CN107750755A - 用于农业大棚的数据采集机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于农业大棚的数据采集机器人，涉及环境自动监测技术领域，该机器人包括行走机构、驱动机构、前提升机构、后提升机构、数据采集模块和控制器，利用机器人行走的过程中对数据进行采集，以实现对大棚内各个位置的农作物进行准确的监测；并且增加设置的弹簧、圆球和锁止件，当机器人遇到障碍物而卡住时，锁止件自动解除对弹簧的锁止，弹簧的弹性力推动圆球向上，圆球和绳子再带动机器人底座向上抬起，从而机器人能够跳跃翻过障碍物。本发明解决了现有的农业大棚多功能数据采集器固定在某个位置而无法测量大棚内整个范围内的数据的问题，主要用于提高大棚内数据检测的准确性和避免机器人行走过程中被卡住而烧坏。

Description

用于农业大棚的数据采集机器人

技术领域

本发明涉及环境自动监测技术领域，特别涉及一种用于农业大棚的数据采集机器人。

背景技术

随着社会经济的发展和农业的快速进步，农业的生产也逐步地实现规模化、自动化和智能化生产，越来越多的农业大棚被广泛采用，农业大棚是能透光、保温(或加温)，用来栽培植物的设施，在不适宜植物生长的季节，能提供生育期和增加产量，多用于低温季节喜温蔬菜、花卉、林木等植物栽培或育苗等。

大棚内的环境是植物生长的必要条件，植物必须要有充分的光照，合适的温度，合适的湿度，合适的二氧化碳浓度，才能保证植物的正常生长。农作物的生长环境，如温湿度、光照、CO2、土壤温湿度等等，都需要进行检测调控，以保持作物生长在最优的环境中。对这些生长因素的进行实时、精确的检测调节是实现大棚蔬菜生产优质、高产的重要环节。在现代化的蔬菜大棚管理中通常有环境自动检测控制系统，以控制蔬菜大棚生长环境，适应生产需要。

目前市场上的农业大棚用多功能数据采集器是多个模块(每个模块包含传感器、控制器和有线或无线收发模块)固定在大棚的某个位置，因为大棚里面整个空间范围的温湿度并不相同，因此零散的数据采集模块很难检测到整体范围，从而导致采集的数据不准确。

发明内容

本发明意在提供一种用于农业大棚的数据采集机器人，能够边行走边采集数据，以实现对大棚内的数据进行全方位的准确监测，并且当机器人遇到障碍物而卡住时能够自动跳跃翻过障碍物，避免因卡住电机发热而烧坏。

为解决上述技术问题，本发明提供的基础方案如下：

用于农业大棚的数据采集机器人，包括底座和放置在底座上的电路箱，所述底座下侧设有行走轮，所述行走轮包括前轮和后轮；所述电路箱内设有控制器，电路箱上设有立轴和无线发射器，所述立轴上端设有机械臂，立轴内部设有驱动装置，所述机械臂通过驱动装置进行驱动转动；还包括：

行走机构，行走机构包括位于大棚内垄沟上方的架空的蛇形杆，所述蛇形杆上开设有滑轨，滑轨的前端设有第一触碰传感器，滑轨的后端设有第二触碰传感器，所述底座位于前轮的一侧固接有可伸缩的挂杆，所述挂杆通过滑轮与滑轨滑动配合；

驱动机构，所述驱动机构为电机，电机位于挂杆内，所述电机驱动滑轮的正反转，电机电连接有测量电机温度的温度传感器；

前提升机构，前提升机构位于底座前轮的上方，前提升机构包括弹簧和锁止件，所述弹簧上固接有圆球，所述锁止件包括驱动电机和与驱动电机的输出端固接的锁止杆，所述锁止杆的一端与弹簧垂直且能穿过弹簧，所述锁止杆用于压缩弹簧，所述圆球与底座之间设有绳子，所述绳子的长度为锁止杆将弹簧压缩时球与底座之间的长度；

