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        自動(dòng)澆花機(jī)器人的研制

        2021-07-20 00:40:04吳立波宋文豪劉云帥
        關(guān)鍵詞:盆栽花草手臂

        吳立波 張 南 宋文豪 劉云帥

        (邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系,河北 邯鄲 056005)

        引言

        隨著生活質(zhì)量的提高,越來(lái)越多的人們熱衷于種植花卉。人們經(jīng)常會(huì)因忙碌或出差等原因,不能及時(shí)給花卉澆水,影響花卉的生長(zhǎng),甚至使花卉枯死。為了將人們從繁瑣的澆水工作中解放出來(lái),真正享受花卉帶來(lái)的舒適生活,小型精準(zhǔn)澆花機(jī)器人的研發(fā)與推廣勢(shì)在必行。

        1 國(guó)內(nèi)外研究概況

        當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速,其應(yīng)用逐步由工業(yè)、軍事等領(lǐng)域向其他領(lǐng)域滲透,已經(jīng)和日常生活息息相關(guān)。機(jī)器人正逐步代替人類完成一些相關(guān)工作,為人們解放出更多的時(shí)間和空間[1]。

        隨著美國(guó)機(jī)器人設(shè)計(jì)師克里斯·威利斯( Chris Willis)設(shè)計(jì)研制的“家庭主婦機(jī)器人”Valerie(瓦列麗)的問(wèn)世,機(jī)器人技術(shù)突破了最終的瓶頸,進(jìn)入了本該首先進(jìn)入的人類的日常生活領(lǐng)域。Valerie 不僅僅是一個(gè)機(jī)器人產(chǎn)品,更重要的是在人的感官上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的震撼。機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越接近于人類,并逐步走進(jìn)普通人的生活,實(shí)現(xiàn)了為人類服務(wù)。

        20世紀(jì)70年代,隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生了自動(dòng)澆花系統(tǒng)。早在很多年前,國(guó)外就已經(jīng)開始使用,但是其價(jià)格昂貴。以前我國(guó)使用的電子類自動(dòng)澆花系統(tǒng)多數(shù)是從國(guó)外進(jìn)口的,隨著我國(guó)科技進(jìn)步,自主研發(fā)出的自動(dòng)化澆花系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于花園、農(nóng)場(chǎng)等地方。

        隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展及生活水平的提高,生活質(zhì)量備受關(guān)注,種養(yǎng)盆栽成為人們?cè)絹?lái)越喜歡的休閑項(xiàng)目。目前國(guó)內(nèi)的自動(dòng)澆花器的功能也在不斷完善和發(fā)展,有關(guān)智能澆花器的專利也不在少數(shù)。同類型全自動(dòng)盆栽澆灌器功能主要有:根據(jù)天氣變化、光照與土壤干燥情況自動(dòng)控制電源,將水及時(shí)定量地補(bǔ)充給花木,在某幾個(gè)固定的時(shí)間澆花,手動(dòng)和自動(dòng)澆花模式選定。但是這些自動(dòng)澆花設(shè)備不是存在大材小用、價(jià)格昂貴、可行性不高的問(wèn)題,就是存在太過(guò)簡(jiǎn)單、功能不夠完善的弊端,并不能真正解決盆栽的澆灌問(wèn)題。

        將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于自動(dòng)澆花器上的研究很少,處于起步階段。目前研究方向多為控制系統(tǒng)、仿生學(xué)和軟件研究方面。如:西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院張鵬的《基于LPC1768的智能澆花機(jī)器人設(shè)計(jì)》,提出了一種智能澆花機(jī)器人的硬件接口方案和軟件設(shè)計(jì)思路;云南國(guó)土資源職業(yè)學(xué)院崔慶權(quán)的《多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化智能盆栽澆花機(jī)器人的研究》,提出和設(shè)計(jì)了一種多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化智能澆花機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)了多盆栽的分布式澆花控制。澆花機(jī)器人將來(lái)的技術(shù)方向會(huì)更傾向于把家庭智能澆花器與物聯(lián)網(wǎng)、WIFI無(wú)線通信技術(shù)、手機(jī)APP操作系統(tǒng)、仿生技術(shù)、傳感器技術(shù)結(jié)合,所有澆灌動(dòng)作都可以通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)感知,無(wú)論你在何地,澆花過(guò)程都是透明并可控的。

