沖壓式智能植樹機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)*

武佳旭 ， 陶家鼎 ， 趙德金 ， 王德超

（延邊大學(xué)工學(xué)院，吉林 延邊州 133002）

1 研究背景

我國(guó)西北地區(qū)受氣候變化的影響，其荒漠化治理問(wèn)題備受關(guān)注。荒漠化對(duì)我國(guó)的生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和生產(chǎn)生活造成了威脅與危害，嚴(yán)重影響了人民的生存環(huán)境，極大地制約了我國(guó)地方經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

我國(guó)荒漠化土地總面積261.16萬(wàn)km2，占國(guó)土面積的27.2%。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)荒漠化防治工作堅(jiān)持依法防治、科學(xué)防治，堅(jiān)持以植樹造林、植被恢復(fù)為手段，不斷健全法律法規(guī)，優(yōu)化頂層設(shè)計(jì)，持續(xù)深化改革，加強(qiáng)監(jiān)督考核，實(shí)施重點(diǎn)工程治理，強(qiáng)化荒漠植被保護(hù)。“十三五”期間，累計(jì)完成防沙治沙任務(wù)1 097.8萬(wàn)hm2，完成沙漠化治理面積160萬(wàn)hm2[1]。因此，為徹底解決我國(guó)土地荒漠化問(wèn)題，提高森林覆蓋率，改善生態(tài)環(huán)境，必須大力開展機(jī)械化和智能化的植樹造林工作，課題組采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種小型智能植樹機(jī)，極大地解放了勞動(dòng)力，提高了植樹造林效率。

2 總體設(shè)計(jì)

課題組參照傳統(tǒng)人工苗木栽種流程進(jìn)行智能植樹機(jī)作業(yè)流程研究，根據(jù)傳統(tǒng)的人工植樹過(guò)程中兩人協(xié)同完成流程進(jìn)行分析：一人進(jìn)行樹穴挖掘，挖至規(guī)定深度，隨后一人將樹苗豎直放入坑內(nèi)扶正、覆土，最后進(jìn)行壓土、澆水，同理，下一苗木種植流程同上。進(jìn)行初步研究后得知傳統(tǒng)的人工種植過(guò)程受工作強(qiáng)度、時(shí)間、地區(qū)環(huán)境等因素影響，人工種植過(guò)程中工作人員的體力消耗較大、種植效率較低，不能完全滿足植樹時(shí)節(jié)上的需要，并且由于栽種區(qū)域多為干旱悶熱環(huán)境，需要隨時(shí)攜帶澆灌用水，導(dǎo)致栽種作業(yè)效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作人員在長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行栽種作業(yè)后身體極易疲憊[2-3]。

為解決以上問(wèn)題，可以采用機(jī)器人來(lái)代替人工進(jìn)行種植。課題組基于現(xiàn)代智能技術(shù)設(shè)計(jì)了一種小型沖壓式智能化苗木種植機(jī)器人，適用于桿狀苗木植物的種植，如胡楊苗、楊柳等?？梢詫?shí)現(xiàn)多種類苗木與復(fù)雜環(huán)境一體化、智能化的苗木栽種，并且滿足植樹精準(zhǔn)、連續(xù)性好、存活率高等種植要求。

課題組設(shè)計(jì)的智能植樹機(jī)主要由智能電控系統(tǒng)、底盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（電動(dòng)履帶）、多功能一體化種植筒、苗木存儲(chǔ)分選轉(zhuǎn)盤裝置、儲(chǔ)水澆水系統(tǒng)、太陽(yáng)能供給儲(chǔ)能部分組成，具有自動(dòng)完成樹穴定位、分苗、種植、壓土、澆水等功能[4-10]。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 一體化苗木存儲(chǔ)分選部分

苗木存儲(chǔ)分選裝置以中心平行導(dǎo)軌連接方式固定于植樹機(jī)機(jī)架1上方。存儲(chǔ)分選圓盤分為兩層，苗木下?lián)醣P6固定不動(dòng)與移動(dòng)框架3相連接，邊緣處預(yù)留42步進(jìn)電機(jī)7安裝孔；下方裝有12 V小型電動(dòng)推桿10用于推動(dòng)苗木轉(zhuǎn)盤移動(dòng)。苗木在轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)下來(lái)到指定投放口11的位置，受重力作用掉入下方的植樹筒中；上面一層設(shè)計(jì)為外齒輪轉(zhuǎn)盤9，與步進(jìn)電機(jī)輸出軸上小齒輪8嚙合可實(shí)現(xiàn)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)不同角度指令，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)樹苗的不間斷運(yùn)送。當(dāng)一個(gè)圓盤的樹苗全部種植完成后，由電動(dòng)推桿控制苗木轉(zhuǎn)盤切換，使下一個(gè)圓盤到達(dá)第一個(gè)圓盤的位置，便可重復(fù)與上一苗木轉(zhuǎn)盤同樣的分選過(guò)程。苗木存儲(chǔ)分選轉(zhuǎn)盤各部分組成，如圖1所示。

