基于鉗夾式插植機構的樹苗智能種植機的設計

摘 要：針對傳統人工種植效率低下、勞動強度大等問題，提出了一種基于鉗夾式插植機構的智能種植機設計方案，旨在通過自動化手段優化種植流程，提高樹苗種植的速度和質量，減輕人工負擔，同時保證樹苗的存活率。智能種植機的核心部分是一個鉗夾式插植機構，該機構能夠在樹苗插入土壤的過程中提供穩定的支撐力，確保樹苗垂直插入，并達到預設深度。此機構由精密的機械臂和可調式的鉗夾組成，能夠在不同規格的樹苗之間靈活切換，以適應多樣化種植需求。

關鍵詞：插植機構；速度；質量；鉗夾

隨著全球城市化進程的加快以及人們對生態環境保護意識的增強，樹苗種植的重要性日益凸顯[1]。傳統的手工種植方式已經難以滿足大規模綠化工程的需求，目前市場上樹苗種植機較少，人工植樹作為植樹的絕大占比，市場上植樹機械多為半自動，需要人力操作，部分自動化機器普遍只有一個或兩個功能，一次種樹會使用兩臺或多臺機器運行，稍微有一點誤差就會使植樹不成功，需要多種功能集合一體，具有高效率，高自動化的植樹機。智能種植機的應用則提供了高效的解決方案 [2] 。以下是樹苗智能種植機在全球范圍內以及在中國的具體發展情況。

1 國內外研究概況

1.1 國外研究現狀

國外樹木移植機械的研究比我國起步要早，在國外，特別是在一些發達國家和地區如美國、歐洲等，智能農業機械裝備已經相對成熟，并廣泛應用于農業生產中，技術比較成熟，產品已經呈系列化、多樣化格局。制造樹木移植機械的公司，相對來說可分為兩類，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，其生產研究大樹移植機已有 35 年的歷史，產品有車載式、汽車拖車式、輪式前懸掛式；還配備臨時存放帶土球大樹的漏斗 [3] 。對于車載式樹木移植機械一般用于移植大樹，進行挖坑、挖樹、 運輸以及栽樹。車載式樹木移植機能挖掘胸徑為120～360 mm 的樹木，最大土球直徑為 254 cm，深度可達 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 150 cm。對于這種大型樹苗的移植機數量較少，除非較為寶貴的樹木，一般情況不會花費較大資金使用這種大型機器。另一種可選用德國的一家公司，該德國公司生產的自動化樹苗種植機，其單次作業可裝載60株容器苗，理論種植速度可達120～180株/小時。但該設備主要針對歐洲地區培育的1年生針葉樹苗（平均苗高10 cm、地徑≤0.5 cm）設計，而我國《造林技術規程》（GB/T 15776-2023）明確規定：常規造林需采用苗高≥30 cm、地徑≥0.8 cm的2～3年生優質壯苗。盡管該設備作業效率較高，但由于其適配苗木規格與國內造林標準存在顯著差異，實際應用中將面臨苗木損傷率高、根系覆土不充分等問題[4]。。

1.2 國內研究現狀

在國內，隨著人們對生態環境保護意識的增強以及國家對綠化工程的支持，智能種樹機市場需求逐漸增長。退耕還林、城市綠化等為智能種樹機提供了廣闊的應用場景。國內植樹機的研究和應用相對比較晚，近年來，隨著環保意識的提升和對生態建設的重視，一些科研機構和企業開始關注和投入研發，不少學校也開設制作植樹機的工程課程，但在市面上的植樹機較少，值得關注的是華為之前進行的沙漠植樹工程，采用的是兩臺機器工作，先挖完坑后，樹苗種植機器放置樹苗，兩臺機器一起工作，相對來說效率較低[5] 。對于一些工業性的林場或農場，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。而針對中小型樹苗的種植機國內相對來說更少[6] 。

