胡俊澤 ， 余 江 ， 陳柯良 ， 羅世維 ， 李雨婷

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東海洋大學(xué)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)，廣東 湛江 524088；3.廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；4.廣東海洋大學(xué)管理學(xué)院，廣東 湛江 524088）

0 引言

濕地具有復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)和地形特征，其中紅樹(shù)林是最具有代表性的生態(tài)環(huán)境之一。紅樹(shù)林因其密集發(fā)達(dá)的支柱根而著稱，被譽(yù)為“海上衛(wèi)士”，能夠抵御臺(tái)風(fēng)和海浪的侵襲，對(duì)沿海地區(qū)具有重要意義。然而，由于濕地地形的復(fù)雜性[1]和傳統(tǒng)植樹(shù)方法的局限性，紅樹(shù)林的保護(hù)和恢復(fù)面臨巨大挑戰(zhàn)[2]。盡管目前已經(jīng)存在一些植樹(shù)機(jī)器人，但它們主要適用于一般地形和樹(shù)木類(lèi)型的種植，并未特別針對(duì)濕地地形和紅樹(shù)林的特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械也無(wú)法直接應(yīng)用于紅樹(shù)林的種植和修復(fù)。

因此，本研究旨在設(shè)計(jì)一種適用于濕地地形的新型植樹(shù)機(jī)器人，結(jié)合紅樹(shù)林的地形與種植特點(diǎn)以及機(jī)器人技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜濕地地形中的自動(dòng)化和高效化種植。這種機(jī)器人可以提高種植效率、降低勞動(dòng)成本并解決人力不足的問(wèn)題[3]，為紅樹(shù)林生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)提供重要技術(shù)支持。本研究對(duì)于推動(dòng)濕地植樹(shù)機(jī)器人的技術(shù)發(fā)展具有重要的實(shí)踐意義和理論價(jià)值。

1 機(jī)器人整體介紹

1.1 機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)

機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)如圖1 所示，以鋁型材為基本搭建框架，采用12.9 級(jí)杯頭內(nèi)六角螺絲固定，銜接處以鑄鐵角碼輔助連接，更加緊固。此外，在部分受力結(jié)構(gòu)如履帶承重軸，使用高碳鋼焊接方式連接，使其整體質(zhì)量盡可能輕量化，有助于防止陷入灘涂地，增強(qiáng)其靈活性。

圖1 機(jī)器人整體外形結(jié)構(gòu)

1.2 機(jī)器人全流程執(zhí)行動(dòng)作

裝載完樹(shù)苗的機(jī)器人在收到上位機(jī)指令后，先移動(dòng)到指定的種植區(qū)域，再啟動(dòng)自動(dòng)植樹(shù)模式，開(kāi)始自動(dòng)種植樹(shù)苗。

首先由機(jī)器人中部的鉆頭向下鉆出待植樹(shù)的樹(shù)坑，然后機(jī)器人向前移動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人底部的紅外光電傳感器檢測(cè)到樹(shù)坑時(shí)，機(jī)器人停止前進(jìn)，緩慢移動(dòng)調(diào)整至樹(shù)苗對(duì)準(zhǔn)樹(shù)坑為止，此時(shí)，儲(chǔ)存苗倉(cāng)的步進(jìn)電機(jī)運(yùn)作，將樹(shù)苗移動(dòng)放入導(dǎo)向道，當(dāng)檢測(cè)到導(dǎo)向道有樹(shù)苗進(jìn)入后，導(dǎo)向道底部的門(mén)板打開(kāi)，樹(shù)苗通過(guò)回填裝置的主體落入樹(shù)坑中，然后由壓泥板向下按壓存放在回填裝置中的泥土，泥土通過(guò)回填裝置上的圓孔卸往地面，填滿樹(shù)坑內(nèi)的空隙，夯實(shí)剛植入的樹(shù)苗。上述過(guò)程全部完成以后，機(jī)器人繼續(xù)移動(dòng)，前往下一個(gè)合適的植樹(shù)點(diǎn)[4]。

2 機(jī)器人部分機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 履帶底盤(pán)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

