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全自动植树车说明书合肥学院

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2020年4月19日
文档仅供参考

第三届全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组预赛项目

“全自动植树机”设计说明书

设 计 者 冯建国、江黄、马具锋、臧俊、邸铁彪
设计单位 合 肥 学 院
设计部门 机械工程系
指导教师 王 勇
时 间 9月

安 徽·合 肥
目 录

一、设计背景
二、作品功能及指标
三、机构设计
四、运动和动力分析
五、控制设计
六、作品创新点
七、应用前景
八、总结与感谢
九、主要参考文献
附录：实物照片
一、设计背景
地球是人类唯一的家园，随着工业化不断发展，环境问题日益严重， 沙漠化、水土流失、沙尘暴已经越来越严重地影响到人类的生存和发展，解决这些问题已到了刻不容缓的地步。人类无节制地砍伐森林是产生这些环境问题的主要原因。森林作为“地球之肺”，是地球气候变化的指挥棒，它不但能够提供大量木材，还具有涵养水源、保持水土、防风固沙、保护农田、净化大气、防治污染等生态效益。因此植树造林是保护环境的一大重要举措。当前正在实施的“三北防护林”工程被称为“绿色万里长城，它地跨东北西部、华北北部和西北大部分地区，东西长４４８０公里，南北宽５６０~１４６０公里，总面积４０６．９万平方工公里，占国土面积的４２．２％，接近中国的半壁江山。由于这些情况，中国迫切需要快速、高效的植树方法及装备。

图1-1 沙漠化和荒漠化现象的危害

机器植树作为一种新型的植树方法，它比传统的人工植树具有两大优点，一是效率高，二是树苗成活率也高。
植树机设计思路是：机器代替人自动完成植树过程。现有的植树装置自动化程度偏低，操作时需要有多人辅助作业，而且体积庞大、功能单一，不适合种植多种苗木，这些不足限制了植树机的推广应用。
针对上述情况，我们提出一种新的方案：设计一种自动植树机，在无人控制的情况下，完成植树过程。植树机可由普通轻型卡车改装而成，可种植多种树苗，大幅降低植树成本。具有高效率、低成本、适用范围广的特点。
二、作品的功能及指标
作品自动完成植树的各个过程动作，包括植树机（车）自动行走、钻坑、移苗、送苗、覆土、镇土等功能。机器能够自主运行，实现连续作业，完成成片树林植树，并能按照要求的几何排列形状植树。作品能同时种植多种树苗，适用于种植中、小苗木，如果简单地加以改造，也可用于缓坡植树。预计每小时植树可达90—120棵。植树速度约为：用材林每公顷50~75小时，经济林、果林每公顷25~50小时，灌木林每公顷250~500小时。

三、机构设计
图3-1 全自动植树机运动循环图

植树机主要动作的执行顺序依次为：小车（钻头）到达预定位置钻坑；前行一段距离（根据我们作品的尺寸为21cm）；机械手转至车箱抓取树苗，同时同步传送带将树苗移动到指定位置，在取苗之后，同步传送带再前移一个微小距离为下次动作作好准备；机械手将树苗送到树坑位置，放入树坑并抓稳扶直；覆土机构的覆土构件移至地面，完成覆土动作；镇土机构的气缸完成360度的压土动作，然后覆土构件抬起；植树机按以上过程循环工作。
（1）钻坑机构的设计 现有植树机一般采用开沟方式，这种方法挖沟效率虽然很高，但沟的深度较浅，不适合种植需要深栽的苗木。另外，使用犁式开沟器不但严重破坏地表植被，还会丧失大量表层土壤水分。为此，设计时采用特制的钻头钻出树坑，也可根据需要更换钻头，以得到不同直径以及深度的树坑。（整个机构如图3-2所示），工作原理是电机固定在丝杠上，电机转动带动丝杠旋转并作上下运动，丝杠下端安装钻头完成钻坑操作。
图3-2 钻坑机构结构示意图
4钻头
2螺母
3电机
1丝杆

（2）覆土机构的设计 采用两个相同的机构对称布置，分层覆土。在工作行程段，覆土构件接触地面，执行覆土操作。完成后，快速回到起始位置。起始位置距地面一定高度。起初我们采用连杆机构，经过拉簧控制它的回程，但测试发现弹簧力过大，工作时难以克服拉簧产生的阻力。最终选择曲柄滑块机构，机构具有急回特性，经过增加一个限位开关，运动精确到位，覆土均匀，效果很好（机构如图3-3所示）。为避免自锁现象，需对机构尺寸进行合理设计。
10限位挡板
9覆土构件
8铰链
7绊轴
6连杆
5销
4支架
3齿轮
1限位开关
2电机

