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        自動澆花機器人的研制

        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 機電工程系,河北 邯鄲 056005)

        引言

        隨著生活質(zhì)量的提高,越來越多的人們熱衷于種植花卉。人們經(jīng)常會因忙碌或出差等原因,不能及時給花卉澆水,影響花卉的生長,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,真正享受花卉帶來的舒適生活,小型精準澆花機器人的研發(fā)與推廣勢在必行。

        1 國內(nèi)外研究概況

        當(dāng)前機器人技術(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間和空間[1]。

        隨著美國機器人設(shè)計師克里斯·威利斯( Chris Willis)設(shè)計研制的“家庭主婦機器人”Valerie(瓦列麗)的問世,機器人技術(shù)突破了最終的瓶頸,進入了本該首先進入的人類的日常生活領(lǐng)域。Valerie 不僅僅是一個機器人產(chǎn)品,更重要的是在人的感官上產(chǎn)生了強烈的震撼。機器人已經(jīng)越來越接近于人類,并逐步走進普通人的生活,實現(xiàn)了為人類服務(wù)。

        20世紀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澆花系統(tǒng)。早在很多年前,國外就已經(jīng)開始使用,但是其價格昂貴。以前我國使用的電子類自動澆花系統(tǒng)多數(shù)是從國外進口的,隨著我國科技進步,自主研發(fā)出的自動化澆花系統(tǒng),已廣泛應(yīng)用于花園、農(nóng)場等地方。

        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)盆栽成為人們越來越喜歡的休閑項目。目前國內(nèi)的自動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控制電源,將水及時定量地補充給花木,在某幾個固定的時間澆花,手動和自動澆花模式選定。但是這些自動澆花設(shè)備不是存在大材小用、價格昂貴、可行性不高的問題,就是存在太過簡單、功能不夠完善的弊端,并不能真正解決盆栽的澆灌問題。

        將機器人技術(shù)應(yīng)用于自動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的智能澆花機器人設(shè)計》,提出了一種智能澆花機器人的硬件接口方案和軟件設(shè)計思路;云南國土資源職業(yè)學(xué)院崔慶權(quán)的《多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化智能盆栽澆花機器人的研究》,提出和設(shè)計了一種多節(jié)點網(wǎng)絡(luò)化智能澆花機器人,實現(xiàn)了多盆栽的分布式澆花控制。澆花機器人將來的技術(shù)方向會更傾向于把家庭智能澆花器與物聯(lián)網(wǎng)、WIFI無線通信技術(shù)、手機APP操作系統(tǒng)、仿生技術(shù)、傳感器技術(shù)結(jié)合,所有澆灌動作都可以通過手機實時感知,無論你在何地,澆花過程都是透明并可控的。

        本設(shè)計優(yōu)勢突出,設(shè)計理念超前,工作效果好,符合現(xiàn)階段市場需求,極具市場推廣價值。

        2 花草自動澆灌需求分析

        我國大氣污染問題仍十分嚴重,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、藥用價值,并且在食品安全問題和“開心農(nóng)場”游戲的影響下,越來越多的人們在家里種植花卉,甚至搭建陽臺菜園[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,空閑時間較少,長期不在家時花草需要被照料。到底什么時候適宜給花草澆水,花草無人照料時怎么辦等問題時常困擾著花卉養(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)品在我國的市場屬于成長期。

        3 自動澆花機器人設(shè)計

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

        本設(shè)計實物圖如圖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、步進電機、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器人手臂下方的作業(yè)半徑內(nèi)。工作時,根據(jù)用戶的設(shè)定,機器人“雙關(guān)節(jié)”模擬人手臂動作,完成作業(yè)范圍內(nèi)的每個花盆的精準滴灌。

        圖1 實物圖

        圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

        本設(shè)計采用的模塊化設(shè)計以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)動電路等從而控制水泵進行自動澆花。本設(shè)計的系統(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

        220V電源線連接兩臺電源,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€關(guān)節(jié)處的電機,電動機驅(qū)動手臂做X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn),完成手臂澆花動作。同時,控制器中有定時器,與繼電器一起控制水泵的啟動與停止。電路圖如圖4所示。

        圖4 電路圖

        4.3 軟件設(shè)計與仿真

        對于整個系統(tǒng),硬件是軀干,軟件是靈魂,整個系統(tǒng)依照“自頂而下”的原則采用模塊化設(shè)計,其中主程序的設(shè)計是整個硬件實現(xiàn)的關(guān)鍵,其主要實現(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,水泵啟動進行澆花,待時間達到用戶要求后,水泵停止?jié)菜?,如圖5所示流程圖。

        圖5 水泵驅(qū)動電路原理圖

        3.4 對機器人實現(xiàn)澆花過程的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計

        機器人在澆花的過程中,架子上的第一個伺服電機帶動一側(cè)手臂沿X軸運動,第二個伺服電機帶動另一端手臂沿Y軸運動。在程序控制下,當(dāng)噴頭到達預(yù)定點位后,停止運動,進行滴灌;當(dāng)設(shè)定時長結(jié)束,手臂繼續(xù)運動,達到第二個定位點,再進行滴灌,直至作業(yè)范圍內(nèi)的全部定位點滴灌完畢。經(jīng)測試,該系統(tǒng)定位100%準確,真正實現(xiàn)精準滴灌。手臂結(jié)構(gòu)如圖6所示。

        圖6 雙關(guān)節(jié)運動手臂

        3.5 智能機器人自動澆花過程

        機器人啟動后,用戶輸入澆花時長、間隔時間和澆水量等參數(shù)。機器人根據(jù)用戶要求按時啟動水泵和手臂進行澆花,一個作業(yè)結(jié)束后進入待機狀態(tài),等待第二次澆花作業(yè)。動作過程如圖7所示。

        圖7 澆花過程流程圖

        4 創(chuàng)新點

        該機器人系統(tǒng)設(shè)計理念先進,系統(tǒng)擴展性好,操作簡單,成本低廉,實用性強,總結(jié)創(chuàng)新點如下:

        (1)動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計巧妙,體現(xiàn)美學(xué)、智能、力學(xué)、實用、耐用的設(shè)計理念;

        (2)雙關(guān)節(jié)運動系統(tǒng)模擬人類手臂動作,實現(xiàn)作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準滴灌;

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

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

        (5)壁掛式設(shè)計,節(jié)約空間,適用于家庭陽臺、花卉市場等多種場所,市場效果好。

        結(jié)論

        本設(shè)計是一款基于PLC的自動澆花控制系統(tǒng),其中PLC作為控制器,結(jié)合用戶設(shè)定的程序?qū)^電器通斷進行自動控制,從而達到啟動和停止水泵。重點在于雙關(guān)節(jié)機械結(jié)構(gòu),可以模擬人類手臂動作,完成作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準滴灌。經(jīng)測試表明機器人運行穩(wěn)定,可精準定位花盆位置,按需求澆水,具有很好的可操作性和可維護性,實現(xiàn)無人化管理,起到環(huán)保和節(jié)能的作用。

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