CN110326408B - 一种都市微农业机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种都市微农业机器人，以Arduino单片机为控制核心，硬件设计包括总体的移动行走设计、功能机构的设计、执行机构的设计，其中功能机构包括洒水机构、播种机构和土壤湿度测定机构。为了节省机构的运转时间提高操作效率，在各个执行机构中加设YZ的双轴联动以及执行机构的快速切换的功能机构。通过编写程序控制三个步进电机用以驱动XYZ三轴按照规定的行距间距进行播种、浇水操作。本发明通过Arduino单片机控制X轴、Y轴、Z轴三轴的准确移动联动执行部件进行自动播种、测试土壤湿度自动灌溉以减少水资源的浪费，并减轻劳动强度。

Description

一种都市微农业机器人

技术领域

本发明涉及都市微农业领域，特别是涉及蔬菜的播种、浇水。

背景技术

都市农业已广泛用于世界各地的农业。近年来，基于都市内的蔬菜种植和花卉产业发展越来越快，例如温室大棚、屋缘(屋顶、阳台、宅院)、闲置地、院区和园区。现如今耕种人手减少，自动播种、浇水设备的出现大大提高了人们的工作效率，节省了大量的人力和物力。

现在的播种、浇水等农活大多还停留在人工作业，占用了大量的劳动力。现有的播种机功能较为单一且设备较大，仅仅具有播种能力，完全不具备自动灌溉的能力。人工播种过程中很多情况下会造成漏播、多播以及种子的行距间距不一等情况，人工浇水过程中会造成大量的水资源浪费，不能很好的满足人们的使用需求。针对上述情况，设计了一种既能播种也能浇水的适用于都市农业的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种既能播种也能浇水的适用于都市农业内的设备，为了减少水资源的浪费和节省大量的劳动生产力，并且通过了解蔬菜的种植园艺来按照相应的种植行距与间距合理进行播种以达到最大的生产效益。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种基于龙门式框架结构的微农业机器人，包括机体和控制器，所述的机体是龙门式结构框架，底部所述的四根铝型材通过所述的螺丝、直角角码连接在一起成矩形框架，左右两侧为所述的X轴。框架底部四个角分别连接四个所述的接连杆连接所述的万向轮，使整个设备能够行走。

所述的X轴通过所述的X轴步进电机转动带动X轴滑动装置进行移动。X轴滑动装置由8个所述的惰轮、同步带和铝板构成。

优选地，同步带安装在X轴的步进电机的转轴上，通过X轴步进电机转动带动所述的同步轮在同步带上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，所述的同步带由两个惰轮进行压紧，防止同步带松垮导致传动比不准确，带动Y轴前后移动。

优选地，X轴起始位置装有所述的限位开关，当Y轴前后移动触碰到限位开关时，回到设定的起始位置。

所述的Y轴通过铝型材与所述的两侧X轴水平连接，并由所述的直角角码与所述的直角固定件加固，与所述的X轴整体形成一个龙门式的框架。

优选地，所述的Y轴装有步进电机与所述的Y轴与Z轴的联动装置。所述的联动装置由两块铝板、Y轴惰轮、Z轴惰轮和同步带构成，所述的Y轴步进电机固定于所述的联动装置，当所述的Y轴步进电机转动带动所述的同步轮在所述的同步带上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，带动所述的Z轴进行左右移动。

优选地，Y轴起始位置装有所述的限位开关，当Z轴左右移动触碰到限位开关时，回到设定的起始位置。

所述的Z轴固定在Y轴铝型材，所述的Z轴步进电机固定在Z轴顶部，所述的执行部件固定在Z轴的底部。Z轴由Z轴步进电机带动所述的丝杆转动，通过丝杆螺旋块把丝杆的旋转运动转换成Z轴的直线运动，同理Z轴也由惰轮卡在铝型材的凹槽内，防止倾斜。

优选地，还包括取种盘、水泵、气泵、控制器与串口屏、坦克链。所述的控制器与串口屏放置控制盒中并装所述的Y轴上随Y轴移动，电源线、水管和控制器与串口屏通过所述的坦克链整齐的排布在X轴的侧面。所述的执行部件通过X轴、Y轴、Z轴三轴的前后、左右上下移动进行播种、灌溉。在X轴右侧装有所述的取种盘，所述的气泵、水泵固定在所述的控制盒左侧。