图3-3 覆土机构结构示意图

工作原理是：电机正转，带动齿轮3转动，齿轮3具有曲柄的作用，它带动连杆作平面运动，联结在连杆端部的滑块接触到地面，开始工作行程，完成覆土功能。然后电机反转，执行快速回程。经过开关传感器，控制机构准确回到起始位置，避免了由于惯性等因素造成机构运动的不稳定。
（3）同步传送带移苗机构的设计 设计移苗机构应考虑移苗操作要稳定、精确、连续，充分利用车厢空间，尽可能多放置树苗。同步传送带传动具有稳定、可靠的优点，满足移苗操作要求，该机构采用两个光电传感器，具有定位识别功能，提高了移苗操作的精确程度，有利于机械手准确抓取树苗。（见图3-4所示）

图3-4 同步传送带移苗机构示意图
8主动齿轮
7同步带
6机械手
5光电传感器
4从动带轮
1车身
3从动齿轮
2装苗容器

机构由同步传送带、四个齿轮、两个滑轮组成，其中构件8为主动齿轮。当混合排列不同树苗时，植树机能自动区别不同种类的树苗。如树苗按ABAB...AB排列，因首末两棵树的间距与其它相邻两棵树的间距不同，从而确定起始位置是哪种树苗。每个装苗容器放置一棵树苗，树苗能够平稳、可靠、连续传送。
（4）机械手送苗机构的设计 机械手一般结构复杂、价格昂贵，为了降低植树机成本，采用简易机械手。我们先后设计出螺纹式、气动式和绕线式机械手，最后选择了绕线式机械手。为了保证机械手转动位置精确，使用两个限位开关分别控制其两个极限位置（如图3-5所示）。
10蜗轮
6限位挡板
13蜗杆
12限位开关
11螺杆
9限位开关
8手指
7手指
5限位开关
4电机
3限位开关
2导向轴
1电机
13

图3-5 机械手结构图

工作原理为：蜗轮10能够相对机架旋转360度，螺杆11经过螺旋传动带动智能手指7和8作升降运动，智能手指的开合由电机4带动绕线控制。两手指各装有开关5和12。在作抓取树苗的动作时，如果抓取到树，限位开关5压触树干；如果没有抓取到树，限位开关12压触限位挡板6。根据开关5和12的状态，决定控制手指的电机4是否继续转动、反转或者停止。
（5）镇土机构的设计 人工植树中，镇土是用脚压实实现的，脚可在树坑的任意位置踩压。基于这一思想，镇土机构要能旋转360度，能够在树坑处任意位置镇压土壤，而且用程序控制实现分层压土。（如图3-6所示）
工作原理是，不完全齿轮4与定轴轮系啮合，带动固定在不完全齿轮下面的各个镇压装置旋转。镇压装置由汽缸、活塞、镇土构件组成，采用气动方式，具有其它机械传动无法替代的浮动作用，保证土壤松紧程度合适。另外，两个倾斜安装的镇压装置构成一个“V”字型，经过镇土，树苗附近形成一个凸台，这样下雨时，不会积聚大量雨水，避免树苗被淹死，有利于提高成活率。
5气缸
4不完全齿轮
3从动齿轮
2主动齿轮
1电机

图3-6 镇土机构结构示意图
8支架
6活塞
7压块

四、运动和动力分析
（一）覆土机构分析
1、降落地面过程 :

图4-1 覆土机构开始位置（状态B） 图4-2 覆土机构中间位置（状态C）
（1）从状态B（见图4-1）到状态C（图4-2，杆3为水平位置）过程利用图中的拌轴与V型结构处的几何锁合使杆3和杆2保持同步运动。此时杆2和杆3可视为同一物体，且围绕铰链O同速转动。
电机转速 n=290转/分钟，传动比i=6，利用控制器调速可实现1~8级转速。

其中：杆3的

传动比i=60/10=6

图4-3覆土机构接触地面位置（状态D）
（2）从状态C到状态D（见图4-3），V型块开始接触地面，杆2、杆3继续绕铰链同步转动，可是此时V型块（由铰链结构决定的）几何锁合消失，机构多出一个自由度，出现欠驱动现象。此时时活动构件数为2，转动副数为2，其自由度为：

