一種紅樹(shù)林智能植樹(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

劉孝賢 ， 余 江 ，鐘宇明 ，陳衍藝 ，陳煜靜

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

人工造林效率低、速度慢且勞動(dòng)強(qiáng)度大，而機(jī)械化造林則是大勢(shì)所趨，不僅可以提高勞動(dòng)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，還能保證造林質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、提高經(jīng)濟(jì)效益。但大多數(shù)植樹(shù)機(jī)器人僅適用于硬質(zhì)泥土或沙地，而紅樹(shù)林以沿海灘涂地形為主，機(jī)器人若以傳統(tǒng)輪子作為行進(jìn)結(jié)構(gòu)，在行進(jìn)過(guò)程中易陷入淤泥，目前還沒(méi)有專適用于紅樹(shù)林地形植樹(shù)的機(jī)器人。基于紅樹(shù)林以灘涂地形為主的特點(diǎn)，以同步帶為行進(jìn)機(jī)構(gòu)的紅樹(shù)林植樹(shù)機(jī)器人，可有效實(shí)現(xiàn)機(jī)器人一體化種植過(guò)程。因此，本研究通過(guò)對(duì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)、材料等方面進(jìn)行分析，采用科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，合理選材，結(jié)合灘涂地形特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種紅樹(shù)林智能植樹(shù)機(jī)器人。

1 機(jī)器人植樹(shù)全流程動(dòng)作簡(jiǎn)要說(shuō)明

機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示。機(jī)器人首先移動(dòng)至合適的植樹(shù)點(diǎn)，接著機(jī)器人中部的鉆頭機(jī)構(gòu)向下鉆出待植樹(shù)的樹(shù)坑，完成鉆孔工作后，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)收起鉆頭，接著機(jī)器人底部的光電傳感器啟動(dòng)，機(jī)器人緩緩向前移動(dòng)，當(dāng)檢測(cè)到樹(shù)坑時(shí)停止前進(jìn)，再緩慢移動(dòng)調(diào)整至樹(shù)苗對(duì)準(zhǔn)樹(shù)坑，并由光電傳感器通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制[1]。因此，在機(jī)器人向前移動(dòng)時(shí)，底部的紅外光電傳感器會(huì)不斷檢測(cè)光線的強(qiáng)度變化，以精準(zhǔn)地找到挖好的樹(shù)坑。接著樹(shù)苗底部的開(kāi)門(mén)板打開(kāi)，樹(shù)苗通過(guò)回填裝置落入樹(shù)坑中。待樹(shù)苗完全落入樹(shù)坑后，壓泥板向下按壓存放在回填裝置中的泥土。在按壓過(guò)程中，泥土通過(guò)回填裝置上的小孔卸往地面，填滿樹(shù)坑內(nèi)的空隙，為剛植入的樹(shù)苗完成回土。上述過(guò)程完成以后，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，前往下一個(gè)合適的植樹(shù)點(diǎn)。

圖1 機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)

2 機(jī)器人各機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 同步帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

行進(jìn)機(jī)構(gòu)如圖2 所示。同步帶機(jī)構(gòu)采取輕量化設(shè)計(jì)，由一個(gè)主動(dòng)同步帶輪、一個(gè)從動(dòng)同步輪和6 個(gè)托帶輪組成，搭載一個(gè)三相馬達(dá)減速器及一個(gè)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(gè)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(jī)構(gòu)外側(cè)采用全包裹外殼保護(hù)，避免淤泥對(duì)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(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小和跨溝越障能力強(qiáng)的特點(diǎn)，使機(jī)器人能夠適應(yīng)紅樹(shù)林灘涂地形[2]。同時(shí)，本同步帶表面設(shè)計(jì)有紋路，可以增大與地面的摩擦力，使得機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不易打滑，為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供更多的動(dòng)力。同步帶輪內(nèi)外側(cè)安裝有擋板，可有效防止在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中泥土及其他物質(zhì)被卷入，對(duì)履帶或其他結(jié)構(gòu)造成損害。

