自動循環(huán)式挖穴栽植一體機的設計*

李伊凡 ， 康之訥 ， 秦 堃 ， 謝新杰 ， 徐陶祎

（武漢城市學院，湖北 武漢 430083）

1 概述

植樹造林是我國綠色發(fā)展工作重點之一。在推進“一帶一路”建設的過程中，幫助沿線地區(qū)解決土地荒漠化的問題，具有積極的意義。據2020年發(fā)布的第九次全國森林資源調查結果，全國森林覆蓋面積為2.21億公頃，森林覆蓋率為22.96%，遠低于世界31%的平均水平，尤其是甘肅、新疆等地區(qū)，由于人力資源匱乏加之土質原因，森林覆蓋率僅為10%左右[1]。因此，要想實現我國森林資源建設的總體目標，機械化植樹造林是必由之路。

2 自動循環(huán)式挖穴栽植一體機機械結構設計

2.1 整體架構

自動循環(huán)式挖穴栽植一體機的機械結構包括：履帶式驅動行走機構、三葉爪升降式挖坑機構、旋轉輪盤送苗機構、培土機構和澆水機構。將行駛、挖坑、栽植、培土和澆水等多種功能合而為一，機械整體結構如圖1所示。

圖1 自動循環(huán)式挖穴栽植一體機整體結構圖

2.2 履帶式驅動行走機構

全自動栽植一體機的行走機構由履帶底盤、控制電機、齒輪、傳動桿等組成，如圖2所示。

圖2 履帶式驅動行走機構結構圖

考慮到產品主要的工作環(huán)境為荒漠區(qū)沙地或地形崎嶇的林地，因此，選擇了固定式履帶行走機構。該機構由全數字控制的四輪直流伺服電機組成，負責機器人在作業(yè)過程中的行走驅動。其特點是導向輪不作支撐，驅動能力、承載能力和穩(wěn)定性表現更佳，能避免在復雜地貌中行走時因卷入泥土而造成的磨損和失效，從而延長驅動輪和導向輪的使用壽命。并且在雨雪地、泥地、沙地等坡度路面提高地面摩擦力，避免出現車輪空轉現象。

2.3 三葉爪升降式挖坑機構

挖坑機構位于履帶底盤中間，采用三葉爪式升降挖頭，便于挖穴成型和向周圍堆放。三葉爪升降式挖坑機構主要由三葉爪式取土挖穴器、導軌、滑塊、動力輸入軸、伸縮電機、機架連接銷等組成，如圖3所示。

圖3 三葉爪升降式挖坑機構結構圖

三葉爪式取土挖穴器設計為三塊上端大、下端小的三角形狀葉片，有利于挖坑時挖頭順利地刺入土壤。工作時挖頭沿導軌向下滑動以張開的姿態(tài)豎直向下入土，同時對土壤產生剪切作用，在達到一定入土深度后，在伸縮電機作用下各葉片沿滑槽移動，挖頭閉合器閉合，使土壤產生形變而匯集在挖頭內部，隨后沿導軌向上以閉合姿態(tài)豎直出土，完成取土的同時形成孔穴，挖頭隨整機運行移動至成型孔穴前方，再在伸縮電機的作用下向外打開完成排土，隨后復位完成整個挖坑成穴過程。

2.4 送苗栽植機構

送苗栽植機構主要由蝸輪環(huán)、蝸桿、旋轉環(huán)、苗株卡槽、栽植機械臂、電機等部件組成，如圖4所示。

圖4 送苗栽植機構結構圖

運用蝸輪蝸桿的運動特點，創(chuàng)新式設計蝸輪環(huán)結構，底部利用帶有滾珠軸承的旋轉環(huán)與履帶底盤相連，蝸輪環(huán)上根據栽植需要設置6～8個苗株卡槽。工作時，電機帶動蝸桿傳動蝸輪環(huán)，使得安裝在環(huán)上的苗株卡槽轉動。安裝在送苗機構后方的6自由度機械臂每次都夾取正前方卡槽中的樹苗，并將其放置到剛剛挖好的坑穴中，完成一次樹苗的輸送，接著蝸輪環(huán)轉動一格，機械臂放置下一棵樹苗，直至蝸輪環(huán)上的苗株放置完畢。