优选地，还包括控制器与串口屏的设计。配置了所述的控制器与串口屏以方便用户操作起来更加简单和方便，所述的串口屏的界面设计有播种、灌溉、湿度、设置和复位。首先点击设置来设置种子播种或者灌溉的行距、间距以及种子的播深，设置好之后串口屏会把相应的数据反馈到所述的Arduino单片机控制器，所述的Arduino单片机控制器会通过相应的程序处理接收到的数据。然后可以点击想要进行的操作播种、灌溉和测试土壤湿度。同样点击完这些操作，串口屏也会根据不同操作传递给所述的Arduino单片机控制器不同的信号，单片机接收到这些信号通过不同的子程序来进行这些操作。当点击复位操作时，Arduino单片机接收到信号会返回到设定的原点。

本发明相对于现有技术取得了以下技术成果。

本发明公开了一种用于设施内自动播种、自动灌溉、测试土壤湿度的设备，通过Arduino编写程序控制操作X轴、Y轴、Z轴三轴带动功能执行部件进行播种、灌溉、测试土壤湿度，严格按照蔬菜的种植园艺进行播种以避免种植过稀或过密。测试土壤湿度，避免不必要的水资源浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明用于设施内自动播种、自动灌溉的设备的整体结构示意图。

图2为X轴滑动装置。

图3为Y轴、Z轴联动装置。

图4为播种执行部件。

图5为灌溉执行部件。

图6为测试土壤湿度执行部件。

附图标记说明：1万向轮；2连接杆；3X轴；4X轴滑动装置；5X轴步进电机；6直角角码；7执行部件；8Z轴限位开关；9丝杆；10Z轴；11直角固定件；12Y轴限位开关；13Z轴步进电机；14Y轴步进电机；15Y轴、Z轴联动装置；16Y轴；17X轴限位关；18坦克链；19气泵；20控制器与串口屏；21水泵；22取种盘；23供电电源；24铝板；25同步带；26X轴惰轮；27Z轴惰轮；28Y轴惰轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是用于设施内自动播种、自动灌溉的设备。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本实施例提供了一种用于自动播种、自动灌溉的的设备，在播种过程中我们可以根据蔬菜种植园艺来控制播种的间距与行距，避免种植过密或过稀。

该自动播种、自动灌溉装置包括构成龙门式框架的X轴3底部矩形框架和与X轴3两侧水平连接的Y轴16框架，X轴3底部矩形框架由四根铝型材通过直角角码16安装固定，底部支撑通过四个连接杆2连接万向轮1支撑并行走。

在X轴3的两侧通过两根铝型材水平连接搭建Y轴16横梁，同样Y轴16横梁由两个直角角码6和两个直角固定件11固定安装。在X轴3与Y轴16连接处装有X轴滑动装置4，X轴滑动装置包括X轴步进电机5、X轴惰轮26、同步带25和铝板24。X轴3和Y轴16是通过X轴步进电机5带动同步轮在同步带25上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，同步带由两个惰轮进行压紧，防止同步带25松垮导致传动比不准确。X轴、Y轴两轴都通过对称的两组X轴惰轮26卡在铝型材的凹槽中，以防止侧向倾倒。实现了Y轴16的前后移动。

Z轴10和Y轴16由Y轴与Z轴联动装置15安装在一起，Y轴与Z轴联动装置15由Z轴惰轮27、Y轴惰轮28、同步带25和Y轴步进电机14构成。Z轴10和Y轴14是通过Y轴步进电机14带动同步轮在同步带25上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，同步带由两个惰轮进行压紧，防止同步带25松垮导致传动比不准确。Z轴、Y轴两轴都通过对称的Y轴惰轮28与Z轴惰轮27卡在铝型材的凹槽中，以防止侧向倾倒，实现了Z轴10的左右移动。

Z轴10固定于Y轴16，Z轴10的顶部安装有Z轴步进电机13，执行部件7安装在底部，丝杆9固定在Y轴、Z轴联动装置15的一侧。Z轴10由Z轴步进电机13带动丝杆9转动，通过丝杆螺旋块把丝杆9的旋转运动转换成Z轴10的直线运动，同理Z轴10也由惰轮卡在铝型材的凹槽内，防止倾斜。