圖2 行進(jìn)機(jī)構(gòu)

2.2 鉆孔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖3 鉆孔機(jī)構(gòu)

鉆孔機(jī)構(gòu)工作原理：當(dāng)植樹(shù)機(jī)器人確定好植樹(shù)的位置后，直流電機(jī)啟動(dòng)，通過(guò)傳動(dòng)裝置控制鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，當(dāng)達(dá)到合適的轉(zhuǎn)速時(shí)，蝸輪絲桿升降機(jī)啟動(dòng)，經(jīng)過(guò)蝸輪蝸桿減速電機(jī)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(tái)緩緩下降，同時(shí)鉆頭鉆入泥土中。當(dāng)平臺(tái)觸碰到機(jī)器底板的觸碰開(kāi)關(guān)時(shí)，控制鉆頭的直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，升降機(jī)反向旋轉(zhuǎn)將螺紋鉆拔出，在拔出螺紋鉆的同時(shí)，一同將泥土一起向上拔出，最后留出一個(gè)待植樹(shù)的坑。

鉆孔直上直下的特點(diǎn)使空間更加節(jié)省，控制調(diào)試方面也更加方便。鉆孔機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)器人的中部，使機(jī)器人在鉆孔時(shí)更加穩(wěn)定，同時(shí)在鉆頭拔出的過(guò)程中機(jī)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(shù)苗的根莖大小進(jìn)行切換，適用于多種尺寸的樹(shù)苗，提高了樹(shù)苗安放的成功率、樹(shù)苗成活率以及該植樹(shù)機(jī)器人的利用率。

2.3 樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)如圖4 所示。樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)由樹(shù)苗安放轉(zhuǎn)盤(pán)、步進(jìn)電機(jī)和開(kāi)門(mén)板組成，轉(zhuǎn)盤(pán)上孔洞直徑180 mm、深250 mm，可安放7 棵樹(shù)苗，中心位置連接步進(jìn)電機(jī)，可精準(zhǔn)控制旋轉(zhuǎn)角度，開(kāi)門(mén)板通過(guò)齒條完成與步進(jìn)電機(jī)之間的傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)門(mén)功能。步進(jìn)電機(jī)作為一種受數(shù)字脈沖所控制可以進(jìn)行特定角度轉(zhuǎn)動(dòng)的硬件器件，具有精準(zhǔn)度高、調(diào)整速度范圍大、設(shè)備控制簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[5]。并且采用的步進(jìn)電機(jī)體積小，還能精確定位開(kāi)門(mén)板移動(dòng)極限，可以在不改變工作效率的情況下，減小機(jī)器人內(nèi)部空間的占用率。

圖4 樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)

樹(shù)苗安放過(guò)程：當(dāng)植樹(shù)機(jī)器人完成挖坑后，先緩緩?fù)白撸?dāng)安裝在樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)的紅外光電傳感器探測(cè)到樹(shù)坑時(shí)，機(jī)器人再停下與樹(shù)坑精準(zhǔn)校對(duì)，樹(shù)坑校對(duì)完成后，開(kāi)門(mén)板的步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)，開(kāi)門(mén)板打開(kāi)，樹(shù)苗通過(guò)回填裝置主體植入樹(shù)坑中。

與單個(gè)樹(shù)苗裝載的植樹(shù)機(jī)器人相比，采用轉(zhuǎn)盤(pán)裝載樹(shù)苗的機(jī)器人增加了樹(shù)苗裝載量，在提高植樹(shù)效率的同時(shí)，還提升了結(jié)構(gòu)空間的利用率。當(dāng)一個(gè)樹(shù)苗種植完成后，轉(zhuǎn)盤(pán)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)控制轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，預(yù)備好下一個(gè)種植的樹(shù)苗。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在不降低使用效果的情況下，可同時(shí)完成整個(gè)樹(shù)苗的植入過(guò)程。

