一種基于單片機(jī)控制的遙控式樹木病蟲害防治裝備設(shè)計

黃雪紅， 馬成章

(1.濱州職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 濱州 256603；2.浙江理工大學(xué)機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著人們環(huán)保意識的提高，人工林的面積越來越大，但是林木病蟲害發(fā)生率逐年上升。在林木生長過程中，如若不加管理，可能會發(fā)生嚴(yán)重蟲害。采用藥物噴施法進(jìn)行防治，不但浪費嚴(yán)重而且對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，殘留在土壤里的藥物極大地危害了其他物種的生存，給林區(qū)可持續(xù)發(fā)展帶來了一定的阻力。預(yù)防和控制病蟲害時使用樹干藥物注射法有許多優(yōu)點，如減少農(nóng)藥對環(huán)境的污染、保護(hù)人畜安全，降低藥物使用量等。目前，林木一般用藥物注射法進(jìn)行病蟲防治，藥物注射后的林木在一兩年中不會受到病蟲影響，林木在藥物防護(hù)的條件下可以避免病蟲繁殖，使蟲害逐年減少，極大地減輕了林護(hù)工人的勞作強(qiáng)度。不同的林木適用于不同的防治注射方法，目前尚沒有集打孔、注射、插瓶三種功能于一身的多功能機(jī)械，若將注射工作的三種功能集于一體，研發(fā)出三種功能可以任意切換，以適用于不同林木需求的機(jī)械裝備，實現(xiàn)藥物浪費量大為減少，工人勞作強(qiáng)度明顯下降，作業(yè)效率顯著提高的目的。

美國學(xué)者M(jìn)uller在1926年發(fā)表《植物的內(nèi)部治療》一文，提出樹木注藥防治理論，樹木注射技術(shù)已歷經(jīng)近百年的研究，得到了長久的發(fā)展[1]。然而，作為其技術(shù)基礎(chǔ)的樹干注藥器械，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足社會的需求。對國內(nèi)外迄今70余年中開發(fā)的數(shù)十種樹木注射施藥機(jī)械工過程和特征的分析表明，此類機(jī)械已由最初的自然輸導(dǎo)注射式衍生發(fā)展出手動氣壓式、手動液壓式、手持直壓式、貯能式和機(jī)械自動式等六個基本類型，其注射壓力、一次注射藥量兩個數(shù)量指標(biāo)為其主要性能參數(shù)[2]。樹干注藥機(jī)的總體趨勢是由低壓低濃度低速度注射型向著高壓高濃度快速注射型方向發(fā)展[3]。

Shun G，Jian C等提出了不同的注射方式和時間會對植物產(chǎn)生不同的效果，因此對植物的生理狀況，樹干注射的最好部位還需要深入的研究[4]。Shang Q，Liao K等對針頭的結(jié)構(gòu)和密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究分析，在樹干注射試驗中，該針能注入大量營養(yǎng)液，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。但是需要大量人力，無法進(jìn)行大范圍的作業(yè)，并且該機(jī)打孔部分仍需要人協(xié)助注入，在邁向自動注射方向仍需要完善[5]。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計研究旨在解決樹木病蟲害的防治問題，豐富樹干防蟲藥物注射設(shè)備功能，提高樹干注射機(jī)械的自動化水平，降低對環(huán)境的污染程度，進(jìn)一步實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，綠色作業(yè)。

樹木病蟲害綜合防治裝備的主要功能是靈活切換三種工作模式，適用不同林木的樹干注射工作。注射機(jī)設(shè)計了打孔、注射、插瓶機(jī)構(gòu)，能夠適應(yīng)多種林木的不同樹干注射需求，作業(yè)高效、精確、穩(wěn)定。這種新型的三種工作模式切換結(jié)構(gòu)，使注射的工作不受林木種類以及不同作業(yè)要求的影響。

