CN107371502A - 一种种植机器人及其使用方法 - Google Patents
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Classifications
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- A01—AGRICULTURE; FORESTRY; ANIMAL HUSBANDRY; HUNTING; TRAPPING; FISHING
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Abstract
本发明公开了一种种植机器人，该种植机器人采用X/Y/Z三轴运动结构，在Z轴底端设置有种植装置，通过X/Y/Z三个方向的运动可以确保种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业。所述种植装置包括种仓、吸种机构和播种机构，通过吸种机构能够实现自动吸种，使种子进入种仓；通过播种机构可以实现播种种植。
Description
技术领域
本发明属于农业种植机器人技术领域，具体涉及一种种植机器人。
背景技术
随着人们生活品质的日益提高，越来越多的人会选择在自家的阳台或者庭院中种植花草或瓜果蔬菜，不仅起到了观赏、食用的作用，还能够净化室内空气。闲来无事料理一下心爱的花草确实是一件惬意的事情。但是，总有一些人会陷入“种什么死什么”的魔咒之中，只能看着心爱的盆栽慢慢枯萎。还有一些年轻人，由于平时工作繁忙或者经常出差，常常疏于对植物的打理。因此，国内外便出现了像智能花盆、智能养花助手这样的种植利器，例如：瑞士的Koubachi Wi-Fi Plant Sensor，外形与高尔夫球杆的球头相似，只要将“杆身”插入花盆的土中，传感器就能自动检测和监控土壤中的空气、湿度、养分等指标，然后通过WiFi信号将数据传输到使用者的手机上。法国的Parrot Flower Power，该设备装有4枚传感器，可以根据土壤电导率、植物暴晒时间、土壤温度、土壤中的介电常数等指标分别对土壤肥力水平、光照条件、环境温度、土壤湿度进行监测，并能每15分钟向移动设备APP传送一次数据。配套APP会基于一个包含6000多种植物生长数据的数据库对实时数据进行自动分析，能为植物选取最佳的养护方案，并提醒以及告知用户该如何照料植物，比如是否需要施肥或者是否浇了太多水等。美国的SmartHerb Garden每天会自动将适量的水导入泥土中，并利用顶部的LED灯为植物提供适当的光照，保证植物茁壮成长。此外，该设备还使用了含有纳米技术的载体土壤，能够使氧气、水分、养分更加均衡地供给植物。除了底盘上的塑料浮标可以显示出水箱水量，在水量不足时，智能灯座会不断闪烁来提醒加水。在国内也出现了类似的智能养花装置，包括花卉培养器和用于提供营养液的浇灌器，还包括用于协助用户养花的智能控制系统，能实现对所养花卉的远程浇灌，在增加生活乐趣的同时，为人们的养花提供方便，解除养花人的烦恼，提高花卉的成活率。
但是，目前付诸于报道的种植利器仅仅是环境监测或者充当种植专家的角色，无法实现自动播种、种植等功能，且大多只适用于单盆植物的栽培，不能大面积种植。
而本申请所提出的种植机器人，是基于笛卡尔坐标系统建立的基本框架，其集自动吸种、播种、环境监测于一体；种植面积由基本框架中X/Y/Z轴导轨的结构尺寸决定，因此机器人外形尺寸较为灵活，可以根据种植空间的实际情况进行定制，具有较大的空间延伸性。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种种植机器人。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种种植机器人，该种植机器人采用X/Y/Z三轴运动结构，包括两条相互平行的底部滑轨、两个立柱、一个横梁和一个竖直滑轨，
底部滑轨上设置有滑块，两个立柱底端固定安装在两条底部滑轨的滑块上，实现立柱沿Y方向的直线运动；横梁水平安装在两个立柱上，横梁上设置有水平滑轨，所述竖直滑轨通过十字滑块设置在横梁的水平滑轨上，竖直滑轨可以实现沿X和Z轴方向的直线运动；
在竖直滑轨的底端设置有种植装置，通过X/Y/Z三个方向的运动可以确保种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业；