控制器与串口屏20放入控制盒中，挂载在Y轴16上随Y轴16移动，供电电源23固定在底部框架一侧不影响机器的移动，电源线、水管和控制器(串口屏)通过坦克链18整齐排布在X轴3侧面，气泵19和水泵21固定在控制盒的左侧，取种盘22固定在X轴3的右侧。

对于限位开关的设计分别设由X轴限位开关17、Y轴限位开关12、Z轴限位开关8三个限位开关用来进行复位操作。操作人员当按下串口屏上的复位按键以后，X轴、Y轴、Z轴三轴分别移动触碰限位开关回到起始位置，限位开关将此时的机械信号转换成电信号反馈给主控芯片，而且坐标原点是可以通过人为设定的。

执行部件6可以进行更换，并通过更换不同的执行部件7可以实现不同的执行功能，如播种、灌溉、测试土壤湿度等。

上述结构仅对整体设备的结构进行了说明，下面详细介绍自动播种的执行播种操作，可通过按下串口屏20的播种按键来执行播种这一过程，之后运行相应的程序实现操作。首先通过G代码复位到初始位置，更换播种执行部件29，通过G代码控制执行部件29移动到种盘位置的正上方进行取种操作，之后Z轴10一边下降一边开启气泵19吸取种子，取种操作完成，Z轴10上升至取种盘22的正上方。根据之前设定的种子的间距以及播深，将播种吸头插入土中，下降到指定播深后，关闭气泵19，种子掉落，完成单次播种。根据蔬菜的种植园艺来设置种子的种植粒数、行距间距以及播深，有效地防止蔬菜种植过稀或过密，使种子生长有一个更好的环境。播种完成后，回到取种盘22的位置准备进行下一次播种。

进一步的，介绍执行自动灌溉操作，可通过按下串口屏21上的喷洒按键来执行喷洒这一过程，首先通过G代码复位到初始位置，更换浇水执行部件30，按照之前设定好的行距与间距，执行相应的控制程序。浇水执行部件30移动到每一个播种点的正上方，然后打开水泵21抽取水桶中的水，通过水管流入土中，水泵21开启两秒钟自动关闭，准确控制抽水量，每秒钟抽取100ml水。根据不同的蔬菜的园艺要求不同，进行准确的定量的浇水。

同样可以先通过测试土壤湿度判定是否需要浇水，第几行第几列需要浇水，这样可以准确定位哪些植株需要浇水，执行上述操作进行浇水，充分节约水资源。测试土壤湿度需要更换测试土壤湿度执行部件31，可通过按下串口屏上的湿度按键来执行土壤湿度的测定这一过程，首先通过G代码复位到初始位置，执行部分切换成湿度传感器，当湿度传感器插入土壤中，通过数模转换，会将土壤湿度信号转换成电压信号传送到主控芯片，主控芯片经串口通讯把土壤湿度的大小传送到串口屏21显示，用户通过土壤湿度的大小判断是否需要浇水。

进一步的，介绍播种如何控制播深，不同的蔬菜种子，种植播深也不同。测距传感器，该传感器固定在Y轴16上，随Y轴16移动，不随Z轴10上下移动而移动，达到测量土壤表面高低的效果，从而使得播种执行部分下降深度可控，实现播种深度一致的目的，实现良好的播种效果。

进一步的，配置了串口屏20以方便用户操作起来更加简单和方便，串口屏20的界面设计有播种、灌溉、湿度、设置和复位。首先点击设置来设置种子播种或者灌溉的行距、间距以及种子的播深，设置好之后串口屏会把相应的数据反馈到Arduino单片机20，单片机20会通过相应的程序处理接收到的数据。然后可以点击想要进行的操作播种、灌溉和测试土壤湿度。同样点击完这些操作，串口屏也会根据不同操作传递给Arduino单片机20不同的信号，单片机接收到这些信号通过不同的子程序来进行这些操作。当点击复位操作时，Arduino单片机接收到信号会返回到设定的原点。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种都市微农业机器人，包括机体和控制器，所述的机体是龙门式结构框架，其特征在于，底部四根铝型材通过螺丝、直角角码连接在一起形成矩形框架，左右两侧为X轴；框架底部四个角通过四个接连杆连接万向轮，使整个农业机器人能够移动行走；

