一種適用于濕地地形的植樹機器人設(shè)計*

胡俊澤 ， 余 江 ， 陳柯良 ， 羅世維 ， 李雨婷

（1.廣東海洋大學機械工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學機器人實驗室創(chuàng)新團隊，廣東 湛江 524088；3.廣東海洋大學電子與信息工程學院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學管理學院，廣東 湛江 524088）

0 引言

濕地具有復雜的生態(tài)系統(tǒng)和地形特征，其中紅樹林是最具有代表性的生態(tài)環(huán)境之一。紅樹林因其密集發(fā)達的支柱根而著稱，被譽為“海上衛(wèi)士”，能夠抵御臺風和海浪的侵襲，對沿海地區(qū)具有重要意義。然而，由于濕地地形的復雜性[1]和傳統(tǒng)植樹方法的局限性，紅樹林的保護和恢復面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。盡管目前已經(jīng)存在一些植樹機器人，但它們主要適用于一般地形和樹木類型的種植，并未特別針對濕地地形和紅樹林的特點進行優(yōu)化設(shè)計。此外，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機械也無法直接應用于紅樹林的種植和修復。

因此，本研究旨在設(shè)計一種適用于濕地地形的新型植樹機器人，結(jié)合紅樹林的地形與種植特點以及機器人技術(shù)，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)機器人在復雜濕地地形中的自動化和高效化種植。這種機器人可以提高種植效率、降低勞動成本并解決人力不足的問題[3]，為紅樹林生態(tài)系統(tǒng)的保護和恢復提供重要技術(shù)支持。本研究對于推動濕地植樹機器人的技術(shù)發(fā)展具有重要的實踐意義和理論價值。

1 機器人整體介紹

1.1 機器人外形結(jié)構(gòu)

機器人整體外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，以鋁型材為基本搭建框架，采用12.9 級杯頭內(nèi)六角螺絲固定，銜接處以鑄鐵角碼輔助連接，更加緊固。此外，在部分受力結(jié)構(gòu)如履帶承重軸，使用高碳鋼焊接方式連接，使其整體質(zhì)量盡可能輕量化，有助于防止陷入灘涂地，增強其靈活性。

圖1 機器人整體外形結(jié)構(gòu)

1.2 機器人全流程執(zhí)行動作

裝載完樹苗的機器人在收到上位機指令后，先移動到指定的種植區(qū)域，再啟動自動植樹模式，開始自動種植樹苗。

首先由機器人中部的鉆頭向下鉆出待植樹的樹坑，然后機器人向前移動，當機器人底部的紅外光電傳感器檢測到樹坑時，機器人停止前進，緩慢移動調(diào)整至樹苗對準樹坑為止，此時，儲存苗倉的步進電機運作，將樹苗移動放入導向道，當檢測到導向道有樹苗進入后，導向道底部的門板打開，樹苗通過回填裝置的主體落入樹坑中，然后由壓泥板向下按壓存放在回填裝置中的泥土，泥土通過回填裝置上的圓孔卸往地面，填滿樹坑內(nèi)的空隙，夯實剛植入的樹苗。上述過程全部完成以后，機器人繼續(xù)移動，前往下一個合適的植樹點[4]。

2 機器人部分機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 履帶底盤機構(gòu)設(shè)計

紅樹林的生長環(huán)境以沿海灘涂為主，機器人若以傳統(tǒng)滾輪作為行進機構(gòu)，在行進過程中容易陷入泥土中，為了解決這一問題，在設(shè)計時使用履帶。履帶整體結(jié)構(gòu)采取輕量化設(shè)計，負重輪由2 個主動輪和4 對從動輪組成，履帶底盤機構(gòu)如圖2所示。

圖2 履帶底盤機構(gòu)

該機構(gòu)排布簡潔有序，后期裝配和零件更換更加方便，采用12.9 級內(nèi)六角螺絲和8 級法蘭螺母配合連接，在保證拆卸方便的同時也不失連接強度，履帶結(jié)構(gòu)方面采用具有重量輕、強度高等優(yōu)點的橡膠履帶。

相比于傳統(tǒng)滾輪，履帶的接觸面積更大，可以有效降低機器人對地面的壓強，使其不易陷入淤泥之中，同時，履帶表面附有紋路、凹槽，可以大大增加機器人與地面接觸時的摩擦力，使機器人在運動過程中不易打滑，提高機器人對能量的利用效率。