从B到D过程保持V型结构后在重力与外力作用下保持下垂状态必须满足一定条件。设V型块的质量为M，杆3的角速度为ω3。

在状态D时，θ值最大，设 ，R=0.05m。得到： 。因此在下降过程取电机的速度为2或1档 （1.26rad/s或0.63rad/s），能够满足以上要求。
（3）从状态D到状态E（见图4-4），不但V形块，而且拌轴处的几何锁合也消失，其其自由度为3。
i=

图4-4 覆土构件工作位置（状态E）
这一过程中与地面垂直的V型块在重力、杆3的作用力和摩擦力的作用下 ，最终与地面平行，沿地面滑行。
2、机构的地面覆土过程
此时覆土机构变为曲柄滑块机构（见图4-5），自由度为1。其中杆2为曲柄，杆3为连杆，V型块为滑块。图中所标角度为压力角，为了保证机构传动良好，防止自锁现象的发生，传动角一般大于40度，即压力角小于50度。图4-5是按照作品尺寸分析得到，最大行程为47.28mm，实际取用的行程为36.84mm。

图4-5 覆土构件工作分析图

如图建立直角坐标系对C点进行运动分析。

图4-6 覆土机构分析图
为保证覆土的效率与平稳取，Ψ2的取用值-200度到-70度
由 推出以下公式，分别做出C点的位移，速度，加速度图。

图4-7 滑块位移线图

图4-8 滑块速度线图

图4-8 滑块加速度线图
在整个运动过程中速度变化平稳，加速度的冲击大多为柔性冲击，对整个机构的运动的平稳起积极的作用。
（二）镇土机构分析
从电机经过定轴轮系传动到转盘（不完全齿轮），为了不与的所种树苗发生干涉，转盘设有100度角的开口。

传动比 i=60/10=6，
为提高效率要求转盘在1秒钟内转动180度角,则电机最小转速：
n=0.5×6×60=180 r/min
电机做的功转化为轮1、轮2、轮3的动能。
轮1的质量: M1=40Kg，M2=10Kg，M3=5Kg
轮1的转速: ω1= rad/s
轮3的转速: ω3=6 rad/s
平均半径分别为
动能分别为： ， ，，

=111.033+33.97+19.99=165 J
电机功率为P则：=165w
取电机为 200 w，转速为250转/分。

（三）气缸分析：
为使镇土时树坑形成凸形（防止树根集水），在设计气缸与不完全齿轮连接时形成一定角度（如图）

图4-9 气缸角度分析图
气缸的活塞杆在不工作时保持与地面有一定的高度60cm（该值可调整），树苗直径大约d=8cm，气缸的活塞杆最大伸长量为70cm。
则：

不完全齿轮半径= =
气缸镇土时的力大约为F = 100N，气缸截面半径r = 10cm, 气压，为提高效率，每次镇土时间为1s, 活塞最大伸长量L=70cm，气缸压强为P，功率为P1 ,电机功率为P2，如下图：

=+1.01325=104518
=104518/1=2298.5w
则： =22298.5=4597w
因此取用 5000W的电机。

五、控制设计
植树机控制系统由一个主控制器、两个扩展板组成，控制系统经过程序来实现各个机构的功能。
植树的整套功能如图5—3所示：
镇压
覆土
机械手送苗
同步传送带移苗
车体前进
钻坑
启动植树机

图5-1全自动植树机植树过程流程图

（1）植树机车体是经过两个电机来驱动，由控制器改变电机的转速大小和转向，使车体实现前进、后退、转弯等运动。
（2）钻坑机构动作经过改变电机正反转实现。利用其上方的一个开关传感器来实现单方向准确定位。经过控制器改变电机的速度大小，使钻头接近地面时以低速转动，获得更大的力矩；其它情况高速运动，以达到提高植树效率的目的。
（3）移苗、装苗等功能的实现。控制电机的低速运转，使移苗时既具有大的转矩又平稳。其中，一个光电传感器控制移苗精确位置，另一个光电传感器确定第一个装苗容器。子程序如图所示：