2.5 培土機構與澆水機構

培土機構連接于履帶底盤后部下表面處，由導輪、滑軌、皮帶、連桿式培土塊、培土塊固定件、舵機、電機等組成，如圖5所示。工作時，皮帶帶動培土塊滑動聚攏，再以舵機控制連桿機構，實現培土塊的上下往復踩踏動作，從而完成培土過程中的反復拍土，高效地完成聚攏拍土環(huán)節(jié)。

圖5 培土機構結構圖

澆水機構包括水箱、水管、噴頭和電動水泵，培土過程結束后，主控單元控制開關閥的關閉進而完成澆水作業(yè)。在這個工作過程中，控制系統(tǒng)會根據不同種類樹苗所需水量的不同來控制澆水時間，完成差異化作業(yè)。

3 系統(tǒng)控制結構

本設計方案基于Torobot藍牙模塊、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵機驅動板，其整體的控制系統(tǒng)主要由兩部分組成。一部分為運動控制系統(tǒng)，由直流伺服驅動電機和高性能多軸運動控制器組成，主要用來完成植樹機器人的行駛、挖坑、栽植、培土和澆水等功能；另一部分為信息傳輸系統(tǒng)，主要包括人機接口、多傳感器信息融合單元，比如數據采集、數據處理和環(huán)境監(jiān)測等[2]。系統(tǒng)總體結構如圖6所示。

圖6 植樹機器人控制系統(tǒng)總體框圖

為了使植樹機器人具備良好的運動性能，采用了專業(yè)驅動器來實現直流伺服電機的運轉。本設計選用銘朗科技公司的MLD3810電機驅動器[3-4]，該驅動器可以很好地控制電機轉速，從而改變機器人的移動速度。該驅動器通過RS232串口與運動控制卡進行通信，完成主控芯片控制、參數調整以及在線監(jiān)測等功能，利用輸入模擬信號和PWM信號控制植樹機器人運動速率，利用輸入脈沖信號和方向信號控制植樹機器人步進模式[5-8]。

機器人上安裝HOKUYO公司制造的URG-04LX 2D型激光掃描傳感器[9]，可完成測量工作，測量距離范圍為60 mm～4 000 mm，測量角度為0°～360°，掃描間隔時間為100 ms，用于控制植樹機避障、識別植樹坑穴位置等功能。

本設計選用LP3300型號數字羅盤，羅盤自帶傾角傳感器和磁場傳感器，可以測量植樹機器人的航向、俯仰角等參數，主要用于辨別植樹機的行進方向[10]。羅盤本身具有俯仰角度和翻轉角度的補償功能，當植樹機在斜坡上行駛或遇到障礙時，羅盤的俯仰角和翻轉角輸出數值變化不大。

4 設計創(chuàng)新點

相較于市面上已有的栽植設備，該自動循環(huán)式挖穴栽植一體機有如下創(chuàng)新點：

1）本設計可實現林木栽植過程自動化，且工作過程中可以動態(tài)調整工作參數，可用于代替繁重的人工勞動，可在艱苦的環(huán)境中作業(yè)，具有廣闊的應用前景。

2）較之市面上功能較為單一的挖坑機，課題組所設計的全自動栽植一體機將挖坑、送苗、培土和澆水四個步驟集于一體，具有高度的功能集成化，一臺機器能夠完成全部栽植過程。

3）本設計具備間歇式挖穴栽植機構的控制系統(tǒng)，可實現行進間間歇式挖穴栽植、智能調節(jié)栽植深度以及精準株距控制等，自循環(huán)完成栽植作業(yè)。