所述种植装置包括种仓、吸种机构和播种机构，
吸种机构由吸种电机、叶轮、隔离网、吸种电机安装腔和吸种管组成，在种仓的顶部设置吸种电机安装腔，吸种电机安装腔和种仓之间设置隔离网，通过隔离网防止种子进入吸种电机安装腔，在吸种电机安装腔内设置吸种电机，吸种电机的输出轴连接叶轮，且在吸种电机安装腔的顶盖上开设有排气孔，所述吸种管与种仓相连通；
播种机构由播种管、外接触件、顶杆、弹簧和内接触件组成，播种管顶端与种仓下口连通，内接触件设置在种仓下口的内部，所述顶杆竖直滑动贯穿安装在种仓底部，顶杆的顶端与内接触件连接，顶杆的底端与外接触件连接，所述弹簧套设在顶杆上，弹簧的顶端接触种仓底面，弹簧的底端被限位在顶杆的弹簧安装凸台上，通过弹簧为内接触件提供向下的恢复力，以保证内接触件能够封闭种仓下口。
在上述技术方案中，所述底部滑轨与其滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第一步进电机驱动；所述横梁和十字滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第二步进电机驱动；所述竖直滑轨和十字滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第三步进电机驱动。
在上述技术方案中，吸种管底部外接胶管，以便插入种子袋中进行吸种。
在上述技术方案中，所述种仓是空心倒锥体，内接触件为锥体，其锥面朝上设置。
在上述技术方案中，在播种管上设置有用于限制外接触件上升位置的可调式定位组件，可调式定位组件包括定位螺栓和连接块，连接块固定在播种管管壁上，定位螺栓通过螺纹竖直设置在连接块中，通过调节定位螺栓旋入连接块的深度，从而调节外接触件顶面与定位螺栓底端之间的距离大小，实现对外接触件上升位置的限位调节，从而实现播种量的定量调节。
在上述技术方案中，在播种机构的播种管内设置有吹气嘴，吹气嘴出气口指向播种管的下口，吹气嘴的进气口通过软管连接外部的气源，并在气路上设置电控气阀；工作时，每当播种管插入到土壤然后提升后，开启电控气阀，使气路导通，对播种管下口进行吹气，吹除播种管内土体，从而防止土体堵塞播种管的下口。
在上述技术方案中，种植机器人还搭载光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块，将光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块与控制系统的微处理器连接。
种植机器人的使用方法如下：
将吸种管插入种子中，开启吸种电动机，吸种电动机高速旋转驱动叶轮旋转，叶轮的叶片不断对空气做功，使吸种电机安装腔和种仓内形成瞬时真空，使种子在负压作用下通过吸种管吸入种仓；
通过X/Y/Z三个方向的运动使种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业，工作时，在种植装置下降过程中，播种管先插入到土壤中，进而外接触件会接触到土壤表面，随着继续下降，外接触件会推动顶杆克服弹簧力向上运动，进而将内接触件顶开到一定的高度，此时，由于种仓是倒锥体，内接触件向上顶开后会与种仓内壁产生一定量的环形空隙，种仓内的种子便可以通过这一环形空隙落入到播种管中，使种子沿播种管进入土壤中；完成播种后，种植装置上升，当外接触件脱离土壤表面时，依靠弹簧力使得内接触件复位，这样就实现了种仓与播种管的隔离，而且整个过程是先关闭种仓然后播种管再完全脱离土壤，可以有效避免种子的泄露。
本发明的优点和有益效果为：
1、种植机器人采用基于笛卡尔坐标系统建立的X/Y/Z三轴运动结构，在Z轴底端设置有种植装置，通过X/Y/Z三个方向的运动可以确保种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业。种植面积由基本框架中X/Y/Z轴导轨的结构尺寸决定，因此机器人外形尺寸较为灵活，可以根据种植空间的实际情况进行定制，具有较大的空间延伸性。
2、种植装置包括吸种机构，通过吸种机构能够实现自动吸种，使种子进入种仓。