如圖3 所示，履帶采用雙向可調(diào)節(jié)的張緊輪調(diào)節(jié)方式，主要作用是為履帶提供預張緊力[5]、延長履帶壽命、提高通過性能以及調(diào)節(jié)履帶的松緊程度。通過調(diào)整張緊輪的位置和張緊度，可以確保履帶與地面之間的接觸始終牢固，提供良好的牽引力和操控性。此外，適當?shù)膹埦o度還能減少履帶與其他部件的摩擦和磨損，延長履帶的使用壽命。根據(jù)不同的地形和工作條件要求，調(diào)整張緊度可以改變履帶與地面的接觸表面積和壓力，從而提高車輛的通過性能。同時，根據(jù)行駛速度、工作負荷或路面條件，調(diào)節(jié)張緊輪能夠改變履帶的松緊程度，以適應不同的工作環(huán)境。

圖3 履帶張緊輪調(diào)節(jié)部分

憑借履帶的大輪徑優(yōu)勢，機器人可輕松越過石塊、灘涂、水坑等障礙物，而如果遇到無法越過的障礙物，機器人會通過視覺識別，并通過Mesh 技術(shù)發(fā)送信號到終端[6]，分析計算后，自動調(diào)整行進方向。如果機器人因側(cè)翻等因素導致無法運動，會向外發(fā)送求救信號，等待技術(shù)人員前來檢查與維修。

2.2 鉆孔機構(gòu)設(shè)計

鉆孔機構(gòu)如圖4 所示，主要由電機直角固定板、永磁直流有刷電機、螺母螺絲、大扭力推桿、鉆機鉆頭組成。該結(jié)構(gòu)主要需完成的工作是對濕地進行鉆孔，由上述組成部分互相配合使鉆機鉆頭縱向移動。鉆機鉆頭的動力來源于永磁直流有刷電機，其具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、用銅量少等優(yōu)點。有刷電機帶動鉆頭高速轉(zhuǎn)動，大扭矩推力推桿使得鉆頭跟隨下底板縱向移動開始鉆土。在鉆出一個深度適宜的孔后，鉆頭暫時停止轉(zhuǎn)動，豎直向上移動，而后重新開始轉(zhuǎn)動，將附著在鉆頭上的泥土甩出鉆頭，并在孔的周圍形成圓環(huán)狀土堆，工作結(jié)束。

圖4 鉆孔機構(gòu)

2.3 導苗機構(gòu)設(shè)計

導苗機構(gòu)如圖5 所示，主要由圓管、大扭矩推力推桿、小型推桿、金屬管卡、螺絲螺母、鏟頭與推桿固定架等組成。其中，圓管、小型推桿、開合器與推桿固定架組成導苗管；鏟頭與導苗管相連接后固定于螺母固定件上，使得鏟頭能在一定方向上直線移動；大扭矩推力推桿的一端固定于車體上，另一端固定在導苗管上。工作時，先從儲苗倉取出樹苗置于導苗管中，然后縱向移動將樹苗送入鉆孔結(jié)構(gòu)事先挖好的孔洞中，而后再通過小型推桿將鏟頭打開，接著將鏟頭移出孔洞，整個結(jié)構(gòu)豎直向上移動，工作結(jié)束。

圖5 導苗機構(gòu)

2.4 覆土機構(gòu)設(shè)計

覆土機構(gòu)如圖6 所示，主要由加工后的鋁板、加工后的4040 鋁型材、2020 鋁型材、十字連接板、踏板以及雙軸舵機組成。在送苗機構(gòu)移出孔洞后，雙軸舵機便會驅(qū)動由鋁板、鋁型材、十字連接板組成的平行四邊形連桿機構(gòu)運動，控制踏板上下運動，將樹苗徹底壓入土中并壓實。

圖6 覆土機構(gòu)

2.5 儲苗倉機構(gòu)設(shè)計

儲苗倉機構(gòu)如圖7所示，將其進行可堆疊化設(shè)計，目的在于提高儲苗量，同時實現(xiàn)更高的空間利用率。該機構(gòu)將樹苗的頭部放入滑槽，尾部緊貼內(nèi)壁，以實現(xiàn)對樹苗的儲存。其運行方式為由舵機旋轉(zhuǎn)帶動十字送料板將樹苗送入導苗筒中，在重力的作用下，下一棵樹苗會來到前一棵樹苗的位置，重復以上操作，儲苗倉功能結(jié)束。該儲苗倉機構(gòu)最大的亮點是能夠安全堆疊，節(jié)省空間，并提供更大的儲存容量。這不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，還可以減少倉儲成本和占地面積。儲苗倉的可堆疊設(shè)計還方便運輸和搬運，可提高樹苗運載量，并且便于管理和組織苗木。通過這種設(shè)計，可以使種植更加高效，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖7 儲苗倉機構(gòu)