紅樹(shù)林的生長(zhǎng)環(huán)境以沿海灘涂為主，機(jī)器人若以傳統(tǒng)滾輪作為行進(jìn)機(jī)構(gòu)，在行進(jìn)過(guò)程中容易陷入泥土中，為了解決這一問(wèn)題，在設(shè)計(jì)時(shí)使用履帶。履帶整體結(jié)構(gòu)采取輕量化設(shè)計(jì)，負(fù)重輪由2 個(gè)主動(dòng)輪和4 對(duì)從動(dòng)輪組成，履帶底盤(pán)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 履帶底盤(pán)機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)排布簡(jiǎn)潔有序，后期裝配和零件更換更加方便，采用12.9 級(jí)內(nèi)六角螺絲和8 級(jí)法蘭螺母配合連接，在保證拆卸方便的同時(shí)也不失連接強(qiáng)度，履帶結(jié)構(gòu)方面采用具有重量輕、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)的橡膠履帶。

相比于傳統(tǒng)滾輪，履帶的接觸面積更大，可以有效降低機(jī)器人對(duì)地面的壓強(qiáng)，使其不易陷入淤泥之中，同時(shí)，履帶表面附有紋路、凹槽，可以大大增加機(jī)器人與地面接觸時(shí)的摩擦力，使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不易打滑，提高機(jī)器人對(duì)能量的利用效率。

如圖3 所示，履帶采用雙向可調(diào)節(jié)的張緊輪調(diào)節(jié)方式，主要作用是為履帶提供預(yù)張緊力[5]、延長(zhǎng)履帶壽命、提高通過(guò)性能以及調(diào)節(jié)履帶的松緊程度。通過(guò)調(diào)整張緊輪的位置和張緊度，可以確保履帶與地面之間的接觸始終牢固，提供良好的牽引力和操控性。此外，適當(dāng)?shù)膹埦o度還能減少履帶與其他部件的摩擦和磨損，延長(zhǎng)履帶的使用壽命。根據(jù)不同的地形和工作條件要求，調(diào)整張緊度可以改變履帶與地面的接觸表面積和壓力，從而提高車(chē)輛的通過(guò)性能。同時(shí)，根據(jù)行駛速度、工作負(fù)荷或路面條件，調(diào)節(jié)張緊輪能夠改變履帶的松緊程度，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

圖3 履帶張緊輪調(diào)節(jié)部分

憑借履帶的大輪徑優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人可輕松越過(guò)石塊、灘涂、水坑等障礙物，而如果遇到無(wú)法越過(guò)的障礙物，機(jī)器人會(huì)通過(guò)視覺(jué)識(shí)別，并通過(guò)Mesh 技術(shù)發(fā)送信號(hào)到終端[6]，分析計(jì)算后，自動(dòng)調(diào)整行進(jìn)方向。如果機(jī)器人因側(cè)翻等因素導(dǎo)致無(wú)法運(yùn)動(dòng)，會(huì)向外發(fā)送求救信號(hào)，等待技術(shù)人員前來(lái)檢查與維修。

2.2 鉆孔機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鉆孔機(jī)構(gòu)如圖4 所示，主要由電機(jī)直角固定板、永磁直流有刷電機(jī)、螺母螺絲、大扭力推桿、鉆機(jī)鉆頭組成。該結(jié)構(gòu)主要需完成的工作是對(duì)濕地進(jìn)行鉆孔，由上述組成部分互相配合使鉆機(jī)鉆頭縱向移動(dòng)。鉆機(jī)鉆頭的動(dòng)力來(lái)源于永磁直流有刷電機(jī)，其具有體積小、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、用銅量少等優(yōu)點(diǎn)。有刷電機(jī)帶動(dòng)鉆頭高速轉(zhuǎn)動(dòng)，大扭矩推力推桿使得鉆頭跟隨下底板縱向移動(dòng)開(kāi)始鉆土。在鉆出一個(gè)深度適宜的孔后，鉆頭暫時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，豎直向上移動(dòng)，而后重新開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，將附著在鉆頭上的泥土甩出鉆頭，并在孔的周?chē)纬蓤A環(huán)狀土堆，工作結(jié)束。

圖4 鉆孔機(jī)構(gòu)