        本設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)突出,設(shè)計(jì)理念超前,工作效果好,符合現(xiàn)階段市場(chǎng)需求,極具市場(chǎng)推廣價(jià)值。

        2 花草自動(dòng)澆灌需求分析

        我國(guó)大氣污染問(wèn)題仍十分嚴(yán)重,在人們飽受了沙塵暴、霧霾和酸雨等惡劣天氣之后,生存環(huán)境的改善問(wèn)題刻不容緩,綠化造林、凈化空氣則是一種最有效的防治措施。同樣,家庭空氣質(zhì)量的提高也可通過(guò)種植花卉得到有效改善。在家里種植花卉,首先可以有效分解室內(nèi)有害物質(zhì),吸收裝修殘留甲醛,空氣干燥時(shí)增加室內(nèi)空氣濕度。其次,花卉絢麗的色彩和美好的形態(tài)可以裝扮室內(nèi)空間,與追求“輕裝修、重裝飾”的現(xiàn)代裝修理念不謀而合。上班族閑暇之余種植花草可以舒緩工作壓力、陶冶情操,而中老年人種植花草則可以豐富、調(diào)節(jié)生活。另外,花卉不僅可用于觀賞,還有很重要的經(jīng)濟(jì)、藥用價(jià)值,并且在食品安全問(wèn)題和“開心農(nóng)場(chǎng)”游戲的影響下,越來(lái)越多的人們?cè)诩依锓N植花卉,甚至搭建陽(yáng)臺(tái)菜園[2]。

        植物體內(nèi)的水分占鮮重的 75%到 90%,不論是花草種植,還是農(nóng)業(yè)灌溉,澆水是植物種植的關(guān)鍵,尤其是家庭種植的易存活的盆栽。上班族工作緊張,生活壓力大,空閑時(shí)間較少,長(zhǎng)期不在家時(shí)花草需要被照料。到底什么時(shí)候適宜給花草澆水,花草無(wú)人照料時(shí)怎么辦等問(wèn)題時(shí)常困擾著花卉養(yǎng)殖者。因此,為了滿足主人在家享受田園勞作的樂(lè)趣,開發(fā)者開始著手研究庭院灌溉設(shè)備,這類產(chǎn)品在我國(guó)的市場(chǎng)屬于成長(zhǎng)期。

        3 自動(dòng)澆花機(jī)器人設(shè)計(jì)

        3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖1所示,CAD結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)包含支撐板、背板、軸承板、步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直臂、同步帶輪、軸承座、光軸、光軸固定器和本體支架。系統(tǒng)設(shè)定為壁掛式結(jié)構(gòu),工作時(shí)水箱和系統(tǒng)部件固定在墻壁上,需要澆灌的花卉擺放在機(jī)器人手臂下方的作業(yè)半徑內(nèi)。工作時(shí),根據(jù)用戶的設(shè)定,機(jī)器人“雙關(guān)節(jié)”模擬人手臂動(dòng)作,完成作業(yè)范圍內(nèi)的每個(gè)花盆的精準(zhǔn)滴灌。

        圖1 實(shí)物圖

        圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

        本設(shè)計(jì)采用的模塊化設(shè)計(jì)以PLC為主控芯片,結(jié)合AD 轉(zhuǎn)換電路、LCD 顯示電路、鍵盤電路、水泵驅(qū)動(dòng)電路等從而控制水泵進(jìn)行自動(dòng)澆花。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成框圖如圖3 所示。

        圖3 系統(tǒng)組成框圖

        3.2 電路設(shè)計(jì)