樹木病蟲害綜合防治裝備的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括主推桿電機(jī)1、換位舵機(jī)2、注射、插瓶機(jī)構(gòu)3、打孔機(jī)構(gòu)4、水平升降機(jī)構(gòu)5、藥劑瓶輸送機(jī)構(gòu)6、藥劑箱7、主體機(jī)架8、驅(qū)動履帶9、同步輪10、噴霧桿11、推桿電機(jī)固定架12等組成。樹木病蟲害綜合防治裝備主要完成行走，水平調(diào)節(jié)，打孔、注射、插瓶，藥物噴灑等主要功能。履帶機(jī)構(gòu)由履帶、驅(qū)動輪和承重輪組成，履帶設(shè)置于驅(qū)動輪和承重輪的外圍，驅(qū)動輪和承重輪均固定于底盤上，驅(qū)動輪由行走電機(jī)驅(qū)動，帶動承重輪、履帶及機(jī)架運動，完成行走功能。工作時，裝備首先運行至所要防護(hù)的樹木前，通過水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將底盤調(diào)節(jié)至水平狀態(tài)。然后，通過換位舵機(jī)將設(shè)置有鉆頭的導(dǎo)向結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動至推桿的前端，經(jīng)主推電機(jī)對推桿的驅(qū)使，在電鉆開啟的過程中將鉆頭推入樹干，實現(xiàn)樹干的打孔作業(yè)。打孔完畢后，換位舵機(jī)將注射頭轉(zhuǎn)動至推桿的前方，并將注射頭推入孔內(nèi)，啟動第一抽液泵，實現(xiàn)藥物注射作業(yè)。如還需對樹木進(jìn)行插瓶，則換位舵機(jī)將藥瓶存儲塊旋轉(zhuǎn)至推桿的前方，推桿驅(qū)使藥瓶存儲塊前移一段距離，然后藥瓶箱上的推瓶電機(jī)將藥瓶推下，藥瓶落入藥瓶存儲塊的凹槽內(nèi)，推桿繼續(xù)向前推動，將藥瓶插入孔內(nèi)，實現(xiàn)插瓶。

圖1 樹木病蟲害綜合防治裝備的總體結(jié)構(gòu)

2 關(guān)鍵部件設(shè)計

根據(jù)功能要求，樹木病蟲害綜合防治裝備需要具備打孔、注射、插瓶的功能。為了能夠滿足基本的功能需求，在車身前端設(shè)計并安裝打孔、注射、插瓶綜合機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)需要在三種功能之間自由切換，進(jìn)而適應(yīng)不同的樹干注射作業(yè)需求。整個綜合機(jī)構(gòu)由冷軋鋼制成，避免工作時機(jī)構(gòu)的彎曲變形。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)大多數(shù)樹木要求的注射深度為20 mm～30 mm之間，所需要的推力一般在800 N～1 400 N之間。

2.1 打孔機(jī)構(gòu)

打孔機(jī)構(gòu)如圖2所示，主要由后部頂片、滑軌、775型電鉆組成，進(jìn)入工作狀態(tài)后，后部的推桿電機(jī)首先啟動，推動后部頂片和滑軌一起向前運動，位于滑軌前端的775小型電鉆隨滑軌一起向前運動。在到達(dá)預(yù)定工作位置時小型電鉆啟動，在樹干上打出一個深度為20 mm～30 mm的孔，隨后推桿電機(jī)回收，滑軌在彈簧的作用下帶動小型電機(jī)回收，打孔工作完成。

圖2 打孔機(jī)構(gòu)

2.2 注射機(jī)構(gòu)

注射機(jī)構(gòu)如圖3所示，主要由滑軌、后部頂片、注射頭、藥劑輸送管、藥劑箱、小型水泵組成。工作時舵機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)首先動作，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，小車切換到注射工作模式，隨后推桿電機(jī)工作推動后部頂片和滑軌向前運動，位于滑軌前端的注射頭隨滑軌一起向前運動，在MK60單片機(jī)的控制下注射頭準(zhǔn)確進(jìn)入已經(jīng)打出的孔中，此時水泵將藥液從藥劑箱輸通過注射頭注入樹干中，完成后推桿電機(jī)收回，整個機(jī)構(gòu)在彈簧帶動下收回，注射工作完成。

圖3 注射機(jī)構(gòu)

2.3 插瓶機(jī)構(gòu)

插瓶機(jī)構(gòu)如圖4所示，主要由后部頂片、滑軌、下滑軌道、緊固舵機(jī)、藥劑瓶輸送機(jī)構(gòu)組成。工作時舵機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)首先動作，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，小車切換到插瓶工作模式，隨后推桿電機(jī)工作推動后部頂片和滑軌向前運動，位于滑軌上的滑槽隨滑軌一起向前運動，到達(dá)預(yù)定位置后小車上部的藥劑瓶輸送機(jī)構(gòu)工作，輸送帶在步進(jìn)電機(jī)的帶動下開始運動將藥劑瓶送入滑槽中，當(dāng)藥劑瓶下滑到滑槽底部后位于底部的頂緊舵機(jī)工作將藥劑瓶緊緊插入樹干中。隨后整個機(jī)構(gòu)回收，輸送停止工作，插瓶工作完成。

圖4 插瓶機(jī)構(gòu)

