沙坑容易被再次填埋。

（3）沙漠地區(qū)自然環(huán)境惡劣，水資源稀缺，很難做到對(duì)樹苗進(jìn)行精準(zhǔn)和長(zhǎng)期灌溉，因此樹苗成活率低，不能有效發(fā)揮沙漠治理功能，同時(shí)造成了資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失。

2 林業(yè)植樹機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

因林業(yè)機(jī)械受作業(yè)環(huán)境、作業(yè)條件和勞動(dòng)力等的影響，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)于林業(yè)機(jī)器人的研究和開發(fā)較早，特別是日本、美國(guó)、德國(guó)、加拿大、瑞典和挪威等國(guó)家。瑞典是世界上森林工業(yè)機(jī)械化程度最高的國(guó)家之一。1974年前后，加拿大的一些學(xué)者開始進(jìn)行自動(dòng)植苗機(jī)的研制，但到20世紀(jì)90年代中期，由于技術(shù)水平低，植苗機(jī)沒有完全實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自動(dòng)化作業(yè)。1995年，PlustechOy[1]發(fā)布了步行式森林機(jī)器人的原型，后來Plustech開發(fā)了一種能實(shí)現(xiàn)步行的林業(yè)機(jī)器人，該機(jī)器人采用六足液壓遙控步行平臺(tái)，大大提升了機(jī)器人的行動(dòng)能力。2017年，日本九州工業(yè)大學(xué)的Nobuo[2]研發(fā)了一種可以穿越森林，同時(shí)可清除雜草的機(jī)器人系統(tǒng)，該機(jī)器人由“自主移動(dòng)系統(tǒng)”和“幼苗檢測(cè)系統(tǒng)”組成。國(guó)外對(duì)于林業(yè)機(jī)器人的研究較早，經(jīng)過多年發(fā)展，許多林業(yè)機(jī)器人都被應(yīng)用于實(shí)際作業(yè)中。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)目前比較成熟并且已經(jīng)開始批量生產(chǎn)并推廣的機(jī)器人大多數(shù)是開墾機(jī)械。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人在林業(yè)產(chǎn)業(yè)上得到了逐步的推廣和應(yīng)用。1996年?yáng)|北林業(yè)大學(xué)研制出第一臺(tái)采摘針葉樹果實(shí)的機(jī)器人[3]，該機(jī)器人在國(guó)內(nèi)外均屬首創(chuàng)，開辟了我國(guó)林業(yè)機(jī)器人的先河。舒慶等[4]研發(fā)的生態(tài)恢復(fù)機(jī)器人可依據(jù)沙地地貌控制鋪設(shè)草方格機(jī)構(gòu)的高度和插入壓力，固沙能力很強(qiáng)。目前，在我國(guó)得到初步應(yīng)用的林業(yè)機(jī)器人有林業(yè)特種機(jī)器人、林木球果采摘機(jī)器人、新型智能伐根機(jī)器人和生態(tài)恢復(fù)機(jī)器人等。由于林業(yè)機(jī)器人在提高生產(chǎn)效率，改進(jìn)目前的林業(yè)生產(chǎn)模式和解決勞動(dòng)力短缺的問題上都起到了積極作用，因此機(jī)器人技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)中越來越受到重視。通過參考傳統(tǒng)林業(yè)機(jī)器人模型的工作原理，課題組對(duì)林業(yè)機(jī)器人進(jìn)行了進(jìn)一步的創(chuàng)新與研究，提出了一種機(jī)械臂式沙漠植樹裝置。

3 機(jī)械臂式沙漠植樹裝置設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)

