防风固沙草方格铺设机器人创新设计的研究

防风固沙草方格铺设机器人创新设计的研究

 王硕,于美丽,王时贤,蔡俊,江浩东

营口理工学院    辽宁营口    115000

摘要：为有效治理沙漠、减少沙漠化的危害,设计了防风固沙草方格铺设机器人。本项目设计一种草方格自动铺设机器人，可代替人工实现草方格沙障自动种植，相比传统草方格种植方法，本装置具有操作便捷，种植效率高，劳动强度低等优点。更容易实现市场化和普遍化，更加有力的解决市场上缺乏自动化草方格种植器械问题，提高土地荒漠化治理效率，加速生态恢复。

关键词：防风固沙、草方格、机器人、创新设计

一、引言

目前全世界沙漠面积就占了陆地总面积大20%，沙漠不断地与人类抢夺生存空间，吞噬周围的绿洲，并且以每年几万平方千米的速度扩大[1]。因此如何有效防止土地沙漠化已成为全国防沙治沙工程建设中亟待解决的关键问题之一。作为拥有防风固沙作用的工程手段，草方格沙障以其增加地表糙度有效缓解风速、成本低廉易于操控实施的优势而受到广泛关注[2]。

当前，草方格铺设主要还是依靠人力，具有众多步骤如割草，放草，铁锹压草等，这些步骤既费时又费力而且效率低下，尤其在自然条件恶劣、造林十分困难的荒漠化地区，传统的人工治沙存在劳动强度大、工作效率低、进度慢、成本高的问题，解决好机械化种植，将是一种巨大的技术突破[3]。为了克服现有技术中沙漠丘陵地段存在的机械设置草方格沙障的困难、摆脱依靠大量人力设置草方格沙障的困境、提高固沙效率、固沙质量、降低固沙成本等，需要设计自动化的草方格沙障植入装置，同时具有不受沙漠恶劣环境影响、工作效率高、植入的草方格沙障长度统一、深浅可控、高度规整、工作时间长等特点。

二、草方格沙障铺设机器人的工作原理

草方格沙障铺设机器人整体结构如图1所示，主要包括控制系统、储料系统、传送系统、植草系统四个部分，各部分紧密结合协调工作。首先将稻草原料装入

储料箱，通过控制系统草料箱后端液压推杆均速推动，把干草推往出草口。出草口设有传送装置，匀速抓取草料平铺在地面。同时在出草口前段设有开槽刀片，后端设有植草压盘。出草口中间轴、开槽刀片和压草盘处于同一水平线，当草方格沙障铺设机器人往前运行，出草口草料平铺在开槽刀片开出的槽上，开槽刀片把平铺在地面的草料压入地里。而且储料箱，传送装置，开槽刀片，植草压盘都设有两套，双工位同时运行，能够极大提高工作效率。

图1 草方格沙障铺设机器人整体结构            图2 草方格沙障铺设机器人电路控制图

三、草方格沙障铺设机器人的控制系统

控制系统主要利用自主设计程序控制实现全自动化运行，无需人员进行驾驶能完成草方格沙障铺设机器人全自动化工作。控制系统主要控制草料箱后端液压推杆，传送装置，植草系统间的协调配合。把干草通过干草箱，传送系统，到达植草系统开槽刀片在地面开出的槽上。通过植草系统植草压盘把草压入地面完成铺设。控制系统控制液压推杆推进速度和机械爪抓取速度相配合，解决干草卡顿问题，使送出的草量均匀整齐，其草方格铺设机器人电路控制图如图2所示。

四、草方格沙障铺设机器人的储料系统

草方格沙障铺设机器人的储料系统主要组成部分为草料箱体和液压推杆组成。草方格沙障铺设机器人储料系统如图3所示，设有两个宽度为1.5米，和所需稻草长度相当草料箱。稻草放入草料箱后可通过草料箱后端液压推杆均速推动，把干草向内挤压，把干草推往入草口，由机械爪抓取草料均匀往下送干草。