3、种植装置包括播种机构，通过播种机构可以实现播种种植，在种植装置下降过程中，播种管先插入到土壤中，进而外接触件会接触到土壤表面，随着继续下降，外接触件会推动顶杆克服弹簧力向上运动，进而将内接触件顶开到一定的高度，此时，由于种仓是倒锥体，内接触件向上顶开后会与种仓内壁产生一定量的环形空隙，种仓内的种子便可以通过这一环形空隙落入到播种管中，使种子沿播种管进入土壤中；完成播种后，种植装置上升，当外接触件脱离土壤表面时，依靠弹簧力使得内接触件复位，这样就实现了种仓与播种管的隔离，而且整个过程是先关闭种仓然后播种管再完全脱离土壤，可以有效避免种子的泄露。
4、在播种机构的播种管内设置有吹气嘴，吹气嘴出气口指向播种管的下口，吹气嘴的进气口通过软管连接外部的气源，并在气路上设置电控气阀；工作时，每当播种管插入到土壤然后提升后，开启电控气阀，使气路导通，对播种管下口进行吹气，吹除播种管内土体，从而防止土体堵塞播种管的下口。
5、在播种管上设置有用于限制外接触件上升位置的可调式定位组件，可调式定位组件包括定位螺栓和连接块，连接块固定在播种管管壁上，定位螺栓通过螺纹竖直设置在连接块中，通过调节定位螺栓旋入连接块的深度，从而调节外接触件顶面与定位螺栓底端之间的距离大小，实现对外接触件上升位置的限位调节，从而实现播种量的定量调节。
6、种植机器人还可以搭载光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块，将光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块与控制系统的微处理器连接，实现对种植环境的多参数数据(光照度、温湿度、二氧化碳浓度、图像)采集。
附图说明
图1是本发明实施例一的正视结构示意图。
图2是本发明实施例一的侧视结构示意图。
图3是本发明实施例一的种植装置的结构示意图。
图4是本发明实施例二的种植装置的结构示意图。
图5是本发明实施例三的种植装置的结构示意图。
图6是本发明实施例一的电控系统示意图。
图7是本发明实施例三的电控系统示意图。
图8是本发明实施例四的电控系统示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
实施例一：
一种种植机器人，其机械结构如图1-2所示，该种植机器人采用基于笛卡尔坐标系统建立的X/Y/Z三轴运动结构，其包括两条相互平行的底部滑轨1、两个立柱2、一个横梁3和一个竖直滑轨4，
底部滑轨上设置有滑块1-1，两个立柱底端固定安装在两条底部滑轨的滑块上，实现立柱沿Y方向(沿底部滑轨方向)的直线运动；横梁水平安装在两个立柱上，横梁上设置有水平滑轨，所述竖直滑轨通过十字滑块5设置在横梁的水平滑轨上，竖直滑轨可以实现沿X和Z轴方向的直线运动(即竖直滑轨能够实现沿横梁横向移动以及沿立柱竖直上下移动)；
所述底部滑轨与其滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第一步进电机驱动；
所述横梁和十字滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第二步进电机驱动；
所述竖直滑轨和十字滑块之间可以采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第三步进电机驱动；
在竖直滑轨的底端设置有种植装置6，通过X/Y/Z三个方向的运动可以确保种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业。种植面积由底部滑轨和横梁的尺寸决定，可以根据实际种植空间大小自行定制结构尺寸。
参见附图3，所述种植装置6包括种仓6-1、吸种机构和播种机构，
吸种机构由吸种电机6-2、叶轮6-3、隔离网6-4、吸种电机安装腔6-5和吸种管6-6组成，在种仓6-1的顶部设置吸种电机安装腔6-5，吸种电机安装腔和种仓之间设置隔离网6-4，通过隔离网防止种子进入吸种电机安装腔，在吸种电机安装腔6-5内设置吸种电机6-2，吸种电机6-2的输出轴连接叶轮6-3，且在吸种电机安装腔的顶盖6-7上开设有排气孔6-8，所述吸种管6-6与种仓6-1相连通，吸种管底部可以外接胶管以便插入种子袋中进行吸种。吸种机构的工作原理类似吸尘器，工作时，将吸种管6-6(或者吸种管6-6的外接胶管)插入种子中，开启吸种电动机，吸种电动机高速旋转驱动叶轮旋转，叶轮的叶片不断对空气做功，使叶轮中的空气得到能量，并以极高的速度通过顶盖的排气孔6-8排出，同时吸种管位置的空气不断地补充叶轮中的空气，致使吸种电机安装腔和种仓内形成瞬时真空，因此能够使种子在负压作用下通过吸种管吸入种仓。
