一種紅樹林智能植樹機器人的設(shè)計

劉孝賢 ， 余 江 ，鐘宇明 ，陳衍藝 ，陳煜靜

（1.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088）

人工造林效率低、速度慢且勞動強度大，而機械化造林則是大勢所趨，不僅可以提高勞動效率、減輕勞動強度，還能保證造林質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟效益。但大多數(shù)植樹機器人僅適用于硬質(zhì)泥土或沙地，而紅樹林以沿海灘涂地形為主，機器人若以傳統(tǒng)輪子作為行進結(jié)構(gòu)，在行進過程中易陷入淤泥，目前還沒有專適用于紅樹林地形植樹的機器人。基于紅樹林以灘涂地形為主的特點，以同步帶為行進機構(gòu)的紅樹林植樹機器人，可有效實現(xiàn)機器人一體化種植過程。因此，本研究通過對機器人結(jié)構(gòu)、材料等方面進行分析，采用科學的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，合理選材，結(jié)合灘涂地形特點，設(shè)計了一種紅樹林智能植樹機器人。

1 機器人植樹全流程動作簡要說明

機器人整體外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機器人首先移動至合適的植樹點，接著機器人中部的鉆頭機構(gòu)向下鉆出待植樹的樹坑，完成鉆孔工作后，機器人會自動收起鉆頭，接著機器人底部的光電傳感器啟動，機器人緩緩向前移動，當檢測到樹坑時停止前進，再緩慢移動調(diào)整至樹苗對準樹坑，并由光電傳感器通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制[1]。因此，在機器人向前移動時，底部的紅外光電傳感器會不斷檢測光線的強度變化，以精準地找到挖好的樹坑。接著樹苗底部的開門板打開，樹苗通過回填裝置落入樹坑中。待樹苗完全落入樹坑后，壓泥板向下按壓存放在回填裝置中的泥土。在按壓過程中，泥土通過回填裝置上的小孔卸往地面，填滿樹坑內(nèi)的空隙，為剛植入的樹苗完成回土。上述過程完成以后，機器人繼續(xù)移動，前往下一個合適的植樹點。

圖1 機器人整體外形結(jié)構(gòu)

2 機器人各機構(gòu)設(shè)計

2.1 同步帶機構(gòu)設(shè)計

目前，大多數(shù)植樹機器人僅適用于硬質(zhì)泥土或沙地，而紅樹林以沿海灘涂地形為主，機器人若以傳統(tǒng)輪子作為行進結(jié)構(gòu)，在行進過程中易陷入淤泥，造成行進困難、車輪受損等。因此，本設(shè)計采用同步帶輪，本同步帶式植樹機器人有以下特點：1）結(jié)構(gòu)緊湊，支撐面積大，下陷度小，適于松軟或泥濘場地作業(yè)；2）傳動比恒定，效率較高；3）支撐面上有履齒，不易打滑，爬坡能力強，有利于發(fā)揮較大的牽引力；4）具有良好越障能力。

行進機構(gòu)如圖2 所示。同步帶機構(gòu)采取輕量化設(shè)計，由一個主動同步帶輪、一個從動同步輪和6 個托帶輪組成，搭載一個三相馬達減速器及一個精密轉(zhuǎn)向器；減速器與轉(zhuǎn)向器由梅花聯(lián)軸器連接。6 個托帶輪支撐起同步帶整體的形狀，提供足夠的初拉力，降低滑差率。機構(gòu)外側(cè)采用全包裹外殼保護，避免淤泥對構(gòu)件造成損害。與傳統(tǒng)輪子相比，同步帶具有接地面積大、爬坡能力強、轉(zhuǎn)彎半徑小和跨溝越障能力強的特點，使機器人能夠適應(yīng)紅樹林灘涂地形[2]。同時，本同步帶表面設(shè)計有紋路，可以增大與地面的摩擦力，使得機器人在運動過程中不易打滑，為機器人的運動提供更多的動力。同步帶輪內(nèi)外側(cè)安裝有擋板，可有效防止在機器人行進過程中泥土及其他物質(zhì)被卷入，對履帶或其他結(jié)構(gòu)造成損害。

圖2 行進機構(gòu)

