基于鉗夾式插植機(jī)構(gòu)的樹苗智能種植機(jī)的設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)人工種植效率低下、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，提出了一種基于鉗夾式插植機(jī)構(gòu)的智能種植機(jī)設(shè)計(jì)方案，旨在通過自動(dòng)化手段優(yōu)化種植流程，提高樹苗種植的速度和質(zhì)量，減輕人工負(fù)擔(dān)，同時(shí)保證樹苗的存活率。智能種植機(jī)的核心部分是一個(gè)鉗夾式插植機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)能夠在樹苗插入土壤的過程中提供穩(wěn)定的支撐力，確保樹苗垂直插入，并達(dá)到預(yù)設(shè)深度。此機(jī)構(gòu)由精密的機(jī)械臂和可調(diào)式的鉗夾組成，能夠在不同規(guī)格的樹苗之間靈活切換，以適應(yīng)多樣化種植需求。

關(guān)鍵詞：插植機(jī)構(gòu)；速度；質(zhì)量；鉗夾

隨著全球城市化進(jìn)程的加快以及人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)，樹苗種植的重要性日益凸顯[1]。傳統(tǒng)的手工種植方式已經(jīng)難以滿足大規(guī)模綠化工程的需求，目前市場上樹苗種植機(jī)較少，人工植樹作為植樹的絕大占比，市場上植樹機(jī)械多為半自動(dòng)，需要人力操作，部分自動(dòng)化機(jī)器普遍只有一個(gè)或兩個(gè)功能，一次種樹會(huì)使用兩臺(tái)或多臺(tái)機(jī)器運(yùn)行，稍微有一點(diǎn)誤差就會(huì)使植樹不成功，需要多種功能集合一體，具有高效率，高自動(dòng)化的植樹機(jī)。智能種植機(jī)的應(yīng)用則提供了高效的解決方案 [2] 。以下是樹苗智能種植機(jī)在全球范圍內(nèi)以及在中國的具體發(fā)展情況。

1 國內(nèi)外研究概況

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外樹木移植機(jī)械的研究比我國起步要早，在國外，特別是在一些發(fā)達(dá)國家和地區(qū)如美國、歐洲等，智能農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備已經(jīng)相對(duì)成熟，并廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，技術(shù)比較成熟，產(chǎn)品已經(jīng)呈系列化、多樣化格局。制造樹木移植機(jī)械的公司，相對(duì)來說可分為兩類，一種為大型樹移栽適用，一種為小樹苗的移栽，大型樹移植代表為美國Big-ohn公司，其生產(chǎn)研究大樹移植機(jī)已有 35 年的歷史，產(chǎn)品有車載式、汽車拖車式、輪式前懸掛式；還配備臨時(shí)存放帶土球大樹的漏斗 [3] 。對(duì)于車載式樹木移植機(jī)械一般用于移植大樹，進(jìn)行挖坑、挖樹、 運(yùn)輸以及栽樹。車載式樹木移植機(jī)能挖掘胸徑為120～360 mm 的樹木，最大土球直徑為 254 cm，深度可達(dá) 173 cm，水箱容量1500 L；汽車拖車式能挖掘胸徑為80 ～ 180 mm 的樹木，最大土球直徑為 160 cm，深度可達(dá)135 cm；輪式前懸掛式能挖掘胸徑為80～300 mm，最大土球直徑為 230 cm，深度可達(dá) 150 cm。對(duì)于這種大型樹苗的移植機(jī)數(shù)量較少，除非較為寶貴的樹木，一般情況不會(huì)花費(fèi)較大資金使用這種大型機(jī)器。另一種可選用德國的一家公司，該德國公司生產(chǎn)的自動(dòng)化樹苗種植機(jī)，其單次作業(yè)可裝載60株容器苗，理論種植速度可達(dá)120～180株/小時(shí)。但該設(shè)備主要針對(duì)歐洲地區(qū)培育的1年生針葉樹苗（平均苗高10 cm、地徑≤0.5 cm）設(shè)計(jì)，而我國《造林技術(shù)規(guī)程》（GB/T 15776-2023）明確規(guī)定：常規(guī)造林需采用苗高≥30 cm、地徑≥0.8 cm的2～3年生優(yōu)質(zhì)壯苗。盡管該設(shè)備作業(yè)效率較高，但由于其適配苗木規(guī)格與國內(nèi)造林標(biāo)準(zhǔn)存在顯著差異，實(shí)際應(yīng)用中將面臨苗木損傷率高、根系覆土不充分等問題[4]。。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

