一种可自动攀爬树木的机械碾压式灭虫装置

姜 山 裴启妍 聂靖雯 田 野 姜懿辰

（东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨150040）

随着新时代林业现代化建设水平的提升，林木病虫害防治始终是营林、园林业界的核心工作以及主要困难之一，现阶段以化学防治应用最为广泛，如常见的”树干涂层发“”树干注药法“”树干涂药包扎法“”挂吊瓶法“”树干涂胶法“等等，化学防治大多是用化学药剂的药性来防治害虫。在杀死害虫的同时，化学药剂会挥发进入大气，进而通过降雨污染生态环境；通过皮肤、呼吸粘膜、口腔进入人体，危害健康；通过药物残留进入害虫天敌体内，破坏生态平衡；并且化学杀虫极易导致害虫产生抗药性，因此化学杀虫存在不可避免的弊端。与化学杀虫相比，物理防治具有杀虫快、无污染等优点，但是现有的物理灭虫多是人工灭虫及少量机器灭虫，其中灭虫机器一般都需要人工进行操作，无论人工灭虫还是人工操作机器灭虫均存在杀虫率和效率都十分低的问题。因此，针对上述问题，设计一种可自动攀爬树木的机械碾压式灭虫装置显得尤为重要。

1 方案设计

1.1 结构设计

本自动攀爬树木的机械碾压式灭虫装置通过电机带动上、下机械手交替运动，实现自动攀爬功能，提高了工作效率，并且通过网络摄像头与碾虫轮的配合，实现物理灭虫的功能。

自动攀爬树木的机械碾压式灭虫装置包含杀虫钉、碾虫轮、销钉、u 型连接杆、碾虫轮电机、固定杆、网络摄像头、上驱动电机、可伸缩机架、下驱动电机、下连接杆、下固定座、下机械手、下螺栓、上机械手、上螺栓、上固定座、上连接杆、电机输出轴、联轴器、转动轴。本实用新型的目的是这样实现的：下驱动电机安装在可伸缩机架下端，所述下驱动电机中部安装下连接杆，所述下连接杆左端安装下固定座，下机械手通过下螺栓铰接在所述下固定座上，上驱动电机安装在所述可伸缩机架上端，所述上驱动电机中部安装上连接杆，所述上连接杆左端安装上固定座，上机械手通过上螺栓铰接在所述上固定座上，所述上驱动电机顶端安装网络摄像头，固定杆安装在所述上驱动电机上，所述固定杆上端安装u 型连接杆，转动轴可转动装配在所述u 型连接杆内部，销钉安装在所述转动轴前端，碾虫轮通过所述销钉、所述转动轴可转动装配在所述u 型连接杆上，碾虫轮电机安装在所述u 型连接杆上，杀虫钉以双排圆周方式安装在所述碾虫轮上。至此构成了一种可攀爬树木的机械碾压式灭虫装置。

1.2 技术指标

装置整体采用铝合金材料，减轻装置质量及装置攀爬时的负载；上下机械手，碾虫轮，杀虫钉采用耐磨性较高的硬质合金，防止长期磨损破坏装置。1.2.1 下驱动电机长度为200mm，宽度为200mm，高度为200mm。下连接杆长度为50mm, 直径为50mm。下固定座长度为60mm, 宽度为60mm，高度60mm。下机械手圆周直径为200mm。下螺栓长度为80mm。上驱动电机由容量为50000mAh 的下装配电池供电。1.2.2 可伸缩机架直径60mm,在伸长到最长时，长度为140mm，缩短到最短时，长度为80mm，即装置一次行程量为60mm。1.2.3 上机械手、上驱动电机、上固定座、上螺栓的技术指标分别与下机械手、下驱动电机、下固定座、下螺栓的技术指标相同，上装配电池容量60000mAh。1.2.4 固定杆长度为200mm,宽度为30mm,高度为30mm，距靠近上驱动电机带有机械手一面60mm处，并位于两侧面的中心处，为了使得整个装置重心靠近抓树一侧。网络摄像头直径为40mm，固定在固定杆边侧，距离其20mm处。U形连接杆直径为40mm，长度为300mm。碾虫轮直径为90mm,长度为20mm。两轮中心距为106mm。杀虫钉长度为8mm，采用双排圆周固定在碾虫轮外侧，能够有效杀死害虫。小型电机为AC小型标准电机，由上装配电池供电。上述技术指标在实际生产及使用过程中，可以根据现实情况及使用需求进行合理的调整。