2.4 泥土回填機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

泥土回填機(jī)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(tái)高度升降的兩部蝸輪蝸桿升降機(jī)和一個(gè)減速電機(jī)組成。回填裝置主體由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(gè)識(shí)別攝像頭，用來(lái)識(shí)別、對(duì)齊樹(shù)坑。壓泥板外徑為600 mm、內(nèi)徑為320 mm，同心鐵板通過(guò)絲桿傳動(dòng)向下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行擠壓泥土的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)回填泥土功能。回填裝置主體中“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(shù)林樹(shù)苗坑洞的體積相較整個(gè)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(zhǔn)確率，保證樹(shù)苗的成活率。該結(jié)構(gòu)采用減速電機(jī)，減速電機(jī)主要是通過(guò)齒輪的傳動(dòng)比來(lái)改變轉(zhuǎn)速的，在工作時(shí)可以為泥土回填動(dòng)作提供更大的扭矩[6]。

圖5 泥土回填機(jī)構(gòu)

泥土回填過(guò)程：回填裝置中預(yù)先裝好與樹(shù)苗生長(zhǎng)環(huán)境相似的土壤，當(dāng)樹(shù)苗掉入樹(shù)坑后，STM32 單片機(jī)控制三個(gè)蝸輪蝸桿減速機(jī)運(yùn)作。蝸輪蝸桿減速機(jī)是一種動(dòng)力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，它利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)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(tái)往下降至預(yù)設(shè)高度為止；此時(shí)控制壓泥板的升降機(jī)運(yùn)作，壓泥板向下運(yùn)動(dòng)擠壓泥土，將泥土通過(guò)由圓形環(huán)形陣列切除的細(xì)小圓盤(pán)出泥口擠壓出來(lái)，擠壓出來(lái)的泥土均勻細(xì)膩，減少了在泥土回填過(guò)程中對(duì)植株造成的傷害。

3 機(jī)器人結(jié)構(gòu)材料選擇

3.1 同步帶材料選擇

本機(jī)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(dòng)的受力面積，而且重量也比較輕，有利于植樹(shù)作業(yè)的進(jìn)行。其他的緊固件等采用達(dá)克羅涂層處理來(lái)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(xué)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(lái)制作，錳鋼具有質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度高和韌性良好等特點(diǎn)，對(duì)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(kuò)大了對(duì)多種土地的覆蓋范圍，提高了鉆孔效率。錳鋼硬度高的特點(diǎn)可以克服大部分鉆孔問(wèn)題，在提高機(jī)器人的鉆孔效率的同時(shí)，可提高樹(shù)苗的成活率。

3.3 樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)材料選擇

樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)和泥土回填機(jī)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(xué)性能，而且原料充足，價(jià)格便宜[9]，可以延長(zhǎng)機(jī)構(gòu)的使用壽命。

3.4 外殼材料選擇

紅樹(shù)林土壤具有高鹽強(qiáng)酸的性質(zhì)，采用耐鹽堿材料可延長(zhǎng)本紅樹(shù)林植樹(shù)機(jī)器人的使用壽命。機(jī)器人外殼使用鋁合金材料，鋁合金具有密度小、強(qiáng)度高、重量輕、成本較低的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)硬質(zhì)陽(yáng)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(diǎn)及電鍍性、良好的抗腐蝕性與比強(qiáng)度等優(yōu)良特點(diǎn)[10]。相較于同樣具備耐腐蝕性的碳纖維復(fù)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(jìn)一步發(fā)生。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究詳細(xì)介紹了機(jī)器人種植紅樹(shù)林幼苗的過(guò)程，同時(shí)提出行進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)、樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)及泥土回填機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。與傳統(tǒng)植樹(shù)機(jī)器人相比，本設(shè)計(jì)的機(jī)器人當(dāng)完成樹(shù)苗植入后可以快速回土，有效提升樹(shù)苗成活率，專適用于紅樹(shù)林灘涂地形，可全自動(dòng)完成挖坑、植入樹(shù)苗、泥土回填一整套種植過(guò)程，適用于多種尺寸的樹(shù)苗。