播种机构由播种管6-9、外接触件6-10、顶杆6-11、弹簧6-12和内接触件6-13组成，播种管竖直设置，所述种仓6-1是空心倒锥体，种仓设置有下口，播种管顶端与种仓下口连通；内接触件6-13设置在种仓下口的内部，内接触件为锥体，其锥面朝上设置(锥面能够促进种仓内的种子沿锥面滑落)；所述顶杆6-11竖直滑动贯穿安装在种仓底部，顶杆的顶端与内接触件连接，顶杆的底端与外接触件6-10连接，外接触件为圆盘形，外接触件的中心位置设置通孔，播种管6-9穿过该通孔，本实施例中，顶杆6-11的数量为三个，其均匀分布在播种管6-9外围；所述弹簧6-12套设在顶杆6-11上，弹簧6-12的顶端接触种仓底面，弹簧的底端被限位在顶杆的弹簧安装凸台上，通过弹簧为内接触件6-13提供向下的恢复力，以保证内接触件能够封闭种仓下口；其工作原理为：在种植装置6下降过程中，播种管先插入到土壤中，进而外接触件会接触到土壤表面，随着继续下降，外接触件6-10会推动顶杆6-11克服弹簧力向上运动，进而将内接触件6-13顶开到一定的高度，此时，由于种仓6-1是倒锥体，内接触件6-13向上顶开后会与种仓内壁产生一定量的环形空隙，种仓内的种子便可以通过这一环形空隙落入到播种管6-9中，使种子沿播种管进入土壤中；完成播种后，种植装置6上升，当外接触件6-10脱离土壤表面时，依靠弹簧力使得内接触件6-13复位，这样就实现了种仓与播种管的隔离，而且整个过程是先关闭种仓然后播种管再完全脱离土壤，可以有效避免种子的泄露。
种植机器人的控制系统参见附图6，包括微处理器，微处理器通过步进电机驱动板连接第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机，用于驱动X/Y/Z轴三个方向上的步进电机运动；微处理器通过电机驱动板连接吸种电机，用于驱动吸种电机运转；微处理器还与远程监控端连接(无线或者有线)，实现通讯。
实施例二：
参见附图4，为了保证每次的播种量一致(如果土体表面不平会导致外接触件6-10上升高度不一致，从而导致出种量不一致)，在实施例一的基础上，在播种管6-9上设置有用于限制外接触件6-10上升位置的可调式定位组件6-14，可调式定位组件6-14包括定位螺栓6-141和连接块6-142，连接块6-142固定(焊接)在播种管6-9管壁上，定位螺栓6-141通过螺纹竖直设置在连接块6-142中，通过调节定位螺栓6-141旋入连接块6-142的深度，从而调节外接触件6-10顶面与定位螺栓6-141底端之间的距离大小，实现对外接触件6-10上升位置的限位调节，从而实现播种量的定量调节。
实施例三：
为了防止播种时土体堵塞播种管的下口，参见附图5，在实施例一或者实施例二的基础上，增设了用于吹除播种管内土体的吹气装置，参见附图5，在播种机构的播种管内设置有吹气嘴6-15，吹气嘴出气口指向播种管的下口，吹气嘴的进气口通过软管6-16连接外部的气源，并在气路上设置电控气阀；工作时，每当播种管插入到土壤然后提升后，开启电控气阀，使气路导通，对播种管下口进行吹气，吹除播种管内土体，从而防止土体堵塞播种管的下口。
种植机器人的控制系统参见附图7，包括微处理器，微处理器通过步进电机驱动板连接第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机，用于驱动X/Y/Z轴三个方向上的步进电机运动；微处理器通过电机驱动板连接吸种电机，用于驱动吸种电机运转；微处理器连接电控气阀，控制气路导通；微处理器还与远程监控端连接(无线或者有线)，实现通讯。
实施例四：
参见附图8，在以上实施例的基础上，种植机器人还可以搭载光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块，将光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块与控制系统的微处理器连接，实现对种植环境的多参数数据(光照度、温湿度、二氧化碳浓度、图像)采集。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种种植机器人，其特征在于：该种植机器人采用X/Y/Z三轴运动结构，包括两条相互平行的底部滑轨、两个立柱、一个横梁和一个竖直滑轨，