在國內(nèi)，隨著人們對(duì)生態(tài)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的增強(qiáng)以及國家對(duì)綠化工程的支持，智能種樹機(jī)市場需求逐漸增長。退耕還林、城市綠化等為智能種樹機(jī)提供了廣闊的應(yīng)用場景。國內(nèi)植樹機(jī)的研究和應(yīng)用相對(duì)比較晚，近年來，隨著環(huán)保意識(shí)的提升和對(duì)生態(tài)建設(shè)的重視，一些科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)開始關(guān)注和投入研發(fā)，不少學(xué)校也開設(shè)制作植樹機(jī)的工程課程，但在市面上的植樹機(jī)較少，值得關(guān)注的是華為之前進(jìn)行的沙漠植樹工程，采用的是兩臺(tái)機(jī)器工作，先挖完坑后，樹苗種植機(jī)器放置樹苗，兩臺(tái)機(jī)器一起工作，相對(duì)來說效率較低[5] 。對(duì)于一些工業(yè)性的林場或農(nóng)場，其需要種植的為中小型樹木，這樣生長年限短，又能得到既有的利益。而針對(duì)中小型樹苗的種植機(jī)國內(nèi)相對(duì)來說更少[6] 。

2 研究內(nèi)容

樹苗種植機(jī)主要采用履帶行走，可適用于各種地形和環(huán)境，如泥濘、松軟、雪地等，能夠在復(fù)雜的地形中保持穩(wěn)定的移動(dòng)性能。承載能力大：由于履帶的接觸面積大，能夠承受更大的質(zhì)量，整體穩(wěn)定。對(duì)于不同粗細(xì)的樹苗，采用壓力傳感器控制保持夾爪的夾持力，使其夾持力大致相同。其行動(dòng)路線的確認(rèn)，則通過操作系統(tǒng)的GPS定位模塊響應(yīng)編寫的參數(shù)控制電機(jī)運(yùn)行。整體運(yùn)行采用大容量鋰電池供電，更加綠色環(huán)保。整個(gè)過程管理員只需要觀看各項(xiàng)參數(shù)在運(yùn)行中是否正確即可，減少了人工成本，提高了效率。整體設(shè)計(jì)如圖1。

2.1 樹苗智能種植機(jī)工況及功能分析

（1）每棵樹苗間隔：行距約1.5～2米，株間距0.7～1米。

（2）運(yùn)載樹苗數(shù)量：40棵。

（3）樹苗高度：80～120cm

（4）儲(chǔ)水量：45 L。

（5）行駛速度： 40 m/min。

（6）樹苗栽種完成提示。

（7）水箱水位線到達(dá)提示。

2.2 樹苗智能種植機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

（1）電機(jī)功率：1200 W。

（2）電池規(guī)格：48 V，110 Ah。

（3）履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)：同步輪、履帶。

（4）傳感器：避障采用GP2Y0A21YK0F紅外測距傳感器、HCSR04角度傳感器、壓力傳感器，光電傳感器等。

（5）智能系統(tǒng)：定位定向采用高精度GNSS K823模塊。

2.3 主要技術(shù)