再利用控制器使装苗容器略微前移，让开传感器位置，以利于下一棵村苗就位。还能够同时利用两个光电传感器的信号状态判断是否为第一棵树，这种方法主要用于多种树木间种。
（4）机械手经过程序控制，实现了各功能。共安装6个开关传感器，实现了动作的可靠、准确、稳定。其中智能手指上的2个传感器经过开和关之间的切换，能够实现有树时，抓取到位即停；无树时空抓保护不损坏机器。子程序如下：

手臂准确到位。利用开关传感器控制，获取信号后反馈到控制器。能够实现了手臂上下运动、转动动作准确。
（5）不完全齿轮正反向转动，经过开关计数器的数字信号控制电机转动，确保机构运动稳定、精确，无累积误差。
（6）覆土动作由程序控制电机的转速，在V型块下降到地面之前时中速运动，覆土时低速运动，回程时快速运动。在回程终点位置设有一个传感器，实现了准确限位。
（7）镇土动作由程序控制电机转动，利用充气气缸对贮气罐加压，然后控制电磁铁的开、关实现工作气缸的直线往复运动，完成了镇土功能。
不完全齿轮、覆土、镇土动作之间的协调，由程序控制避免了各相关机构的时空干涉，实现了预期的功能，而且动作到位、可靠。子程序如图：

六、作品创新点
（1）首次提出并实现植树机全自动工作。一般机器植树只有一个或若干个功能实现机械化，尚不能完全摆脱以人工操作为主的局面，如移苗、送苗、覆土及镇土等操作都依靠人工完成。本作品精心设计了各个功能机构，由控制器和程序依次控制各个机构的动作，并可作一定的自主判断，植树过程全自动化。
（2）采用机械手送苗。当前植树机械没有采用机械手装置，原因是它结构复杂，价格昂贵。随着科技水平的发展，机械手这种代表先进技术的装置必将广泛应用于更多行业。我们设计的机械手结构简单，经济实用，提高了植树效率。
（3）同步传送带移苗机构。同步传送带传动平稳可靠，所用的两个光电传感器保证了移动树苗的位置准确，同时具有初始位置定位功能。使用同步传送带传递树苗尚未见到任何资料记载。
（4）采用“智能”机械手指。机械手指抓树时有两种可能，一是抓住树苗，二是抓空，不论何种情况，手指都应该感觉到抓取状态，及时作出反映并采取有效措施，避免树苗和手指受到损坏。本作品在手指抓取位置安装了开关传感器，用以感知抓取状态，使机械手指具有一定的“智能”（如图6-1所示）。
图6—1智能手指结构示意图
8挡板
7手指
6开关传感器
5手指
4开关传感器
3铰链
2机械手手臂
1电机

若手指抓取树苗时，出现开关4打开、开关6闭合，控制器接受到该状态信号，指令电机停止转动，因此，手指不再对树干加力；若手指抓空，开关4闭合，开关6打开，控制器会发出指令使电机反转，手指回复至伸张状态，机械手回到原来位置，等待抓取下一棵树苗。一般植树装置靠人工完成抓苗操作。
（5）采用钻坑方法挖坑。常见挖坑机构用开沟的方法挖坑，既破坏地表植被，又丧失大量土壤水分。只有少数几种植树机用钻空深栽的方法。该作品能钻出不同直径不同深度的树坑，可满足种植不同树苗的需要。
（6）采用开关传感器和光电传感器，经过编程和控制器完成整个植树机的操作控制，使各功能机构运动精确到位，实现了光、机、电一体化综合应用。
（7）采用仿人式镇土机构压实土壤。见图3-6所示，利用不完全齿轮旋转正负90度角，对称布置两个镇土气缸，能够保证在树苗四周任意位置镇土。另外，不完全齿轮的缺口起到两个作用，一是避免与覆土机构的升降发生干涉，二是植树机能够与已种好的苗木顺利分开。使用气动方式镇土，具有传动速度快，遇到较大阻力时对机器损害小等优点。
（8）采用了具有欠驱动特点的覆土机构。机构如图3-3所示，覆土机构从初始位置到达工作位置的过程中，机构的自由度依照从1、2、3、1的规律变化，最后以自由度为1时实施推土动作，该机构的原动件数为1。按照理论分析得到的运动参数工作，该机构传动平稳、可靠、效率高，整个机构在实现覆土过程中，动作准确、流畅，采用分层覆土方式，覆土效果明显，具有很强的实用性。

