基于智能控制的植樹機(jī)器人研究

張鵬飛+吳震+銀良良

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的智能裝備開始走入我們生產(chǎn)生活的各個(gè)領(lǐng)域。本文提供了一種基于智能控制的植樹機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路，綜合利用單片機(jī)、PLC控制、傳感器、車輛設(shè)計(jì)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人挖坑、送苗、培土、澆水等作業(yè)過程的一體化，大大提高了植樹作業(yè)的自動(dòng)化及效率。

關(guān)鍵詞 植樹作業(yè)；智能控制；自動(dòng)化

中圖分類號(hào) TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2017）191-0042-02

1 研究背景

近年來，我國提出了綠色發(fā)展理念，而植樹造林就是工作重點(diǎn)之一。據(jù)我國2014年發(fā)布的第八次全國森林資源清查結(jié)果顯示，全國森林覆蓋面積為2.08億公頃，森林覆蓋率為21.63%，遠(yuǎn)低于世界31%的平均水平，人均森林面積僅為世界平均水平1/4[1]。因此，要實(shí)現(xiàn)我國森林資源建設(shè)的總體目標(biāo)，機(jī)械化植樹造林是必由之路。

國外研究機(jī)構(gòu)在植樹設(shè)備的研究領(lǐng)域盡管已達(dá)到了較高的水平，但是所設(shè)計(jì)開發(fā)的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本偏高，且部分功能還需進(jìn)一步完善。國內(nèi)對(duì)這一領(lǐng)域的研究較晚，基本上以打坑機(jī)和挖坑機(jī)為主，功能單一，自動(dòng)化水平較低，如3WH-60型懸掛式挖坑機(jī)、3WS-2.8型手提式挖坑機(jī)[2]。本文基于以上問題，提供了一種基于智能控制的植樹機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路。

2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及工作原理

該設(shè)備由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)、挖坑機(jī)構(gòu)、送苗機(jī)構(gòu)、培土機(jī)構(gòu)、澆水機(jī)構(gòu)組成。其中驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由全數(shù)字控制的四輪直流伺服電機(jī)組成，負(fù)責(zé)機(jī)器人在作業(yè)過程中的行走驅(qū)動(dòng)；挖坑機(jī)構(gòu)采用螺旋式鉆頭，便于松土和向周圍拋灑；送苗機(jī)構(gòu)采用專用創(chuàng)新設(shè)計(jì)，巧妙地運(yùn)用外槽輪間歇運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，完成樹苗的輸送；培土機(jī)構(gòu)連接于送苗筒下部表面處，培土?xí)r培土鋼片呈傾斜狀態(tài)，能高效地完成聚攏拍土的動(dòng)作；澆水機(jī)構(gòu)通過控制水閥開啟與關(guān)閉，完成澆水作業(yè)。

2.1 智能控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)綜合采用單片機(jī)、PLC控制技術(shù)，負(fù)責(zé)對(duì)小車的行走驅(qū)動(dòng)以及挖坑、送苗、培土、澆水等過程的控制。且該部分安裝了藍(lán)牙接收模塊，可以用手機(jī)App實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控、作業(yè)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整等[3]。

2.2 挖坑機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)由螺旋鉆頭、連接桿、永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)、升降齒條、齒輪（與齒條嚙合）、穩(wěn)定架等組成。

螺旋鉆頭和直流電機(jī)通過連接桿螺栓連接，直流電機(jī)與蓄電池連接，把化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，通過連接桿把機(jī)械能傳遞給螺旋鉆頭。穩(wěn)定架和直流電機(jī)通過螺栓連接，升降齒條和穩(wěn)定架焊接在一塊。PLC控制直流電機(jī)的運(yùn)動(dòng)來控制鉆頭的運(yùn)動(dòng)，包括控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止和正反向運(yùn)動(dòng)，從而控制穩(wěn)定架和鉆頭的豎直運(yùn)動(dòng)，完成向下挖坑和提升鉆頭。

2.3 送苗機(jī)構(gòu)