2 工作原理

本设计能够实现无人操控自动工作。机器作业时，将可攀爬树木的机械碾压式灭虫装置的上、下机械手15、13 装夹于规整树干上，开动开关使下驱动电机10 工作，下驱动电机10 驱动下机械手13 张开，同时下驱动电机10 推动可伸缩机架9 向上收缩，可伸缩机架9 收缩的同时带动下驱动电机10、下连接杆11、下固定座12、下螺栓14、下机械手13 向上移动，此时上驱动电机8 保持不动，当可伸缩机架9 完全收缩时，下驱动电机10 保持不动，下机械手13闭合自锁，上驱动电机8 驱动上机械手15 张开，同时上驱动电机8带动上连接杆18、上固定座17、上螺栓16、上机械手15 向上移动，当可伸缩机架9 完全伸出时，上驱动电机8 驱动上机械手15 闭合自锁，上驱动电机8 停止工作，此时下驱动电机10 开始工作，上机械手和下机械手通过上述动作顺序交替向上运动, 上机械手和下机械手通过上述动作顺序交替向上运动，该装置实现了爬树功能，在上移过程中，网络摄像头7 开启感知模式，运用基于CamShift 的算法感知捕捉虫子后，碾虫轮电机5 启动，电机输出轴19 通过联轴器20 带动转动轴21 转动，转动轴21 带动碾虫轮2 相向转动，害虫被杀虫钉1 杀灭，实现了物理灭虫功能。

3 创新性及前景分析

3.1 创新性分析

3.1.1 本装置采用物理灭虫，在灭虫过程中，对人体以及生态环境都提供了良好的保护作用，有效解决了化学灭虫的污染环境，以及化学药剂侵害人体健康的问题。3.1.2 本装置为全自动灭虫装置，可自动攀爬树干，不仅能够识别静止不动的害虫，而且能运用基于CamShift 的算法对低速运行的害虫进行追踪识别，识别后碾虫轮运转，将害虫带入轮中杀死。3.1.3 本装置结构简单，由攀爬、识别、灭虫三个部分组成。攀爬装置主要由两个驱动电机带动运转，驱动电机由可充电电池供电，做到无线工作，攀爬形式采用伸缩方式，由驱动电机控制中部伸缩杆的伸缩，过程简单，并且稳定可靠。考虑到树木表面光滑规整的程度较低，上、下机械手分别采用三排手爪组合安装。下固定座含自锁装置，能够有效防止装置在运行过程中坠落，具有良好的防坠性。常用灭虫装置多选用”灭虫拍“，由于树干为圆柱形，拍死害虫时的“灭虫拍”与树干接触面积较小，不容易做到精准拍死，故杀虫部分采用双排钉相向旋转绞入害虫，作用范围大，能够有效地杀死害虫。

3.2 前景分析

3.2.1 现如今，我国对生态文明十分重视，不断推进生态文明建设以及林业现代化建设，作为林业大国，我国的林业由原先的林业生产加工逐渐转变到林业资源保护，害虫防治正是林业资源发展中一个重要的环节，但是由于化学除虫副作用较大等多项问题的干扰，除虫问题一直无法得到根治，这套可自动攀爬树木的机械碾压式灭虫装置恰好解决了这一棘手的问题，有效助力生态文明建设。3.2.2 本装置结构简单，造价低，体积较小便于携带，清洁环保，物理灭虫效率高，做到精准灭虫，能够以较低投入大面积投放使用。该装置为全自动灭虫装置，能够实现无人工作，解决了人工除虫耗时耗力的问题，节省了大量的人力资源。因此，该产品由良好的发展前景。