孫藝文

（遼寧工程技術(shù)大學 機械工程學院，遼寧 阜新 123000）

0 引言

中國防護林種植方式主要是以人工種植為主、機械作業(yè)為輔[1]。這種種植方式存在著效率低下、人工負荷大、樹苗成活率低等問題。在沙漠化等地區(qū)以及極端惡劣的環(huán)境下，智能化植樹裝置很好地解決以上不足。它在解決人工成本問題的同時，又能使植被存活，達到植被修復(fù)及防風護林的目的。智能化植樹裝置在降低操作難度、提高工作效率、環(huán)境保護等方面具有重要作用。但是，在很多植被修復(fù)、防風固沙的地區(qū)，原有的自動化植樹裝置加上半人工輔助操作已無法更加智能化地實現(xiàn)要求。本文針對此問題設(shè)計了一種基于慧魚的智能化植樹裝置，以解決普通植樹裝置因無損傷鉆坑、檢測土壤質(zhì)量、填土而存在操作難度大、工作效率低的問題，從而實現(xiàn)智能化操作。

1 裝置的功能設(shè)計分析

1.1 適用對象

本裝置適用于種植樹苗等植樹造林的地區(qū)，大到生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞的沙漠化地區(qū)，小到日常種植樹苗等地方。在種植樹木的過程中可以對其進行智能化位置識別、檢測土壤質(zhì)量、自動夾取樹苗以及植后養(yǎng)護。

1.2 功能分解

本裝置主要包含三大功能：智能化識別種植位置后，通過檢測土壤質(zhì)量，用機械手夾取相應(yīng)合適的樹苗種類進行栽植以及植后的修復(fù)及營養(yǎng)液的灌溉。在整個工作流程中經(jīng)過智能化識別定位后，進行鉆坑。從運載車中，通過機械手來抓取樹苗，將樹苗種植到相應(yīng)的坑位，最后完成填土的步驟以及營養(yǎng)液的灌溉。整體種植一棵樹的時間節(jié)拍在5 min 之內(nèi)。裝置的總流程如圖1 所示。

圖1 裝置的流程圖

1.3 總體方案說明

根據(jù)裝置的種植流程安排，可以將總體方案分解為定位識別后的鉆坑、機械手夾取樹苗及種植和植后的修復(fù)及灌溉三部分。

1.3.1 智能化識別鉆坑過程

當需要種植樹苗時，將車本體開至合適的土壤旁，通過智能化識別到合適位置時，用其右側(cè)安裝的傳感器探測土壤濕度、水分、PH 值等一系列影響樹苗生長相關(guān)因素。在得到相應(yīng)的數(shù)據(jù)參數(shù)后選取適合該土壤種植的樹苗。采用特制的鉆頭進行鉆坑（可根據(jù)不同直徑的樹苗來更換不同尺寸的鉆頭）。電機與絲杠相固定，電機啟動，驅(qū)動著絲杠進行轉(zhuǎn)動，利用電機正反轉(zhuǎn)來帶動絲杠進行上下往復(fù)運動，安裝在絲杠下端的鉆頭完成相應(yīng)的鉆坑動作[2]。

1.3.2 機械手夾取及種植過程

此時，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)座，從而帶動機械臂旋轉(zhuǎn)方向[3]，機械手端部的工業(yè)相機對鉆坑位置進行識別后，從運載車后身抓取相應(yīng)尺寸大小的樹苗，機械手通過馬達控制絲杠，并帶動機械手往下運動，進而使得機械手爪部對準并接觸到所鉆坑的底部。此時，通過機械臂下端的壟土鏟將大量的土覆蓋到樹苗的根部，后通過絲杠轉(zhuǎn)動將機械臂收回到上方合適的位置，從而完成樹苗的種植過程。

1.3.3 植后的修復(fù)及灌溉過程

在完成種植過程后，轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)座，帶動機械臂旋轉(zhuǎn)。通過控制絲杠轉(zhuǎn)動，使機械臂手左側(cè)的營養(yǎng)噴頭噴射出所需要的營養(yǎng)液，以確保種植后的樹苗能夠正常生長。