2.3 導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)如圖5 所示，主要由圓管、大扭矩推力推桿、小型推桿、金屬管卡、螺絲螺母、鏟頭與推桿固定架等組成。其中，圓管、小型推桿、開(kāi)合器與推桿固定架組成導(dǎo)苗管；鏟頭與導(dǎo)苗管相連接后固定于螺母固定件上，使得鏟頭能在一定方向上直線移動(dòng)；大扭矩推力推桿的一端固定于車(chē)體上，另一端固定在導(dǎo)苗管上。工作時(shí)，先從儲(chǔ)苗倉(cāng)取出樹(shù)苗置于導(dǎo)苗管中，然后縱向移動(dòng)將樹(shù)苗送入鉆孔結(jié)構(gòu)事先挖好的孔洞中，而后再通過(guò)小型推桿將鏟頭打開(kāi)，接著將鏟頭移出孔洞，整個(gè)結(jié)構(gòu)豎直向上移動(dòng)，工作結(jié)束。

圖5 導(dǎo)苗機(jī)構(gòu)

2.4 覆土機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

覆土機(jī)構(gòu)如圖6 所示，主要由加工后的鋁板、加工后的4040 鋁型材、2020 鋁型材、十字連接板、踏板以及雙軸舵機(jī)組成。在送苗機(jī)構(gòu)移出孔洞后，雙軸舵機(jī)便會(huì)驅(qū)動(dòng)由鋁板、鋁型材、十字連接板組成的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，控制踏板上下運(yùn)動(dòng)，將樹(shù)苗徹底壓入土中并壓實(shí)。

圖6 覆土機(jī)構(gòu)

2.5 儲(chǔ)苗倉(cāng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)苗倉(cāng)機(jī)構(gòu)如圖7所示，將其進(jìn)行可堆疊化設(shè)計(jì)，目的在于提高儲(chǔ)苗量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更高的空間利用率。該機(jī)構(gòu)將樹(shù)苗的頭部放入滑槽，尾部緊貼內(nèi)壁，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樹(shù)苗的儲(chǔ)存。其運(yùn)行方式為由舵機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)十字送料板將樹(shù)苗送入導(dǎo)苗筒中，在重力的作用下，下一棵樹(shù)苗會(huì)來(lái)到前一棵樹(shù)苗的位置，重復(fù)以上操作，儲(chǔ)苗倉(cāng)功能結(jié)束。該儲(chǔ)苗倉(cāng)機(jī)構(gòu)最大的亮點(diǎn)是能夠安全堆疊，節(jié)省空間，并提供更大的儲(chǔ)存容量。這不僅可以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益，還可以減少倉(cāng)儲(chǔ)成本和占地面積。儲(chǔ)苗倉(cāng)的可堆疊設(shè)計(jì)還方便運(yùn)輸和搬運(yùn)，可提高樹(shù)苗運(yùn)載量，并且便于管理和組織苗木。通過(guò)這種設(shè)計(jì)，可以使種植更加高效，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

圖7 儲(chǔ)苗倉(cāng)機(jī)構(gòu)

3 機(jī)器人機(jī)電一體化控制部分設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)下位機(jī)為系統(tǒng)的底層，用于執(zhí)行控制、數(shù)據(jù)處理和設(shè)備驅(qū)動(dòng)等任務(wù)。具體為接收上位機(jī)發(fā)出的信號(hào)控制各個(gè)功能部件執(zhí)行命令以及采集各個(gè)傳感器部件的信息發(fā)送回上位機(jī)。其中，還需有連接各個(gè)傳感器與MCU 的PCB 以及調(diào)試部分，MCU選擇性能強(qiáng)大、引腳口較多的STM32H750VBT6。

3.1.1 PCB設(shè)計(jì)

PCB 在電子設(shè)備中扮演著關(guān)鍵的角色，它提供了電氣連接、機(jī)械支持、電氣隔離、信號(hào)分配、散熱、封裝、組裝和維修等功能，同時(shí)有助于節(jié)省空間和提高設(shè)備性能[7]。該部分的設(shè)計(jì)邏輯主要為引出MCU 的I/O 口，方便各個(gè)傳感器與其直接連接，簡(jiǎn)化線路。