X轴通过X轴步进电机转动带动X轴滑动装置进行移动；X轴滑动装置由8个惰轮、同步带和铝板构成；

同步带安装在X轴步进电机的转轴上，通过X轴步进电机转动带动同步轮在同步带上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，同步带由两个惰轮进行压紧，防止同步带松垮导致传动比不准确，带动Y轴前后移动；

X轴起始位置装有限位开关，当Y轴前后移动触碰到限位开关时，回到设定的起始位置；还包括Y轴，Y轴通过铝型材与两侧X轴水平连接，并由所述的直角角码与直角固定件加固，与X轴整体形成一个龙门式的框架；

Y轴装有步进电机与Y轴、Z轴联动装置；联动装置由两块铝板、Y轴惰轮、Z轴惰轮和同步带构成，Y轴步进电机固定于联动装置，当Y轴步进电机转动带动同步轮在同步带上的旋转、啮合实现精确的移动指定的距离，带动Z轴进行左右移动；

Y轴起始位置装有限位开关，当Z轴左右移动触碰到限位开关时，回到设定的起始位置；Z轴固定在Y轴，Z轴步进电机固定在Z轴顶部，执行部件固定在Z轴的底部；Z轴由Z轴步进电机带动丝杆转动，通过丝杆螺旋块把丝杆的旋转运动转换成Z轴的直线运动，同理Z轴也由惰轮卡在铝型材的凹槽内，防止倾斜；

还包括取种盘、水泵、气泵、控制器与串口屏、坦克链；控制器与串口屏放置控制盒中并装Y轴上随Y轴移动，坦克链排布在X轴的侧面；

根据所述的执行部件通过X轴、Y轴、Z轴三轴的前后、左右、上下移动进行播种、灌溉；在X轴右侧装有取种盘，气泵、水泵固定在控制盒左侧。

2.根据权利要求1所述的都市微农业机器人，其特征在于，按下串口屏的播种按键来执行播种这一过程，控制播种执行部件运动移动到种盘位置的正上方进行取种操作，之后Z轴一边下降一边开启气泵吸取种子，取种操作完成，Z轴上升至取种盘的正上方；根据之前设定的种子的间距以及播深，将播种吸头插入土中，下降到指定播深后，关闭气泵，种子掉落，完成单次播种；根据不同蔬菜的农艺要求，种植几粒种子可进行重复取种。

3.根据权利要求1所述的都市微农业机器人，其特征在于，按下串口屏上的喷洒按键来执行喷洒这一过程，更换浇水执行部件，按照之前设定好的行距间距，根据程序浇水执行部件移动到每一个播种点的正上方，然后打开水泵抽取水桶中的水，通过水管流入土中，水泵开启两秒钟自动关闭，完成灌溉；这个开启时间可以控制，根据不同的蔬菜、种植的时期需要的不同的浇水量，控制水泵的开启时间，设定水泵开启一秒浇水量为100ml；准确控制抽水量进行准确的定量的浇水。

4.根据权利要求1所述的都市微农业机器人，其特征在于，测试土壤湿度需要更换测试土壤湿度执行部件，可通过按下串口屏上的湿度按键来执行土壤湿度的测定这一过程，执行部分切换成湿度传感器，湿度传感器插入土壤中，反馈一个数据到串口屏，用户通过土壤湿度的大小判断是否需要浇水。

5.根据权利要求1所述的都市微农业机器人，其特征在于，配置了串口屏以方便用户操作起来更加简单和方便，串口屏的界面设计有播种、灌溉、湿度、设置和复位；首先点击设置来设置种子播种或者灌溉的行距、间距以及种子的播深，设置好之后串口屏会把相应的数据反馈到Arduino单片机，单片机会通过相应的程序处理接收到的数据；然后点击想要进行的操作播种、灌溉和测试土壤湿度；同样点击完这些操作，串口屏也会根据不同操作传递给Arduino单片机不同的信号，单片机接收到这些信号通过不同的子程序来进行这些操作；当点击复位操作时，Arduino单片机接收到信号会返回到设定的原点；原点已设定好，无需重复操作设定。