关于沙漠种树机器人的设计与研究

关于沙漠种树机器人的设计与研究

摘要：本研究以ANASYS定制履带为基础，搭载团队独创的双线螺旋空心钻头、创新式宽齿轮以及创新式三丝杠传动机构，并配有水箱，使种树浇水垅土一体化，大大提高树苗成活率。同时种树机器人还带有无线蓝牙操作模块，使种树方位更加精准。

关键词：全自动、远程遥控、三丝杠传动、双线螺旋空心钻头

一、项目背景

1.我国荒漠化土地面积较大

根据第五次全国荒漠化和沙化监测报告，截至2022年我囯荒漠化土地面积有261.16万平方公里，沙化土地面积有172.12万平方公里，如果连同50多万平方千米的戈壁在内总面积为128万平方千米，占全国陆地总面积的13%，而我国总耕地面积才120万平方公里，我国耕地保护的形势十分严峻。如果通过沙漠种树机器人在沙漠进行大规模防护林，隔离带建设，可以极大减轻人工的劳动强度，提高并加快沙漠改造的效率。

1981年12月13日，《关于开展全民义务植树运动的决议》获得通过，植树造林、绿化祖国成为每一位适龄公民的法定义务。据央视新闻消息，截至2021年12月13日，全国适龄公民累计175亿人次参加义务植树，累计植树780亿株以上。

2.市场现状

当今市场种树机器人几乎全都是半自动化，而我们团队研发的这款沙漠种树机器人可以自行在沙漠中种植树木，人们可以通过蓝牙数据运用电子设备远程控制机器种树。

人想要在沙土中种活树，绝非易事。沙漠中光照强,水分蒸发快，且环境及其恶劣。我国还有着33万平方千米的沙漠环境，虽然塞罕坝等环境极其恶劣的沙漠已经被中国一代代林人征服，但是他们所付出的艰辛我们是有目共睹的。使用人力在沙漠中种树不仅要耗费大量人力，而且种树效率也不高。由于沙漠环境恶劣，极大的影响人们正常植树，树的成活率也是一个问题。而如今我们的沙漠种树机器人恰好能解决这一问题。

二、技术与产品

1.工作原理

种树分为上下两层，上层为储树装置通过舵机旋转传动实现树苗对准钻头中心利用重力特性自动落下；下层空心钻头，通过类丝杠原理实现钻头旋转和上下移动，通过主动的创新式宽齿轮旋转带动钻头上下和旋转，钻头外的螺纹能达到更好的排沙效果，内部锥形构造能在放树苗的同时回垄沙，对树苗进行掩埋，一个过程实现钻孔、种树、垄土全过程。

图1 样机三维模型图

以下为部分关键结构介绍：

图2 钻头与传动机构

种树机器人上添加了蓝牙控制功能和卫星控制功能和摄像头，通过手机APP

控制机器人前后左右移动，和实时画面反馈，实现远程控制甚至一键自动种树功能，同时设置有物理急停按键作为应急辅助。

产品结构简单，程序通过树莓派和Arduino分别控制，让最简单的移动控制

有足够的可靠性，如果需要在极端恶劣条件下进行操控，种树机器人也能通过履

带移动。

2.研究内容

装置包括双线螺旋空心钻头、创新式三丝杠传动机构、创新式宽齿轮、

工作转台、北斗卫星定位系统，光伏供电系统、控制系统、自动浇水系统和安全

防护系统，以此实现在沙地里的钻孔、种树、垄土、浇水全过程。

客户端采用最新蓝牙4.2无线通信技术，在4.0的基础上添加了iPv6

和6LowPAN,搭载蓝牙芯片的设备可以取得在互联网上的唯一标记,与其他互联网

设备进行通讯,操作者手机使用app与沙漠种树机器人可实现一对一远程遥控，

实现一键自动种树等功能。

该沙漠种树机器人集成了多项变频技术、伺服控制技术、可编程控制技术，工业控制技术和现场总线技术，采用红外和无线通信方式，并使用多种类型

的激光测距仪、脉冲编码器、感应式传感器等用来进行沙漠中的避障定位监测，

应用的工业组态软件便于操作者进行实际种树的控制和管理，并与视频监控系统、北斗卫星系统、远程遥控系统等相互配合，实现在沙漠里的远程种树和实时监控。

3.项目创新点

(1)旋转钻头及升降与三丝杠传动相结合

钻头的旋转与丝杠机构相结合，在丝杠上附加的齿轮再与主动轮结合即

实现了钻头旋转，升降的一体化。传统植树装置大多采用机械臂植树或直接采用

大钻头打洞后植株从传送带落入坑内，整体装置笨重，复杂且会对植株造成伤害，

成活率难以保证，而本产品采用丝杠带动空心钻头使升降、旋转一体化，不仅优

化了植树的过程，而且自动回填沙土可以保护树苗，大大提高树苗的存活率。

图3 创新式三丝杠传动机构

(2)双线螺旋空心钻头

考虑到沙土较之普通土壤更加松软稀疏，沙土回填会使得普通钻头下钻深度

与实际深度相差甚远，为了解决该问题我们推出了双线螺旋空心钻头，下钻后植

株落入坑洞中再将钻头升起，回填的沙土即可覆盖植株，大大看提高了工作效率，经过大量的实地实验及计算，按照沙土回填的数量与植株植入深度的比例，可以

达到沙土完全覆盖植株根部的效果。同时双线螺旋空心钻头不仅结实耐用，可以

随时更换而且可以根据植株，地质的不同快速制造出不同刃纹以快速适应不同的

工作环境。

(3)无线蓝牙操作模块

通过手机蓝牙APP控制车库的存取车动作。客户端采用最新蓝牙4.2无线通

信技术，在4.0的基础上添加了iPv6和6LowPAN,搭载蓝牙芯片的设备可以取得

在互联网上的唯一标记,与其他互联网设备进行通讯,用户手机使用app与蓝牙直

连控制，实现移动，植树及实时定位等一系列操作。同时设置物理急停操作按钮

作应急辅助。搭载蓝牙芯片的设备与其他互联网设备进行通讯,操作者手机使用app与沙漠种树机器人可实现一对一远程遥控，增加摄像头，实现树莓派视频实

时传输。

三、结语

本项目意在将互联网技术与沙漠种树结合，化二为一，在沙漠种树过程中，抵抗恶劣环境，钻孔、种树、垄土、浇水是一个必要的劳动环节。目前的沙漠种树还是靠人工，使用人力在沙漠中种树不仅要耗费大量人力，而且种树效率也不高。由于沙漠环境恶劣，极大的影响人们正常植树，树的成活率也是一个问题。而如今我们的沙漠种树机器人恰好能解决这一问题。我们的梦想是退沙还林，让绿水青山遍地神州大地！