3.1.2 程序設(shè)計(jì)

程序的編寫(xiě)邏輯主要通過(guò)串口通信與上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[8]，內(nèi)部封裝有串口接收函數(shù)，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，會(huì)有一個(gè)執(zhí)行函數(shù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼操作，針對(duì)破解的譯碼會(huì)有對(duì)應(yīng)的執(zhí)行函數(shù)，由此便可根據(jù)上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)操作。

發(fā)送數(shù)據(jù)同理，發(fā)送與其接收數(shù)據(jù)包相同的數(shù)據(jù)串，上位機(jī)進(jìn)行接收并通過(guò)譯碼獲得各個(gè)傳感器返回的數(shù)值，再通過(guò)二次譯碼得到環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器的具體數(shù)值。

3.2 嵌入式系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

該部分主要用于接收控制終端發(fā)送的指令，并通過(guò)譯碼將需要轉(zhuǎn)述給下位機(jī)的指令通過(guò)串口通信轉(zhuǎn)述給下位機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)通過(guò)控制終端控制機(jī)器人；同時(shí)，也負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)反饋給控制終端。所使用的MCU 為樹(shù)莓派4B，該硬件使用較為方便，可參考項(xiàng)目較多，大大降低了開(kāi)發(fā)難度[9]。

3.3 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

該部分主要用于對(duì)所有環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最終呈現(xiàn)出生長(zhǎng)情況最好的環(huán)境條件發(fā)送給客戶端；對(duì)輸入的畫(huà)面進(jìn)行算法解算，并根據(jù)客戶端要求規(guī)劃路徑發(fā)送給上位機(jī)；對(duì)接客戶端，與人直接進(jìn)行交互。

從廣義上來(lái)講，服務(wù)器端可充當(dāng)機(jī)器人的大腦部分，上位機(jī)可類(lèi)比為神經(jīng)，下位機(jī)可類(lèi)比為脊椎，各傳感器可類(lèi)比為感官，所有指令都由操作人員經(jīng)由客戶端發(fā)出，做到遠(yuǎn)程控制多臺(tái)機(jī)器人[10]。

4 總結(jié)與展望

本研究深入探討了一種專(zhuān)門(mén)針對(duì)濕地地形，特別是紅樹(shù)林灘涂區(qū)域的全自動(dòng)植樹(shù)機(jī)器人設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)其特殊結(jié)構(gòu)，包括行進(jìn)機(jī)構(gòu)、鉆孔機(jī)構(gòu)、樹(shù)苗安放機(jī)構(gòu)以及泥土回填機(jī)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)闡述，本研究展示了該機(jī)器人在種植紅樹(shù)林幼苗過(guò)程中的高效性和靈活性。與傳統(tǒng)的植樹(shù)機(jī)器人相比，這種新型機(jī)器人的設(shè)計(jì)更符合濕地地形的工作需求，其快速回土的能力也顯著提高了樹(shù)苗的成活率。此外，該機(jī)器人的設(shè)計(jì)還考慮到了對(duì)不同尺寸樹(shù)苗的適應(yīng)性，使其應(yīng)用范圍更加廣泛。

隨著科技的不斷進(jìn)步和人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，未來(lái)的植樹(shù)機(jī)器人將會(huì)更加智能化和高效化。對(duì)于紅樹(shù)林種植修復(fù)事業(yè)來(lái)說(shuō)，未來(lái)的研究方向可能會(huì)集中在如何進(jìn)一步提升機(jī)器人的自動(dòng)化程度，例如通過(guò)引入更多的傳感器和智能化算法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的精確感知和適應(yīng)。此外，將機(jī)器人技術(shù)與其他生態(tài)修復(fù)技術(shù)相結(jié)合也十分重要，例如利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行種子的精確投放，利用生物技術(shù)提升樹(shù)苗的生長(zhǎng)速度等。最后，對(duì)于種植機(jī)器人來(lái)說(shuō)，如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜地形中的高效移動(dòng)和精確操作，將是未來(lái)研究需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，這可能需要通過(guò)引入更先進(jìn)的導(dǎo)航和控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。