自动循环式挖穴栽植一体机的设计*

李伊凡 ， 康之讷 ， 秦 堃 ， 谢新杰 ， 徐陶祎

（武汉城市学院，湖北 武汉 430083）

1 概述

植树造林是我国绿色发展工作重点之一。在推进“一带一路”建设的过程中，帮助沿线地区解决土地荒漠化的问题，具有积极的意义。据2020年发布的第九次全国森林资源调查结果，全国森林覆盖面积为2.21亿公顷，森林覆盖率为22.96%，远低于世界31%的平均水平，尤其是甘肃、新疆等地区，由于人力资源匮乏加之土质原因，森林覆盖率仅为10%左右[1]。因此，要想实现我国森林资源建设的总体目标，机械化植树造林是必由之路。

2 自动循环式挖穴栽植一体机机械结构设计

2.1 整体架构

自动循环式挖穴栽植一体机的机械结构包括：履带式驱动行走机构、三叶爪升降式挖坑机构、旋转轮盘送苗机构、培土机构和浇水机构。将行驶、挖坑、栽植、培土和浇水等多种功能合而为一，机械整体结构如图1所示。

图1 自动循环式挖穴栽植一体机整体结构图

2.2 履带式驱动行走机构

全自动栽植一体机的行走机构由履带底盘、控制电机、齿轮、传动杆等组成，如图2所示。

图2 履带式驱动行走机构结构图

考虑到产品主要的工作环境为荒漠区沙地或地形崎岖的林地，因此，选择了固定式履带行走机构。该机构由全数字控制的四轮直流伺服电机组成，负责机器人在作业过程中的行走驱动。其特点是导向轮不作支撑，驱动能力、承载能力和稳定性表现更佳，能避免在复杂地貌中行走时因卷入泥土而造成的磨损和失效，从而延长驱动轮和导向轮的使用寿命。并且在雨雪地、泥地、沙地等坡度路面提高地面摩擦力，避免出现车轮空转现象。

2.3 三叶爪升降式挖坑机构

挖坑机构位于履带底盘中间，采用三叶爪式升降挖头，便于挖穴成型和向周围堆放。三叶爪升降式挖坑机构主要由三叶爪式取土挖穴器、导轨、滑块、动力输入轴、伸缩电机、机架连接销等组成，如图3所示。

图3 三叶爪升降式挖坑机构结构图

三叶爪式取土挖穴器设计为三块上端大、下端小的三角形状叶片，有利于挖坑时挖头顺利地刺入土壤。工作时挖头沿导轨向下滑动以张开的姿态竖直向下入土，同时对土壤产生剪切作用，在达到一定入土深度后，在伸缩电机作用下各叶片沿滑槽移动，挖头闭合器闭合，使土壤产生形变而汇集在挖头内部，随后沿导轨向上以闭合姿态竖直出土，完成取土的同时形成孔穴，挖头随整机运行移动至成型孔穴前方，再在伸缩电机的作用下向外打开完成排土，随后复位完成整个挖坑成穴过程。

2.4 送苗栽植机构

送苗栽植机构主要由蜗轮环、蜗杆、旋转环、苗株卡槽、栽植机械臂、电机等部件组成，如图4所示。

图4 送苗栽植机构结构图

运用蜗轮蜗杆的运动特点，创新式设计蜗轮环结构，底部利用带有滚珠轴承的旋转环与履带底盘相连，蜗轮环上根据栽植需要设置6～8个苗株卡槽。工作时，电机带动蜗杆传动蜗轮环，使得安装在环上的苗株卡槽转动。安装在送苗机构后方的6自由度机械臂每次都夹取正前方卡槽中的树苗，并将其放置到刚刚挖好的坑穴中，完成一次树苗的输送，接着蜗轮环转动一格，机械臂放置下一棵树苗，直至蜗轮环上的苗株放置完毕。

2.5 培土机构与浇水机构

培土机构连接于履带底盘后部下表面处，由导轮、滑轨、皮带、连杆式培土块、培土块固定件、舵机、电机等组成，如图5所示。工作时，皮带带动培土块滑动聚拢，再以舵机控制连杆机构，实现培土块的上下往复踩踏动作，从而完成培土过程中的反复拍土，高效地完成聚拢拍土环节。

图5 培土机构结构图

浇水机构包括水箱、水管、喷头和电动水泵，培土过程结束后，主控单元控制开关阀的关闭进而完成浇水作业。在这个工作过程中，控制系统会根据不同种类树苗所需水量的不同来控制浇水时间，完成差异化作业。

3 系统控制结构

本设计方案基于Torobot蓝牙模块、中央控制器Raspberry Pi Ⅲ和舵机驱动板，其整体的控制系统主要由两部分组成。一部分为运动控制系统，由直流伺服驱动电机和高性能多轴运动控制器组成，主要用来完成植树机器人的行驶、挖坑、栽植、培土和浇水等功能；另一部分为信息传输系统，主要包括人机接口、多传感器信息融合单元，比如数据采集、数据处理和环境监测等[2]。系统总体结构如图6所示。

图6 植树机器人控制系统总体框图

为了使植树机器人具备良好的运动性能，采用了专业驱动器来实现直流伺服电机的运转。本设计选用铭朗科技公司的MLD3810电机驱动器[3-4]，该驱动器可以很好地控制电机转速，从而改变机器人的移动速度。该驱动器通过RS232串口与运动控制卡进行通信，完成主控芯片控制、参数调整以及在线监测等功能，利用输入模拟信号和PWM信号控制植树机器人运动速率，利用输入脉冲信号和方向信号控制植树机器人步进模式[5-8]。

机器人上安装HOKUYO公司制造的URG-04LX 2D型激光扫描传感器[9]，可完成测量工作，测量距离范围为60 mm～4 000 mm，测量角度为0°～360°，扫描间隔时间为100 ms，用于控制植树机避障、识别植树坑穴位置等功能。

本设计选用LP3300型号数字罗盘，罗盘自带倾角传感器和磁场传感器，可以测量植树机器人的航向、俯仰角等参数，主要用于辨别植树机的行进方向[10]。罗盘本身具有俯仰角度和翻转角度的补偿功能，当植树机在斜坡上行驶或遇到障碍时，罗盘的俯仰角和翻转角输出数值变化不大。

4 设计创新点

相较于市面上已有的栽植设备，该自动循环式挖穴栽植一体机有如下创新点：

1）本设计可实现林木栽植过程自动化，且工作过程中可以动态调整工作参数，可用于代替繁重的人工劳动，可在艰苦的环境中作业，具有广阔的应用前景。

2）较之市面上功能较为单一的挖坑机，课题组所设计的全自动栽植一体机将挖坑、送苗、培土和浇水四个步骤集于一体，具有高度的功能集成化，一台机器能够完成全部栽植过程。

3）本设计具备间歇式挖穴栽植机构的控制系统，可实现行进间间歇式挖穴栽植、智能调节栽植深度以及精准株距控制等，自循环完成栽植作业。