七、应用前景
中国是一个森林资源较少的国家，当前森林面积仅为1.15亿公顷，森林覆盖率为12.95%，远远低于世界平均水平31.3%；人均林地面积不足2亩，木材蓄积量不到10立方米，而且据统计中国森林在近 间锐减23%，可伐蓄积量减少50%，云南西双版纳的天然森林自50年代以来，每年以约1.6万公顷的速度消失，当时55%的原始森林覆盖面积已减少了一半。这一组组触目惊心的数据，正是地球母亲向人类敲响的警钟。令人欣喜的是越来越多的人已开始关注绿色环保，积极参加到植树造林的活动中， 的北京奥运提出了绿色奥运的口号，地跨华北、西北、东北防护林工程正在如火如荼地进行，这些工程都需要大量的植树机器。因此不论从中国客观国情，还是从国家有关政策而言，植树机特别是全自动植树机具有很大的市场潜力。
本作品的车身采用左右电机差动方式驱动，可实现直线运动、转弯等行走方式。因此它既能沿一条直线植树，又能按照多种排列方式植树，而且能够同时交叉种植多种树苗。本作品植树方式灵活，功能较强，采用的多种机构技术成熟，所用承载车身可由普通轻型卡车改装而成。产品可由一般汽车车辆制造厂家或农用机械厂承接生产，作品转为产品的可能性较大。
全自动、高效率、适用范围广是该植树机的主要特点，它适用于大面积植树，特别在人力无法完成的地方。可在半固定沙地、平原及丘陵地区作业，也可用于城市街道绿化，公路、铁路、农田的防风林种植，特别适用于某些特殊用途用林，如造纸用林。全自动植树机具有长时间工作的能力，可在夜间自动进行工作，能种植多种乔木、灌木，应用前景广阔。

八、总结与感谢
作品设计创作过程中，不论是在方案设计和制造过程中，还是在装配调试阶段，都有我们没有考虑到的问题出现，往往是一个问题带出一连串问题，导致我们前面所作的努力全都白费，又必须重头开始，实施从实践中获得的改进方案。整个团队的成功合作是我们的另一个收获。我们每个成员都有明确的分工，同时又相互密切合作、相互帮助。每当某项工作处在关键时刻，时间很紧，工作量又很大时，小组其它人都会主动地暂时放下手头工作，集中全体人员的智慧和力量去攻克它。有时我们之间也会为了一个问题争的脸红脖子粗，但因为有共同的目标，争吵随后也就烟消云散，最终得来的还是作品技术的改进和更深的同学友谊。
非常感谢指导老师王老师，她对我们进行了耐心、细心的指导，指出作品设计创作中的不足之处，鼓励我们对原有方案、机构不断进行合理改进，培养了我们的创新意识和创新能力。在此，向王老师表示我们深深的敬意。

九、主要参考文献
[1] 郑文纬 吴可坚主编．机械原理（第七版）. 北京：高等教育出版社，1997
[2] 陈铁鸣主编. 机械设计（第三版）. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，
[3] 谭浩强主编 . C程序设计（第三版）. 北京：清华大学出版社,
[4] Fischertechnik Computing Pneumatic Rrobots 4 Models
[5] Fischertechnik Computing Robo Mobile Set 8 Models
[6] Fischertechnik Computrng Industry Robots 3 Models
[7] Fischertechnrk Computrng Rrobo Pro Software

附：实物照片

附图1 全自动植树机外观图
该机器能够完成前进、后退、左右转向等运动，能够实现钻坑、移苗、送苗、覆土、镇土等功能，植树过程自动化。作业平稳、可靠、效率高，适用范围广。

附图2 镇土机构实物图
由电机（附图2正中位置）经过两级齿轮传动，带动转盘（不完全齿轮）转动。转动范围-90°~+90°，转盘下方对称布置两个气缸，可实现360°角的任意位置的压土动作。

附图3 覆土机构实物图
由电机（附图3中间红色小齿轮后侧）经齿轮传动带动图中黑色大齿轮转动，再带动连杆、V型块运动。经过巧妙的设计，使该机构在转动至某一定位置时演变为曲柄滑块机构，实现覆土功能。

附图4 作品测试过程
历经多日辛勤工作，作品已成雏形。图为创新设计团队成员们正在紧张地进行整机性能测试，以检验作品功能实效。
联系方式：
联系人：王勇
电话：（手机）、（办公室）
邮箱：
地点：安徽合肥市黄山路373号
单位：合肥学院机械系
邮编：230022