        220V電源線連接兩臺(tái)電源,分別是DC24V和DC12V,其中DC24V電源連接NC控制器,DC12V電源連接繼電器??刂破鞣謨陕房刂苾蓚€(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī),電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)手臂做X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn),完成手臂澆花動(dòng)作。同時(shí),控制器中有定時(shí)器,與繼電器一起控制水泵的啟動(dòng)與停止。電路圖如圖4所示。

        圖4 電路圖

        4.3 軟件設(shè)計(jì)與仿真

        對(duì)于整個(gè)系統(tǒng),硬件是軀干,軟件是靈魂,整個(gè)系統(tǒng)依照“自頂而下”的原則采用模塊化設(shè)計(jì),其中主程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵,其主要實(shí)現(xiàn)的流程是:系統(tǒng)上電初始化之后,根據(jù)用戶要求編制的程序,水泵啟動(dòng)進(jìn)行澆花,待時(shí)間達(dá)到用戶要求后,水泵停止?jié)菜?,如圖5所示流程圖。

        圖5 水泵驅(qū)動(dòng)電路原理圖

        3.4 對(duì)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)澆花過(guò)程的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        機(jī)器人在澆花的過(guò)程中,架子上的第一個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)一側(cè)手臂沿X軸運(yùn)動(dòng),第二個(gè)伺服電機(jī)帶動(dòng)另一端手臂沿Y軸運(yùn)動(dòng)。在程序控制下,當(dāng)噴頭到達(dá)預(yù)定點(diǎn)位后,停止運(yùn)動(dòng),進(jìn)行滴灌;當(dāng)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)結(jié)束,手臂繼續(xù)運(yùn)動(dòng),達(dá)到第二個(gè)定位點(diǎn),再進(jìn)行滴灌,直至作業(yè)范圍內(nèi)的全部定位點(diǎn)滴灌完畢。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)定位100%準(zhǔn)確,真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)滴灌。手臂結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 雙關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)手臂

        3.5 智能機(jī)器人自動(dòng)澆花過(guò)程

        機(jī)器人啟動(dòng)后,用戶輸入澆花時(shí)長(zhǎng)、間隔時(shí)間和澆水量等參數(shù)。機(jī)器人根據(jù)用戶要求按時(shí)啟動(dòng)水泵和手臂進(jìn)行澆花,一個(gè)作業(yè)結(jié)束后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),等待第二次澆花作業(yè)。動(dòng)作過(guò)程如圖7所示。

        圖7 澆花過(guò)程流程圖

        4 創(chuàng)新點(diǎn)

        該機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念先進(jìn),系統(tǒng)擴(kuò)展性好,操作簡(jiǎn)單,成本低廉,實(shí)用性強(qiáng),總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)如下:

        (1)動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙,體現(xiàn)美學(xué)、智能、力學(xué)、實(shí)用、耐用的設(shè)計(jì)理念;

        (2)雙關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)模擬人類手臂動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準(zhǔn)滴灌;

        (3)控制系統(tǒng)為PLC編程式操作,可根據(jù)用戶需要,智能定時(shí)澆花,且安全系數(shù)高,維護(hù)和使用方便;

        (4)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂、36減速器和小帶輪等構(gòu)件,明確、簡(jiǎn)單、安全可靠,大大提高澆花效率。

        (5)壁掛式設(shè)計(jì),節(jié)約空間,適用于家庭陽(yáng)臺(tái)、花卉市場(chǎng)等多種場(chǎng)所,市場(chǎng)效果好。

        結(jié)論

        本設(shè)計(jì)是一款基于PLC的自動(dòng)澆花控制系統(tǒng),其中PLC作為控制器,結(jié)合用戶設(shè)定的程序?qū)^電器通斷進(jìn)行自動(dòng)控制,從而達(dá)到啟動(dòng)和停止水泵。重點(diǎn)在于雙關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu),可以模擬人類手臂動(dòng)作,完成作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準(zhǔn)滴灌。經(jīng)測(cè)試表明機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定,可精準(zhǔn)定位花盆位置,按需求澆水,具有很好的可操作性和可維護(hù)性,實(shí)現(xiàn)無(wú)人化管理,起到環(huán)保和節(jié)能的作用。

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