2.2 鉆孔機構(gòu)設(shè)計

鉆孔機構(gòu)如圖3 所示。鉆孔機構(gòu)由軸承導柱、絲桿、梅花聯(lián)軸器、換向器、步進電機、永磁直流電機以及一個可根據(jù)種植樹苗的根莖大小進行更換的螺紋鉆組成。螺旋鉆頭是由若干個截齒構(gòu)成的整體型鉆頭，鉆頭的受力取決于各個截齒的受力[3]。鉆頭動力裝置采用永磁直流電機，具有動力大、性能穩(wěn)定、噪聲低以及省電耐用等特點。永磁直流電機和螺紋鉆通過梅花聯(lián)軸器和換向器連接，導柱和絲桿兩端固定，組成一個可縱向運動的絲桿升降機平臺，平臺上安裝有螺旋鉆，傳動裝置采用步進電機，具有扭矩大、轉(zhuǎn)動角度精準等特點，其帶動鉆頭縱向運動時可以精確定位升降的高度。蝸輪絲杠升降機是一種體積小、使用靈活、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠、壽命長、安裝方便的機械產(chǎn)品，常用于相錯軸間的相錯角為90°的傳動[4]。電機和螺紋鉆之間組成的鉆孔機構(gòu)采用轉(zhuǎn)向器與電機連接，改變了電機傳輸?shù)牧Φ姆较?，在?jié)省空間的同時又不影響螺紋鉆的正常運作。

圖3 鉆孔機構(gòu)

鉆孔機構(gòu)工作原理：當植樹機器人確定好植樹的位置后，直流電機啟動，通過傳動裝置控制鉆頭轉(zhuǎn)動起來，當達到合適的轉(zhuǎn)速時，蝸輪絲桿升降機啟動，經(jīng)過蝸輪蝸桿減速電機的調(diào)速將回轉(zhuǎn)數(shù)減至所需的值，得到較大轉(zhuǎn)矩，并控制鉆頭平臺緩緩下降，同時鉆頭鉆入泥土中。當平臺觸碰到機器底板的觸碰開關(guān)時，控制鉆頭的直流電機停止轉(zhuǎn)動，升降機反向旋轉(zhuǎn)將螺紋鉆拔出，在拔出螺紋鉆的同時，一同將泥土一起向上拔出，最后留出一個待植樹的坑。

鉆孔直上直下的特點使空間更加節(jié)省，控制調(diào)試方面也更加方便。鉆孔機構(gòu)安裝在機器人的中部，使機器人在鉆孔時更加穩(wěn)定，同時在鉆頭拔出的過程中機器人整體受力均勻，不易發(fā)生側(cè)翻等情況。鉆孔的螺紋鉆可根據(jù)樹苗的根莖大小進行切換，適用于多種尺寸的樹苗，提高了樹苗安放的成功率、樹苗成活率以及該植樹機器人的利用率。

2.3 樹苗安放機構(gòu)設(shè)計

樹苗安放機構(gòu)如圖4 所示。樹苗安放機構(gòu)由樹苗安放轉(zhuǎn)盤、步進電機和開門板組成，轉(zhuǎn)盤上孔洞直徑180 mm、深250 mm，可安放7 棵樹苗，中心位置連接步進電機，可精準控制旋轉(zhuǎn)角度，開門板通過齒條完成與步進電機之間的傳動，實現(xiàn)開關(guān)門功能。步進電機作為一種受數(shù)字脈沖所控制可以進行特定角度轉(zhuǎn)動的硬件器件，具有精準度高、調(diào)整速度范圍大、設(shè)備控制簡單等特點[5]。并且采用的步進電機體積小，還能精確定位開門板移動極限，可以在不改變工作效率的情況下，減小機器人內(nèi)部空間的占用率。

圖4 樹苗安放機構(gòu)

樹苗安放過程：當植樹機器人完成挖坑后，先緩緩往前走，當安裝在樹苗安放機構(gòu)的紅外光電傳感器探測到樹坑時，機器人再停下與樹坑精準校對，樹坑校對完成后，開門板的步進電機啟動，開門板打開，樹苗通過回填裝置主體植入樹坑中。

與單個樹苗裝載的植樹機器人相比，采用轉(zhuǎn)盤裝載樹苗的機器人增加了樹苗裝載量，在提高植樹效率的同時，還提升了結(jié)構(gòu)空間的利用率。當一個樹苗種植完成后，轉(zhuǎn)盤步進電機轉(zhuǎn)動控制轉(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)，預備好下一個種植的樹苗。該結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，在不降低使用效果的情況下，可同時完成整個樹苗的植入過程。