3 機器人機電一體化控制部分設(shè)計

3.1 嵌入式系統(tǒng)下位機設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)下位機為系統(tǒng)的底層，用于執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備驅(qū)動等任務(wù)。具體為接收上位機發(fā)出的信號控制各個功能部件執(zhí)行命令以及采集各個傳感器部件的信息發(fā)送回上位機。其中，還需有連接各個傳感器與MCU 的PCB 以及調(diào)試部分，MCU選擇性能強大、引腳口較多的STM32H750VBT6。

3.1.1 PCB設(shè)計

PCB 在電子設(shè)備中扮演著關(guān)鍵的角色，它提供了電氣連接、機械支持、電氣隔離、信號分配、散熱、封裝、組裝和維修等功能，同時有助于節(jié)省空間和提高設(shè)備性能[7]。該部分的設(shè)計邏輯主要為引出MCU 的I/O 口，方便各個傳感器與其直接連接，簡化線路。

3.1.2 程序設(shè)計

程序的編寫邏輯主要通過串口通信與上位機進行實時數(shù)據(jù)傳輸[8]，內(nèi)部封裝有串口接收函數(shù)，當接收到數(shù)據(jù)后，會有一個執(zhí)行函數(shù)，對接收到的數(shù)據(jù)進行譯碼操作，針對破解的譯碼會有對應的執(zhí)行函數(shù)，由此便可根據(jù)上位機發(fā)送的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應操作。

發(fā)送數(shù)據(jù)同理，發(fā)送與其接收數(shù)據(jù)包相同的數(shù)據(jù)串，上位機進行接收并通過譯碼獲得各個傳感器返回的數(shù)值，再通過二次譯碼得到環(huán)境監(jiān)測傳感器的具體數(shù)值。

3.2 嵌入式系統(tǒng)上位機設(shè)計

該部分主要用于接收控制終端發(fā)送的指令，并通過譯碼將需要轉(zhuǎn)述給下位機的指令通過串口通信轉(zhuǎn)述給下位機，進而實現(xiàn)通過控制終端控制機器人；同時，也負責將采集到的數(shù)據(jù)反饋給控制終端。所使用的MCU 為樹莓派4B，該硬件使用較為方便，可參考項目較多，大大降低了開發(fā)難度[9]。

3.3 服務(wù)器端設(shè)計

該部分主要用于對所有環(huán)境數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，最終呈現(xiàn)出生長情況最好的環(huán)境條件發(fā)送給客戶端；對輸入的畫面進行算法解算，并根據(jù)客戶端要求規(guī)劃路徑發(fā)送給上位機；對接客戶端，與人直接進行交互。

從廣義上來講，服務(wù)器端可充當機器人的大腦部分，上位機可類比為神經(jīng)，下位機可類比為脊椎，各傳感器可類比為感官，所有指令都由操作人員經(jīng)由客戶端發(fā)出，做到遠程控制多臺機器人[10]。

4 總結(jié)與展望

本研究深入探討了一種專門針對濕地地形，特別是紅樹林灘涂區(qū)域的全自動植樹機器人設(shè)計。通過對其特殊結(jié)構(gòu)，包括行進機構(gòu)、鉆孔機構(gòu)、樹苗安放機構(gòu)以及泥土回填機構(gòu)的詳細設(shè)計闡述，本研究展示了該機器人在種植紅樹林幼苗過程中的高效性和靈活性。與傳統(tǒng)的植樹機器人相比，這種新型機器人的設(shè)計更符合濕地地形的工作需求，其快速回土的能力也顯著提高了樹苗的成活率。此外，該機器人的設(shè)計還考慮到了對不同尺寸樹苗的適應性，使其應用范圍更加廣泛。

隨著科技的不斷進步和人們環(huán)保意識的增強，未來的植樹機器人將會更加智能化和高效化。對于紅樹林種植修復事業(yè)來說，未來的研究方向可能會集中在如何進一步提升機器人的自動化程度，例如通過引入更多的傳感器和智能化算法來實現(xiàn)對環(huán)境的精確感知和適應。此外，將機器人技術(shù)與其他生態(tài)修復技術(shù)相結(jié)合也十分重要，例如利用無人機進行種子的精確投放，利用生物技術(shù)提升樹苗的生長速度等。最后，對于種植機器人來說，如何實現(xiàn)在復雜地形中的高效移動和精確操作，將是未來研究需要解決的關(guān)鍵問題，這可能需要通過引入更先進的導航和控制技術(shù)來實現(xiàn)。