2 研究內容

樹苗種植機主要采用履帶行走，可適用于各種地形和環境，如泥濘、松軟、雪地等，能夠在復雜的地形中保持穩定的移動性能。承載能力大：由于履帶的接觸面積大，能夠承受更大的質量，整體穩定。對于不同粗細的樹苗，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。其行動路線的確認，則通過操作系統的GPS定位模塊響應編寫的參數控制電機運行。整體運行采用大容量鋰電池供電，更加綠色環保。整個過程管理員只需要觀看各項參數在運行中是否正確即可，減少了人工成本，提高了效率。整體設計如圖1。

2.1 樹苗智能種植機工況及功能分析

（1）每棵樹苗間隔：行距約1.5～2米，株間距0.7～1米。

（2）運載樹苗數量：40棵。

（3）樹苗高度：80～120cm

（4）儲水量：45 L。

（5）行駛速度： 40 m/min。

（6）樹苗栽種完成提示。

（7）水箱水位線到達提示。

2.2 樹苗智能種植機主要設計參數

（1）電機功率：1200 W。

（2）電池規格：48 V，110 Ah。

（3）履帶移動機構：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：定位定向采用高精度GNSS K823模塊。

2.3 主要技術

樹苗智能種植機主要是由鉆土機構、移苗機構、儲水機構、棘輪間歇機構、儲苗機構、行走機構以及底部的覆土機構組成；覆土機構主要由推土部分、蓋土部分、灑水部分和扶持部分組成。

（1）鉆土機構：主要是由傳動絲杠組、鉆頭傳動組、鉆頭、馬達組成（圖2）。

首先由中軸電機轉動帶動鉆土機構到達指定的地點。 傳動絲杠馬達轉動帶動鉆頭組下降。螺旋葉片旋轉切削土壤，將土壤均勻地分散在坑洞周圍。 當到達指定深度時，絲杠馬達旋轉，帶動鉆頭組上升，完成鉆土工作。

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

（3）棘輪間歇機構：主要是由一大一小氣缸、棘輪盤、驅動棘爪、止回棘爪、樹苗桶組成（圖4）。棘輪盤在大小氣缸的配合下，旋轉指定角度，完成樹苗的運送。

（4）覆土機構：主要是由推土、蓋土、灑水、扶持四個部分組成（圖5），機械爪下降后，扶持部分運行，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，蓋土部分上下運動將土壓實，扶持部分返回原位，灑水部分完成灑水。

3 樹苗智能種植機的創新點

（1）一體化機械，集合、挖、載、蓋、澆一體化，完成栽樹全套流程。

（2）采用棘輪轉盤，可以準確保證樹苗按順序一個一個運送到指定位置。

（3）采用先進的動力系統和高效的電池技術，可長時間連續工作，提高工作效率，并且綠色環保。

（4）采用粗齒鋸式履帶式行走，動力更足，可以更好地適應復雜的工作環境。

（5）采用多傳感器融合以檢測機器周邊的障礙物并進行避障，計算機規劃植樹路徑，可自行設置機器運行范圍、必經點、禁行區等特殊區域，使得機器具有更強的環境適應性，實現其獨立工作。

樹苗智能種植機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的路徑，不需要太多人力投入，成本更低，效率更高。

4 總 結

智能樹苗種植機的設計研發有利于提高植樹效率、保護森林資源、推動農業現代化，應用前景廣闊，涵蓋農業、林業、環境保護等領域，同時也能推動農機裝備產業的發展和技術創新，滿足綠色環保的要求。

參考文獻

[1] 顧正平，沈瑞珍．樹木栽植與養護機械發展概況[J]． 世界林業研究， 2005，18（4）：40-44．

[2] 于建國，屈錦衛．國內外挖坑機的研究現狀及發展趨勢[J]． 農機化研究，2006（12）：38-41．

[3] 賀漫媚，楊偉兒，張喬松． 我國大樹移植的現狀與對策[J]． 廣州園林， 2006，28（2）：29-34．

[4] 宋代平，王正祥，張云秀，等．生態植樹機發展綜述[J]． 林業機械與木工設備，2004，32（4）：4 -6．

[5] 鄭龍輝，左學海，等.多功能一體化荒漠梭梭樹種植機設計[J]，農業機械，2023（4）：93-96.

[6] 李衛衛，張偉偉，趙振智.一種多功能沙漠壓沙種草機的設計[J].汽車實用技術，2019（20）：137-138.