3 控制方案設(shè)計

為方便操作，提高自動化程度，設(shè)計采用遙控手柄進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作。操作人員可以通過液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。如當(dāng)小車到達(dá)作業(yè)位置后，小車進(jìn)行自動水平調(diào)節(jié)，MK60單片機(jī)通過分析和計算MMA8451加速度計、ENC-03RC陀螺儀的反饋信號，調(diào)節(jié)四個推桿電機(jī)，使車身保持水平，方便打孔、注射、插瓶機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)完成注射工作。如果進(jìn)行樹干注射工作，當(dāng)按動相應(yīng)的功能鍵后中央處理器會快速處理相關(guān)信息，啟動有關(guān)功能的電器元件帶動有關(guān)的機(jī)械部位運動，通過轉(zhuǎn)換舵機(jī)在打孔、注射、插瓶工作流程之間自動切換，進(jìn)而實現(xiàn)樹干注射的功能；如果是開啟藥物噴淋功能，555型電機(jī)啟動通過同步輪、同步帶以及滾珠絲杠傳動裝置使噴霧桿緩緩伸出，藥劑箱中的藥液在小型水泵的抽動下通過噴霧桿噴出，實現(xiàn)藥物噴淋功能。控制系統(tǒng)整體工作流程如圖5所示。

圖5 控制系統(tǒng)整體流程

4 整機(jī)性能

樹木病蟲害綜合防治裝備通過遙控手柄進(jìn)行遠(yuǎn)距離操作，操作人員可以通過液晶顯示屏顯示的數(shù)據(jù)，對整個系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控。如當(dāng)裝備到達(dá)作業(yè)位置后，進(jìn)行自動水平調(diào)節(jié)，MK60單片機(jī)通過分析和計算MMA8451加速度計、ENC-03RC陀螺儀的反饋信號，調(diào)節(jié)四個推桿電機(jī)，使車身保持水平，方便打孔、注射、插瓶機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)完成注射工作。如進(jìn)行樹干注射作業(yè)到達(dá)指定位置后，利用推桿電機(jī)的特性使機(jī)器架起，利用陀螺儀使機(jī)器保持水平，以保證機(jī)器在工作過程中的穩(wěn)定性，調(diào)節(jié)完成后使用遙控器選擇工作模式。模式一：主推桿電機(jī)工作，使鉆頭伸出在樹干上打孔，主推桿電機(jī)復(fù)位，換位舵機(jī)工作，主推桿電機(jī)使打藥裝置伸出，把藥水注入到樹干內(nèi)，復(fù)位。模式二：主推桿電機(jī)工作，使鉆頭伸出在樹干上打孔，主推桿電機(jī)復(fù)位，換位舵機(jī)工作，主推桿電機(jī)使打藥裝置伸出，把藥水注入到樹干內(nèi)，主推桿電機(jī)復(fù)位，換位舵機(jī)工作，主推桿電機(jī)使插瓶裝置伸出，推瓶裝置將藥瓶推下，緊固舵機(jī)將藥瓶插入樹干內(nèi)，復(fù)位。模式三：主推桿電機(jī)工作，使鉆頭伸出在樹干上打孔，主推桿電機(jī)復(fù)位，換位舵機(jī)工作，主推桿電機(jī)使插瓶裝置伸出，推瓶裝置將藥瓶推下，緊固舵機(jī)將藥瓶插入樹干內(nèi)，復(fù)位。如果是開啟藥物噴淋功能，555型電機(jī)啟動通過同步輪、同步帶以及滾珠絲杠傳動裝置使噴霧桿緩緩伸出，藥劑箱中的藥液在小型水泵的抽動下通過噴霧桿噴出，實現(xiàn)藥物噴淋功能。樹木病蟲害綜合防治裝備性能指標(biāo)見表1。

表1 樹木病蟲害綜合防治裝備性能指標(biāo)

5 推廣應(yīng)用價值

本樹木病蟲害綜合防治裝備具有以下優(yōu)點：

(1)功能齊全：集打孔、注射、插瓶，藥物噴淋等功能于一體的實用型機(jī)械。

(2)小而靈活：車體和小巧的機(jī)械設(shè)計使設(shè)備可以在狹窄的地形中行進(jìn)作業(yè)。

(3)節(jié)能環(huán)保：裝備為純電力驅(qū)動，無噪音，無污染性尾氣排放，清潔環(huán)保，成本較低。

本機(jī)器從減少人力、提高作業(yè)效率的角度出發(fā)，所設(shè)計的樹木病蟲害綜合防治裝備采用自動化控制，可以在減少人力的同時實現(xiàn)大范圍的樹木病蟲害防治，在未來的智能化園林建設(shè)中擁有很好的發(fā)展前景。