一種機械臂式沙漠植樹裝置的設計

李 強，趙金雨，何博文，張昭云

（1.蘭州財經大學信息工程學院，甘肅 蘭州 730020；2.蘭州財經大學電子商務綜合重點實驗室）

1 研究背景

我國土地荒漠化問題十分嚴重，森林覆蓋率低于全球30.7%的平均水平，人均森林面積不足世界的1/3，還有大片亟待治理和改善的荒漠荒地。在我國城市化快速發展階段，實現鄉村振興已成為重點發展目標，在此生態環境和經濟發展的背景下，政府頒布和實施了一系列鄉村振興的政策和工程，其中植樹造林是一項重要措施，但是由于西北地區氣候原因，植樹造林的環境較差，沙漠植樹難度相對較高，因此提高沙漠地區的植樹效率成為解決土地荒漠化的一項重要手段。

目前我國沙漠植樹機械發展較為薄弱，市面上的自動沙漠種植機多數針對小樹苗的種植，且未實現完全自動化，挖坑等一些工序仍然需要人工操作，工作效率不高，目前人工植樹還存在下列問題：

（1）由于沙漠地水資源短缺，在植樹過程中很難做到精準灌溉，造成大量水資源浪費。

（2）樹苗種植過程繁瑣，需首先在沙地人工挖坑，為保證樹苗存活，工人在栽植樹苗之前需往沙坑注水，再栽植樹苗。但是西北地區沙漠化嚴重，土地松軟，剛挖好的坑易下陷導致返工，同時由于沙漠地帶沙塵暴頻繁，沙坑容易被再次填埋。

（3）沙漠地區自然環境惡劣，水資源稀缺，很難做到對樹苗進行精準和長期灌溉，因此樹苗成活率低，不能有效發揮沙漠治理功能，同時造成了資源浪費和經濟損失。

2 林業植樹機器人發展現狀

2.1 國外研究現狀

因林業機械受作業環境、作業條件和勞動力等的影響，國外發達國家對于林業機器人的研究和開發較早，特別是日本、美國、德國、加拿大、瑞典和挪威等國家。瑞典是世界上森林工業機械化程度最高的國家之一。1974年前后，加拿大的一些學者開始進行自動植苗機的研制，但到20世紀90年代中期，由于技術水平低，植苗機沒有完全實現機器人自動化作業。1995年，PlustechOy[1]發布了步行式森林機器人的原型，后來Plustech開發了一種能實現步行的林業機器人，該機器人采用六足液壓遙控步行平臺，大大提升了機器人的行動能力。2017年，日本九州工業大學的Nobuo[2]研發了一種可以穿越森林，同時可清除雜草的機器人系統，該機器人由“自主移動系統”和“幼苗檢測系統”組成。國外對于林業機器人的研究較早，經過多年發展，許多林業機器人都被應用于實際作業中。

2.2 國內研究現狀

國內目前比較成熟并且已經開始批量生產并推廣的機器人大多數是開墾機械。隨著人工智能技術的發展，機器人在林業產業上得到了逐步的推廣和應用。1996年東北林業大學研制出第一臺采摘針葉樹果實的機器人[3]，該機器人在國內外均屬首創，開辟了我國林業機器人的先河。舒慶等[4]研發的生態恢復機器人可依據沙地地貌控制鋪設草方格機構的高度和插入壓力，固沙能力很強。目前，在我國得到初步應用的林業機器人有林業特種機器人、林木球果采摘機器人、新型智能伐根機器人和生態恢復機器人等。由于林業機器人在提高生產效率，改進目前的林業生產模式和解決勞動力短缺的問題上都起到了積極作用，因此機器人技術在林業生產中越來越受到重視。通過參考傳統林業機器人模型的工作原理，課題組對林業機器人進行了進一步的創新與研究，提出了一種機械臂式沙漠植樹裝置。

3 機械臂式沙漠植樹裝置設計

3.1 整體結構

根據土地沙漠化地區中樹木的種植特點和樹苗的尺寸及其在土壤中的分布規律確定了機械臂式沙漠植樹裝置的總體結構方案。機械臂式沙漠植樹裝置的整體結構簡圖如圖1，第一機械臂由四節機械臂構成，位于整個車體的后方，第一機械臂的前端連接三棱抓斗，用于在植樹過程中對沙地進行挖坑。三棱抓斗頂部連接高壓水槍，高壓水槍的槍頭對著抓斗的中間，高壓水槍連接蓄水箱，為防止水位上漲，蓄水箱中安裝有水位監測器，增壓泵和蓄水箱連接，設置在輸水管上。整體的第二機械臂位于車體的前端，第二機械臂連接覆膜裝置，用于在挖掘好的沙坑上鋪設地膜。

圖1 機械臂式沙漠植樹機整體結構

3.2 工作原理

首先設計預定路線，由電機帶動履帶按照該路線前進，當整機到達工作位置時自動停下，隨后第一機械臂啟動，控制三棱抓斗打開并將三棱抓斗插入沙土，再控制液壓桿將三棱抓斗合攏抓土，隨后控制第一機械臂將抓斗抬起，完成挖坑工作，后第二機械臂控制高壓水槍將挖開的土層沖開，最后將樹苗插入沙坑。

3.3 主要技術參數

工作幅寬（mm） 800

挖掘部件結構形式 三棱抓斗

三棱抓斗尺寸（長×寬×高，mm） 440×800×10

抓斗工作傾角（°） 14/28

輸送帶工作傾角（°） 28

輸送帶寬度（mm） 800

輸送帶高度（mm） 5600

地膜套桿允許覆膜的地坑直徑（mm） 400

繞膜桿允許纏繞的膜長度（mm） 12000

插齒工作寬度（mm） 500

3.4 關鍵部件的設計

3.4.1 三棱抓斗

沙漠化地區的土地松軟，挖好的沙土易下陷導致返工，因此選用運轉平穩、堅固耐用的三棱抓斗，該三棱抓斗主要由活節、液壓桿、連桿、抓斗架、高壓水槍和抓斗片組成，如圖2。采用通過輸水管連接蓄水箱的高壓水槍避免水資源的浪費和土地破壞，提高植樹效率。

圖2 三棱抓斗結構示意

3.4.2 覆膜部件

機械臂式沙漠植樹機的覆膜部件由伺服電機、U形繞膜桿、長條狀插齒和地膜套桿組成，如圖3。該覆膜部件具有自動覆膜功能，首先將塑料地膜放置在地膜套桿上，部件工作時伺服電機為繞膜桿提供動力使其轉動，地膜套桿與繞膜桿靠近并將地膜纏繞至繞膜桿上，繞膜桿上的插齒起到固定地膜的作用，最后由第二機械臂帶動覆膜裝置壓到沙坑上方鋪設地膜，該覆膜部件節省了勞動力成本，提高了沙漠地區植樹效率。

圖3 覆膜部件結構示意

4 總結

機械臂式沙漠自動植樹裝置在很大程度上解決了目前沙漠機械化種植問題，能大幅提高沙漠種植人員的工作效率，進而阻止土地荒漠化的進一步發展。隨著我國人工智能的發展和國家政策的實施，自動植樹機械市場前景廣闊。未來我們可以將傳統的沙漠植樹機與物聯網及人工智能等結合起來，加入分苗種植裝置，實現多種樹苗的一體化種植，提高種植效率和樹苗存活率，從而使沙漠種植更加智能化和高效化。