图3草方格沙障铺设机器人储料系统              图4草方格沙障铺设机器人传送装置

五、草方格沙障铺设机器人的传送装置

在储料箱出草口设有传送装置，由三个机械爪和一个导轨盘组成，机械爪围绕着导轨盘做顺时针运动。机械爪的全部机械运动由导轨盘和固定机械爪的三爪盘，以及带动其旋转的电机进行控制。导轨盘匀速运动时，机械爪能够定量的从储草箱中抓取干草运送到下方，草方格沙障铺设机器人储料系统如图4所示。

图5传送装置工作原理结构图

传送装置工作原理结构图如图5所示，中间的凸轮导轨是固定不动的，机械爪卡盘和机械爪进行顺时针转动。可以使机械爪伸入上方的储草箱中，并在最高点实施抓握的动作。抓取一定量的干草，机械爪顺着机械爪卡盘顺时针旋转到下方时，执行松手的动作，将干草放入下方。此机构能保证出草的均匀性，保障草方格的质量。每个机械爪旋转一圈 可以执行一次抓取和释放，这个抓取和释放的过程是由机械爪背面的自锁机构实现的。其内部的金属槽底部高低不一致，当定位正在槽内时，机械爪运动一周，由于中间大凸轮有两个凸起的结构，机械爪能够进行两次向上的运动，定位针就会在定位槽内运动一周，由于槽内底部的特殊形状，使定位正在槽内运动的时候不会产生错位。机械爪在不受外力的情况下，定位针会处于下、上两个稳定位置，处于下稳定位置时机械爪便松手，处于上稳定位置时机械爪便抓紧。同时凸轮上有两组光滑的曲面，外面的大曲面让机械爪完成向上深处的动作，里面的小曲面让机械爪完成抓取的动作。曲面经过调整，能够让机械爪先执行向上深处的动作，再执行抓取的动作，并在抓取后机械爪回缩，此时因为自锁结构，机械爪并不会松开，并将甘草运送到下方的目标区域，此时机械爪松开将草放下。并保持着松开的姿势进行下一轮抓取，为保证机器的效率，共设置了三组机械爪。机械爪设置在每个储料箱的中间，机械爪每次都能抓取草料的正中间，确保了抓取的成功率。

六、草方格沙障铺设机器人的植草系统

考虑到荒漠的特殊地质地形，植草系统相关的机构被固定在起落架上，使得机车可以根据沙地的质地调节相应的角度，可以控制铺设的草方格的干草深浅程度，也可以让机车在绝大多数复杂地形上平稳运行。植草系统由开槽刀片和植草压盘构成。开槽刀片在前端开出一条20厘米左右的深槽，干草由传送系统传送到开槽刀片开槽后的地面上。植草压盘模拟沙工人铁锹压草制作草方格的工艺过程。开槽刀片把平铺在地面的草料压入沙土中，并达到一定深度，完成插草任务。

七、结论

本文设计了具有创新性的防风固沙草方格铺设机器人,介绍了草方格沙障铺设机器人的工作原理和各系统设计。与传统人工铺设草方格相比具有以下优势。

1. 结构简单，操作便捷，安全性高；本装置模拟人工进行草沙障栽种的各工序，将草障开沟、铺设、栽种、压实等多项工作整合到同一机器上。

2.“双工位”栽种，效率高；储料系统、特制传送系统、植草系统均采用双排模型，两排同时铺设，大大提高种植效率。

3.多功能、适应各种地质情况；植入草障部分的相关机构可固定在起落架上，装置可根据沙地的质地调节底盘高度，也可在大多数道路上平稳行驶，方便运输。

参考文献

[1]邓佳源,曲湘云.草方格沙障在防风固沙中的应用[J].工程建设与设计,2019(21):205-207.

[2]李卫卫,张伟伟,赵振智.一种多功能沙漠压沙种草机的设计[J].汽车实用技术,2019(20):137-138.

[3]邓时容.基于草方格沙障与微生物岩土技术的治沙方法[J].科技风,2018(26):214.

作者：王硕，男，1989年2月出生，辽宁营口人，营口理工学院专任教师，研究生学历，硕士学位。研究方向：机械制造。

本论文为营口理工学院2022年大学生创新创业训练计划省级项目《一种草方格铺设机器人的研发》研究成果