如圖2所示，機(jī)構(gòu)由直流電動(dòng)機(jī)、外槽輪、盛苗器（底部為空）、鉸鏈、導(dǎo)軌、送苗管、小輪、撥動(dòng)桿等組成。

送苗機(jī)構(gòu)由直流電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。位于工作臺(tái)上的盛苗器之間鉸鏈連接，小輪裝在盛苗器與導(dǎo)軌的外邊緣之間。在送苗過程中，控制系統(tǒng)控制直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)外槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)，外槽輪撥動(dòng)盛苗器上的撥動(dòng)桿使盛苗器向前滑動(dòng)至送苗管的上方，樹苗由于重力便會(huì)緩慢落入送苗管中，最終完成送苗動(dòng)作。

2.4 培土機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)主要由培土鋼片、連接桿、套圈、送苗管、氣動(dòng)傳動(dòng)桿、氣缸和氣泵組成。套圈套在送苗管外表面，可以沿送苗管軸向移動(dòng)。培土片與送苗管鉸鏈連接，同時(shí)連接桿鉸鏈連接套圈和培土片。氣動(dòng)傳動(dòng)桿與套圈之間為鉸鏈連接。送苗結(jié)束后，控制系統(tǒng)通過控制氣動(dòng)裝置中的電磁閥來控制氣缸的運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)傳動(dòng)桿的運(yùn)動(dòng)，然后通過鉸鏈控制套圈、傳動(dòng)桿及培土片的運(yùn)動(dòng)。電磁閥可通過控制氣缸的正反向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)培土片的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而完成培土過程中的反復(fù)拍土，提高培土質(zhì)量。

2.5 澆水機(jī)構(gòu)

澆水機(jī)構(gòu)主要由水箱、水管、開關(guān)閥、PLC控制模塊組成。培土過程結(jié)束后，PLC控制開關(guān)閥的關(guān)閉進(jìn)而完成澆水作業(yè)。在這個(gè)工作過程中，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同種類樹苗所需水量的不同來控制澆水時(shí)間，完成差異化作業(yè)。

3 產(chǎn)品的工作過程

產(chǎn)品的工作過程包括前期準(zhǔn)備和工作行程兩部分。前期準(zhǔn)備主要包括盛苗器裝苗和澆水水箱的儲(chǔ)水過程。當(dāng)這兩個(gè)過程完成后，啟動(dòng)機(jī)器人的智能控制模塊，機(jī)器人便開始按照單片機(jī)控制程序沿著既定路線進(jìn)行樹苗的自動(dòng)栽培。工作行程包括挖坑、送苗、培土、澆水4個(gè)部分。首先挖坑機(jī)構(gòu)控制螺旋轉(zhuǎn)頭完成挖坑動(dòng)作及提升鉆頭，這一過程中控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同樹苗的生存條件設(shè)定不同的樹苗栽種間距；然后驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制機(jī)器人移動(dòng)，使送苗管對(duì)準(zhǔn)挖好的樹坑，接下來控制系統(tǒng)控制機(jī)器人完成送苗、培土、澆水作業(yè)。工作行程中，使用者可以通過手機(jī)App把作業(yè)信息傳輸給機(jī)器人的藍(lán)牙接收模塊，智能控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)接收的信息進(jìn)行處理，最終實(shí)現(xiàn)植樹作業(yè)過程的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的一種基于智能控制的植樹機(jī)器人采用全新自主設(shè)計(jì)的送苗和培土機(jī)構(gòu)，具有高度的功能集成化和作業(yè)自動(dòng)化的特點(diǎn)，且工作過程中可以動(dòng)態(tài)調(diào)整工作參數(shù)，可用于代替繁重的人工勞動(dòng)或條件艱苦的工作環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。但該機(jī)器人也存在設(shè)計(jì)不足之處，比如缺少樹苗往盛苗器中自動(dòng)填裝的裝置和水箱（澆水機(jī)構(gòu)）的自動(dòng)裝水設(shè)備，這也是今后該機(jī)器人研究改進(jìn)的方向。

參考文獻(xiàn)

[1]劉建平.我國森林資源現(xiàn)狀及林業(yè)可持續(xù)發(fā)展探析[J].黑龍江科學(xué)，2015，6（3）：64.

[2]于建國，屈錦衛(wèi).國內(nèi)外挖坑機(jī)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].新疆農(nóng)機(jī)化，2007（1）：45-46.

[3]趙榮，張偉強(qiáng).PLC在工業(yè)自動(dòng)化控制中的應(yīng)用[J].科技信息（科學(xué)教研），2013（17）：30-31.