底部滑轨上设置有滑块，两个立柱底端固定安装在两条底部滑轨的滑块上，实现立柱沿Y方向的直线运动；横梁水平安装在两个立柱上，横梁上设置有水平滑轨，所述竖直滑轨通过十字滑块设置在横梁的水平滑轨上，实现竖直滑轨沿X和Z轴方向的直线运动；
在竖直滑轨的底端设置有种植装置，通过X/Y/Z三个方向的运动使种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业；
所述种植装置包括种仓、吸种机构和播种机构，
吸种机构由吸种电机、叶轮、隔离网、吸种电机安装腔和吸种管组成，在种仓的顶部设置吸种电机安装腔，吸种电机安装腔和种仓之间设置隔离网，通过隔离网防止种子进入吸种电机安装腔，在吸种电机安装腔内设置吸种电机，吸种电机的输出轴连接叶轮，且在吸种电机安装腔的顶盖上开设有排气孔，所述吸种管与种仓相连通；
播种机构由播种管、外接触件、顶杆、弹簧和内接触件组成，播种管顶端与种仓下口连通，内接触件设置在种仓下口的内部，所述顶杆竖直滑动贯穿安装在种仓底部，顶杆的顶端与内接触件连接，顶杆的底端与外接触件连接，所述弹簧套设在顶杆上，弹簧的顶端接触种仓底面，弹簧的底端被限位在顶杆的弹簧安装凸台上，通过弹簧为内接触件提供向下的恢复力，以保证内接触件能够封闭种仓下口。
2.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：所述底部滑轨与其滑块之间采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第一步进电机驱动；所述横梁和十字滑块之间采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第二步进电机驱动；所述竖直滑轨和十字滑块之间采用皮带式直线导轨滑块结构，或者采用丝杠传动滑块结构，其由第三步进电机驱动。
3.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：吸种管底部外接胶管，以便插入种子袋中进行吸种。
4.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：所述种仓是空心倒锥体，内接触件为锥体，其锥面朝上设置。
5.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：在播种管上设置有用于限制外接触件上升位置的可调式定位组件，可调式定位组件包括定位螺栓和连接块，连接块固定在播种管管壁上，定位螺栓通过螺纹竖直设置在连接块中，通过调节定位螺栓旋入连接块的深度，从而调节外接触件顶面与定位螺栓底端之间的距离大小，实现对外接触件上升位置的限位调节，从而实现播种量的定量调节。
6.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：在播种机构的播种管内设置有吹气嘴，吹气嘴出气口指向播种管的下口，吹气嘴的进气口通过软管连接外部的气源，并在气路上设置电控气阀；工作时，每当播种管插入到土壤然后提升后，开启电控气阀，使气路导通，对播种管下口进行吹气，吹除播种管内土体，从而防止土体堵塞播种管的下口。
7.根据权利要求1所述的种植机器人，其特征在于：种植机器人还搭载光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块，将光照度检测传感器、温湿度检测传感器、二氧化碳检测传感器、图像采集模块与控制系统的微处理器连接。
8.根据权利要求1所述的种植机器人的使用方法，其特征在于：
将吸种管插入种子中，开启吸种电动机，吸种电动机高速旋转驱动叶轮旋转，叶轮的叶片不断对空气做功，使吸种电机安装腔和种仓内形成瞬时真空，使种子在负压作用下通过吸种管吸入种仓；
通过X/Y/Z三个方向的运动使种植装置能够达到种植区域的每个位置进行作业，工作时，在种植装置下降过程中，播种管先插入到土壤中，进而外接触件会接触到土壤表面，随着继续下降，外接触件会推动顶杆克服弹簧力向上运动，进而将内接触件顶开到一定的高度，此时，由于种仓是倒锥体，内接触件向上顶开后会与种仓内壁产生一定量的环形空隙，种仓内的种子便可以通过这一环形空隙落入到播种管中，使种子沿播种管进入土壤中；完成播种后，种植装置上升，当外接触件脱离土壤表面时，依靠弹簧力使得内接触件复位。
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