2 裝置的功能設(shè)計

2.1 裝置的結(jié)構(gòu)原理

智能化植樹裝置包括車體、傳動電機、鉆頭、機械臂等裝置。車體上方通過齒輪座裝有轉(zhuǎn)向齒輪，轉(zhuǎn)向齒輪通過嚙合進行傳動，傳動絲杠的一端連接傳動電機的輸出軸，而其另一端螺紋連接絲母。在轉(zhuǎn)向齒輪的中間上方裝有升降框架。傳動絲杠的上端連接傳動電機（圖2 所示絲杠頂部右端的電機）下方的輸出軸，在升降框架的外圍套裝機械爪升降傳動架，在機械爪升降傳動架的上方水平方向設(shè)有左端連接車架的傳動絲杠，傳動絲杠外圍螺紋連接絲母。傳動絲杠的右端連接傳動電機的輸出軸，在車架的左端連接轉(zhuǎn)軸支架。轉(zhuǎn)軸支架的后側(cè)面上連接機械爪豎直轉(zhuǎn)向傳動桿的一端，機械爪豎直轉(zhuǎn)向傳動桿的另一端用螺釘固定在機械爪升降傳動架的后側(cè)面上。在轉(zhuǎn)軸支架的左側(cè)面上連接外轉(zhuǎn)軸和內(nèi)轉(zhuǎn)軸，在兩機械爪之間設(shè)鉸接支架。電機與絲杠相固定，電機啟動，驅(qū)動著絲杠進行轉(zhuǎn)動，利用電機正反轉(zhuǎn)來帶動絲杠進行上下往復(fù)運動，安裝在絲杠下端的鉆頭完成相應(yīng)的鉆坑動作[4]。

圖2 裝置的總示意圖

2.2 裝置的實際操作過程

當裝置通電后，車本體行駛到合適的位置，通過機械臂右端的全通濾波網(wǎng)絡(luò)式傳感器[5]，實時檢測土壤情況。將傳感器的探針深入土壤層來探測土壤的濕度、水分、PH 值等一系列影響樹苗生長相關(guān)因素，通過互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將所探測到的相關(guān)數(shù)據(jù)實時傳輸反饋給使用者，讓使用者對該地的不同區(qū)域段的土壤情況有所了解，并及時對所栽種樹苗種類做出調(diào)整。啟動液壓控制的鉆坑機構(gòu)在相應(yīng)位置進行鉆坑后，機械臂手上的工業(yè)攝像機通過識別坑體的大小來從運載車中選取相應(yīng)尺寸的樹苗，機械臂將合適大小的樹苗夾取到坑內(nèi)后，啟動壟土鏟將其兩邊的土壤覆蓋在樹苗上，后進行鎮(zhèn)土、壓平。最后，左端的營養(yǎng)液噴頭噴射出相應(yīng)的營養(yǎng)液，以確保樹苗能夠正常生長。

3 裝置關(guān)鍵件的有限元分析

3.1 壟土鏟的有限元分析

智能植樹車的壟土鏟采用的材料為Q235-B，其屈服強度235 MPa、張力強度390 MPa、泊松比0.274、彈性模量210 GPa。網(wǎng)格化的模型經(jīng)過運算分析，在約束和載荷的作用下，可以得到相應(yīng)的靜態(tài)應(yīng)力分布圖和位移分布圖，如圖3、圖4 所示。通過分析圖3 可知，最大應(yīng)力值位于安裝板的中部，逐漸向壟土鏟末端分散。最大應(yīng)力值為1.06 × 107N/m2，小于屈服強度2.35 × 108N/m2，因此滿足強度條件。分析圖4 可知，壟土鏟的前端部有明顯的位移，且小于最大變形量，同樣滿足剛度的設(shè)計要求[6]。

圖3 壟土鏟的應(yīng)力分析

圖4 壟土鏟的位移分析

3.2 機械臂手的有限元分析

通過分析圖5 可知，最大應(yīng)力值位于前端定位銷處。最大應(yīng)力值為1.577 × 107N/m2，小于屈服強度2.35 × 108N/m2，因此滿足強度條件。分析圖6 可知，夾手的前端部有明顯的位移，且小于最大變形量，同樣滿足剛度的設(shè)計要求。

圖5 機械臂手的應(yīng)力分析

圖6 機械臂手的位移分析

4 結(jié)語

針對土地沙漠化嚴重，生態(tài)環(huán)境惡化，設(shè)計了一款基于慧魚的智能化植樹裝置。裝置主要包括裝置本體、鉆坑機構(gòu)和種植系統(tǒng)，所述裝置本體具有車身。種植樹苗系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)座、機械臂，旋轉(zhuǎn)座設(shè)置于裝置身上，從而達到將鉆坑與種植相結(jié)合、檢測土壤質(zhì)量以及無死角填土的功能。此裝置有效地解決了沙漠地區(qū)因干旱而導(dǎo)致的土地沙漠化及水土流失等問題。種植樹苗一體化，達到植被修復(fù)及防風護沙的目的。