樹苗智能種植機(jī)主要是由鉆土機(jī)構(gòu)、移苗機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)水機(jī)構(gòu)、棘輪間歇機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)苗機(jī)構(gòu)、行走機(jī)構(gòu)以及底部的覆土機(jī)構(gòu)組成；覆土機(jī)構(gòu)主要由推土部分、蓋土部分、灑水部分和扶持部分組成。

（1）鉆土機(jī)構(gòu)：主要是由傳動(dòng)絲杠組、鉆頭傳動(dòng)組、鉆頭、馬達(dá)組成（圖2）。

首先由中軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆土機(jī)構(gòu)到達(dá)指定的地點(diǎn)。 傳動(dòng)絲杠馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)鉆頭組下降。螺旋葉片旋轉(zhuǎn)切削土壤，將土壤均勻地分散在坑洞周圍。 當(dāng)?shù)竭_(dá)指定深度時(shí)，絲杠馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆頭組上升，完成鉆土工作。

（2）移苗機(jī)構(gòu)：主要是由機(jī)械夾爪、伸出氣缸、旋轉(zhuǎn)氣缸組成（圖3）。在鉆土機(jī)構(gòu)鉆土的同時(shí)，機(jī)械夾爪夾住樹苗在伸縮氣缸的配合下上升，旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)到坑洞上面。機(jī)械夾爪下降，機(jī)械夾爪松開樹苗下落到坑中，最后旋轉(zhuǎn)氣缸旋轉(zhuǎn)回原位。移苗工作完畢。

（3）棘輪間歇機(jī)構(gòu)：主要是由一大一小氣缸、棘輪盤、驅(qū)動(dòng)棘爪、止回棘爪、樹苗桶組成（圖4）。棘輪盤在大小氣缸的配合下，旋轉(zhuǎn)指定角度，完成樹苗的運(yùn)送。

（4）覆土機(jī)構(gòu)：主要是由推土、蓋土、灑水、扶持四個(gè)部分組成（圖5），機(jī)械爪下降后，扶持部分運(yùn)行，伸縮桿伸長，將樹苗夾持在中間，樹苗下落后，左右氣缸伸長，使推土部分移至工作位置，左右兩部分來回伸縮，使分散在左右的土填回坑中，推土完成后左右氣缸收縮，使推土部分離開工作位置，蓋土部分上下運(yùn)動(dòng)將土壓實(shí)，扶持部分返回原位，灑水部分完成灑水。

3 樹苗智能種植機(jī)的創(chuàng)新點(diǎn)

（1）一體化機(jī)械，集合、挖、載、蓋、澆一體化，完成栽樹全套流程。

（2）采用棘輪轉(zhuǎn)盤，可以準(zhǔn)確保證樹苗按順序一個(gè)一個(gè)運(yùn)送到指定位置。

（3）采用先進(jìn)的動(dòng)力系統(tǒng)和高效的電池技術(shù)，可長時(shí)間連續(xù)工作，提高工作效率，并且綠色環(huán)保。

（4）采用粗齒鋸式履帶式行走，動(dòng)力更足，可以更好地適應(yīng)復(fù)雜的工作環(huán)境。

（5）采用多傳感器融合以檢測機(jī)器周邊的障礙物并進(jìn)行避障，計(jì)算機(jī)規(guī)劃植樹路徑，可自行設(shè)置機(jī)器運(yùn)行范圍、必經(jīng)點(diǎn)、禁行區(qū)等特殊區(qū)域，使得機(jī)器具有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)其獨(dú)立工作。

樹苗智能種植機(jī)集合了全套植樹流程，增加的GPS模塊，可以更好地控制植樹機(jī)的路徑，不需要太多人力投入，成本更低，效率更高。

4 總 結(jié)

智能樹苗種植機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)有利于提高植樹效率、保護(hù)森林資源、推動(dòng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，應(yīng)用前景廣闊，涵蓋農(nóng)業(yè)、林業(yè)、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域，同時(shí)也能推動(dòng)農(nóng)機(jī)裝備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新，滿足綠色環(huán)保的要求。

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