根據(jù)土地沙漠化地區(qū)中樹木的種植特點(diǎn)和樹苗的尺寸及其在土壤中的分布規(guī)律確定了機(jī)械臂式沙漠植樹裝置的總體結(jié)構(gòu)方案。機(jī)械臂式沙漠植樹裝置的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1，第一機(jī)械臂由四節(jié)機(jī)械臂構(gòu)成，位于整個(gè)車體的后方，第一機(jī)械臂的前端連接三棱抓斗，用于在植樹過程中對(duì)沙地進(jìn)行挖坑。三棱抓斗頂部連接高壓水槍，高壓水槍的槍頭對(duì)著抓斗的中間，高壓水槍連接蓄水箱，為防止水位上漲，蓄水箱中安裝有水位監(jiān)測(cè)器，增壓泵和蓄水箱連接，設(shè)置在輸水管上。整體的第二機(jī)械臂位于車體的前端，第二機(jī)械臂連接覆膜裝置，用于在挖掘好的沙坑上鋪設(shè)地膜。

圖1 機(jī)械臂式沙漠植樹機(jī)整體結(jié)構(gòu)

3.2 工作原理

首先設(shè)計(jì)預(yù)定路線，由電機(jī)帶動(dòng)履帶按照該路線前進(jìn)，當(dāng)整機(jī)到達(dá)工作位置時(shí)自動(dòng)停下，隨后第一機(jī)械臂啟動(dòng)，控制三棱抓斗打開并將三棱抓斗插入沙土，再控制液壓桿將三棱抓斗合攏抓土，隨后控制第一機(jī)械臂將抓斗抬起，完成挖坑工作，后第二機(jī)械臂控制高壓水槍將挖開的土層沖開，最后將樹苗插入沙坑。

3.3 主要技術(shù)參數(shù)

工作幅寬（mm） 800

挖掘部件結(jié)構(gòu)形式 三棱抓斗

三棱抓斗尺寸（長(zhǎng)×寬×高，mm） 440×800×10

抓斗工作傾角（°） 14/28

輸送帶工作傾角（°） 28

輸送帶寬度（mm） 800

輸送帶高度（mm） 5600

地膜套桿允許覆膜的地坑直徑（mm） 400

繞膜桿允許纏繞的膜長(zhǎng)度（mm） 12000

插齒工作寬度（mm） 500

3.4 關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

3.4.1 三棱抓斗

沙漠化地區(qū)的土地松軟，挖好的沙土易下陷導(dǎo)致返工，因此選用運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、堅(jiān)固耐用的三棱抓斗，該三棱抓斗主要由活節(jié)、液壓桿、連桿、抓斗架、高壓水槍和抓斗片組成，如圖2。采用通過輸水管連接蓄水箱的高壓水槍避免水資源的浪費(fèi)和土地破壞，提高植樹效率。

圖2 三棱抓斗結(jié)構(gòu)示意

3.4.2 覆膜部件

機(jī)械臂式沙漠植樹機(jī)的覆膜部件由伺服電機(jī)、U形繞膜桿、長(zhǎng)條狀插齒和地膜套桿組成，如圖3。該覆膜部件具有自動(dòng)覆膜功能，首先將塑料地膜放置在地膜套桿上，部件工作時(shí)伺服電機(jī)為繞膜桿提供動(dòng)力使其轉(zhuǎn)動(dòng)，地膜套桿與繞膜桿靠近并將地膜纏繞至繞膜桿上，繞膜桿上的插齒起到固定地膜的作用，最后由第二機(jī)械臂帶動(dòng)覆膜裝置壓到沙坑上方鋪設(shè)地膜，該覆膜部件節(jié)省了勞動(dòng)力成本，提高了沙漠地區(qū)植樹效率。

圖3 覆膜部件結(jié)構(gòu)示意

4 總結(jié)

機(jī)械臂式沙漠自動(dòng)植樹裝置在很大程度上解決了目前沙漠機(jī)械化種植問題，能大幅提高沙漠種植人員的工作效率，進(jìn)而阻止土地荒漠化的進(jìn)一步發(fā)展。隨著我國(guó)人工智能的發(fā)展和國(guó)家政策的實(shí)施，自動(dòng)植樹機(jī)械市場(chǎng)前景廣闊。未來我們可以將傳統(tǒng)的沙漠植樹機(jī)與物聯(lián)網(wǎng)及人工智能等結(jié)合起來，加入分苗種植裝置，實(shí)現(xiàn)多種樹苗的一體化種植，提高種植效率和樹苗存活率，從而使沙漠種植更加智能化和高效化。