圖1 苗木存儲(chǔ)分選轉(zhuǎn)盤

2.1.2 多功能一體沖壓植樹筒

多功能一體沖壓植樹筒，主要結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電動(dòng)推桿、支撐架、重型滑軌、樹苗輸送筒、圓錐形筒蓋組成。樹苗通過(guò)苗木投放孔后受重力影響落到?jīng)_壓式植樹筒中，植樹筒在電機(jī)推桿推動(dòng)重型滑軌的作用下一同向下移動(dòng)，圓錐形筒蓋插入土中，電動(dòng)推桿收縮，通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)將圓錐形筒蓋打開；然后，樹苗輸送筒身后的電動(dòng)推桿收縮，輸送筒上升，樹苗栽土中。在植樹筒尾部裝有壓苗裝置，待植樹筒將樹苗插入土中后，由信號(hào)控制器發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)壓苗裝置隨電動(dòng)推桿下移，將樹苗周圍松土壓實(shí)，隨后電動(dòng)推桿上移進(jìn)行下一操作。多功能一體植樹筒整體構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 多功能一體植樹筒

2.2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)后輪由兩個(gè)24 V，8寸的直流無(wú)刷輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)，由樹莓派平臺(tái)控制鼓輪電機(jī)控制器（AMQD6020BLS-E2F）實(shí)現(xiàn)植樹機(jī)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。當(dāng)兩輪同時(shí)以相同速度、向相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，植樹機(jī)前行；當(dāng)兩輪同時(shí)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，植樹機(jī)后退；當(dāng)兩輪停止旋轉(zhuǎn)時(shí)，植樹機(jī)停止。通過(guò)傳感器控制兩輪的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動(dòng)速度可實(shí)現(xiàn)植樹機(jī)的左右轉(zhuǎn)向，例如左輪后旋右輪前旋即為左轉(zhuǎn)；右輪后旋左輪前旋即為右轉(zhuǎn)?？梢栽谇胺皆O(shè)置兩個(gè)萬(wàn)向輪，使得植樹機(jī)的轉(zhuǎn)向可以僅通過(guò)后輪的旋轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)。

2.3 智能控制系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)

2.3.1 集成式樹莓派繼電器選型

智能控制系統(tǒng)主要以樹莓派為控制核心，并采用微雪集成式8路繼電器為控制單元，實(shí)現(xiàn)了各部件電動(dòng)推桿、澆水電磁閥的開關(guān)等控制，極大地縮小了控制單元布局，并能更好地使其控制單元通信保持最佳狀態(tài)。樹莓派與繼電器集成效果，如圖3所示。

圖3 樹莓派與8路繼電器集成效果

2.3.2 步進(jìn)電機(jī)DBD控制器選型

步進(jìn)電機(jī)控制器采用DBD-Ant集成式控制模塊，該模塊可以控制不同型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)，并且其尺寸僅為50 mm*30 mm*9 mm，采用ARMCortex-M3內(nèi)核的32位處理器，主頻72 MHz，配備TOSHIBA的雙全橋驅(qū)動(dòng)IC，運(yùn)行空間矢量控制算法及動(dòng)態(tài)力矩調(diào)節(jié)算法，可以控制42、57型步進(jìn)電機(jī)，支持Windows、Linux、Android、Mac系統(tǒng)，支持PC、樹莓派、Ardunio等（需USB或CAN接口），接口協(xié)議開放，并具備級(jí)聯(lián)功能。接線方法如圖4所示。

圖4 DBD控制器級(jí)連接線方法

2.3.3 直流電動(dòng)推桿控制設(shè)計(jì)

采用L298N直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，輸入端可與樹莓派引腳直接相連，控制直流電機(jī)完成作業(yè)指令，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過(guò)ENDA和ENDB輸入PWM信號(hào)，還可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加減速。

2.3.4 減速步進(jìn)電機(jī)選擇

本設(shè)計(jì)采用2相4線42型大扭矩減速步進(jìn)電機(jī)，主要用于苗木轉(zhuǎn)盤運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)正時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，完成苗木分選工作。

3 工作方式

首先在程序里預(yù)定各部分的工作時(shí)間，植樹機(jī)根據(jù)后臺(tái)控制端到達(dá)初始點(diǎn)開始工作，與此同時(shí)苗木分選機(jī)構(gòu)工作，將樹苗投入，隨后沖頭向下沖壓，將樹苗插入土中，植樹筒前段分開，苗木受周圍土壤覆蓋定位，推桿回收將植樹筒收回至指定位置。壓實(shí)機(jī)構(gòu)接受指令進(jìn)行換向工作，推桿再次伸出，推動(dòng)壓實(shí)裝置工作，壓實(shí)完成后推桿收回至初始位置，澆水系統(tǒng)電磁閥工作，完成澆水后，植樹機(jī)繼續(xù)向前行進(jìn)固定株距，再次重復(fù)上述作業(yè)。如此往復(fù)進(jìn)行工作。植樹機(jī)作業(yè)運(yùn)行流程，如圖5所示。

圖5 植樹作業(yè)流程

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)

1）相較于目前市面上的植樹機(jī)，本植樹機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放苗、栽種、壓實(shí)、澆水、行走等完整的植樹作業(yè)流程，可以大幅度減少人力成本。

2）本植樹機(jī)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制、手動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了植樹機(jī)在工作過(guò)程中的多模式應(yīng)用。

3）僅通過(guò)控制兩個(gè)輪的旋轉(zhuǎn)方向和速度就可以完成植樹機(jī)的苗木分揀與存儲(chǔ)過(guò)程，使得驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)大大簡(jiǎn)化。運(yùn)苗部分采用推桿與齒輪相結(jié)合的方式，通過(guò)控制推桿及齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角度可以高效地完成分苗放苗活動(dòng)。

4）以樹莓派為載體，可為以后物聯(lián)、互聯(lián)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)留有充足的擴(kuò)展空間，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、種植業(yè)提供了技術(shù)參考與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。