2.4 泥土回填機構(gòu)設(shè)計

泥土回填機構(gòu)如圖5 所示。泥土回填裝置主要由回填裝置主體、壓泥板、分別控制壓泥板與泥土回填平臺高度升降的兩部蝸輪蝸桿升降機和一個減速電機組成?；靥钛b置主體由3D打印而成，高度為615 mm，最大處直徑800 mm，最小處直徑320 mm，底部有4個識別攝像頭，用來識別、對齊樹坑。壓泥板外徑為600 mm、內(nèi)徑為320 mm，同心鐵板通過絲桿傳動向下運動進行擠壓泥土的動作，實現(xiàn)回填泥土功能?；靥钛b置主體中“上直徑大，下直徑小”的結(jié)構(gòu)讓盛裝泥土的容器能容納更多的泥土，提高了空間利用率。加之普遍紅樹林樹苗坑洞的體積相較整個泥土回填裝置小，“上直徑大，下直徑小”的尺寸差能提高泥土回填的準確率，保證樹苗的成活率。該結(jié)構(gòu)采用減速電機，減速電機主要是通過齒輪的傳動比來改變轉(zhuǎn)速的，在工作時可以為泥土回填動作提供更大的扭矩[6]。

圖5 泥土回填機構(gòu)

泥土回填過程：回填裝置中預先裝好與樹苗生長環(huán)境相似的土壤，當樹苗掉入樹坑后，STM32 單片機控制三個蝸輪蝸桿減速機運作。蝸輪蝸桿減速機是一種動力傳達機構(gòu)，它利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機的回轉(zhuǎn)數(shù)減到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大的轉(zhuǎn)矩[7]，從而控制泥土回填裝置平臺往下降至預設(shè)高度為止；此時控制壓泥板的升降機運作，壓泥板向下運動擠壓泥土，將泥土通過由圓形環(huán)形陣列切除的細小圓盤出泥口擠壓出來，擠壓出來的泥土均勻細膩，減少了在泥土回填過程中對植株造成的傷害。

3 機器人結(jié)構(gòu)材料選擇

3.1 同步帶材料選擇

本機器人同步帶以鋼絲為抗拉體，外面包覆橡膠而組成，比鋼履帶更具耐腐蝕性，不僅可以增加在灘涂地形移動的受力面積，而且重量也比較輕，有利于植樹作業(yè)的進行。其他的緊固件等采用達克羅涂層處理來滿足耐腐蝕的需求，該涂層有非常優(yōu)良的耐蝕性和高溫化學穩(wěn)定性，涂層中具備多孔結(jié)構(gòu)，能夠提升涂層的耐腐蝕性[8]。

3.2 鉆頭材料選擇

螺旋鉆頭主要選用錳鋼來制作，錳鋼具有質(zhì)地堅硬、強度高和韌性良好等特點，對于硬土質(zhì)、超硬土質(zhì)、黏土、凍土等土質(zhì)都能正常工作，擴大了對多種土地的覆蓋范圍，提高了鉆孔效率。錳鋼硬度高的特點可以克服大部分鉆孔問題，在提高機器人的鉆孔效率的同時，可提高樹苗的成活率。

3.3 樹苗安放機構(gòu)材料選擇

樹苗安放機構(gòu)和泥土回填機構(gòu)用氧化鋁陶瓷材料制作，氧化鋁陶瓷具有硬度高、耐腐蝕、耐磨損、電絕緣性好等一系列優(yōu)良的物理化學性能，而且原料充足，價格便宜[9]，可以延長機構(gòu)的使用壽命。

3.4 外殼材料選擇

紅樹林土壤具有高鹽強酸的性質(zhì)，采用耐鹽堿材料可延長本紅樹林植樹機器人的使用壽命。機器人外殼使用鋁合金材料，鋁合金具有密度小、強度高、重量輕、成本較低的特點，經(jīng)過硬質(zhì)陽極氧化處理以后，具備耐高溫、耐腐蝕的特性；主要選用6061 鋁合金，其具有極佳的加工性能、優(yōu)良的焊接特點及電鍍性、良好的抗腐蝕性與比強度等優(yōu)良特點[10]。相較于同樣具備耐腐蝕性的碳纖維復合材料外殼，鋁合金的抗腐蝕性能很好，它在空氣中能形成一層氧化膜，阻止腐蝕的進一步發(fā)生。

4 結(jié)語

綜上所述，本研究詳細介紹了機器人種植紅樹林幼苗的過程，同時提出行進機構(gòu)、鉆孔機構(gòu)、樹苗安放機構(gòu)及泥土回填機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。與傳統(tǒng)植樹機器人相比，本設(shè)計的機器人當完成樹苗植入后可以快速回土，有效提升樹苗成活率，專適用于紅樹林灘涂地形，可全自動完成挖坑、植入樹苗、泥土回填一整套種植過程，適用于多種尺寸的樹苗。