后提升机构，后提升机构位于底座后轮的上方，所述后提升机构与前提升机构相同；

数据采集模块，数据采集模块位于机械臂远离立轴的末端，所述数据采集模块用于采集大棚内关于空气的温湿度、CO2和图像的数据参数；

所述驱动装置、第一触碰传感器、第二触碰传感器、无线发射器和数据采集模块均与控制器电连接；

当温度传感器检测到电机温度超过机器人正常行走时的温度，温度传感器触发控制器控制驱动电机转动一圈；所述第一触碰传感器被触发时，控制器控制电机正转，第二触碰传感器被触发时，控制器控制电机反转；所述数据采集模块采集的数据通过控制器处理后经过无线发射器发送至用户终端。

基础方案的工作原理：在使用该数据采集机器人时，启动机器人，电机驱动滑轮正转，由于该机器人还包括行走机构，行走机构包括位于大棚内垄沟上方的架空的蛇形杆，蛇形杆上开设有滑轨，底座位于前轮的一侧固接有可伸缩的挂杆，挂杆通过滑轮与滑轨滑动配合；所以沿蛇形杆的滑轨滑动的滑轮会带动挂杆向前移动，挂杆再带动底座向前移动，底座下方的行走轮跟着向前移动；

在整个机器人向前移动的过程中，由于立轴上端设有机械臂，机械臂通过立轴内部的驱动装置进行驱动转动；所以与控制器电连接的驱动装置在控制器的控制下驱动机械臂进行转动，因为机械臂远离立轴的末端设有数据采集模块，所以在机器人行走的过程中数据采集模块对大棚内的空气温度、湿度和CO2等数据参数进行收集，摄像头则对农作物进行拍照和保存图像信息，然后控制器将采集到的空气温度、湿度和CO2和图像等数据参数分析统计后通过无线发射器发送至用户终端。

当机器人行走过程中行走轮遇到障碍物而被卡住时，挂杆无法带动机器人向前移动，则滑轮也会卡住不动，此时电机会发热，温度传感器检测到电机的温度超过机器人正常行走时的温度，温度传感器就会触发控制器控制驱动电机开始转动，锁止杆会离开弹簧并与弹簧不接触，此时弹簧没有了锁止杆的锁止，压缩的弹簧会向上移动，弹簧带动位于弹簧上的圆球向上移动，当圆球刚好离开弹簧时，球有向上的初速度，所以圆球会再向上移动一段距离，此时圆球会带动弹簧向上拉伸，由于绳子的长度为锁止杆将弹簧压缩时球与底座之间的长度，并且挂杆可伸缩，所以此时圆球会带动绳子将底座向上抬起一定距离，底座向上抬起时挂杆会向上收缩，再加上挂杆提供给底座水平向前的作用力，所以此时底座会受到斜向上的作用力，底座下的前轮会跳跃式的翻过障碍物，当后轮遇到障碍物时，在后提升机构的作用力下，后轮同前轮一样也会顺利地翻越过障碍物，从而机器人继续向前移动；

当圆球到达最高点向下掉落的过程中，滑轮在滑轨上继续正常的滑动，同时圆球向下掉落至弹簧上并下压弹簧，被驱动电机驱动的锁止杆会刚好转动一圈恢复到原位，即此时锁止杆穿过弹簧，并将弹簧锁止在压缩的状态。

当机器人行走至大棚内的蛇形杆的后端时，滑轮会触碰到第二触碰传感器，此时控制器控制电机反转，电机驱动滑轮反转，机器人往回行走；当机器人行走至大棚内的蛇形杆的前端时，滑轮会触碰到第一触碰传感器，此时控制器控制电机正转，机器人又开始进行第二次测量大棚内的数据。

基础方案的有益效果为：1、与现有的农业大棚使用的固定设置的多功能数据采集器相比，本发明利用机器人行走的过程中对数据进行采集，以实现对大棚内各个位置的农作物进行准确的监测。

2、本发明增加设置的弹簧、圆球和锁止件，当机器人遇到障碍物而卡住时，锁止件自动解除对弹簧的锁止，弹簧的弹性力推动圆球向上，圆球和绳子再带动机器人底座向上抬起，从而机器人能够跳跃翻过障碍物，避免因卡住电机发热而烧坏。

进一步，所述数据采集模块包括空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器和摄像头。

空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器能够感应到大棚内空气的温湿度、光照情况和CO2的数据信息；摄像头则对农作物进行拍照并存储图像发送至用户终端，便于远程实时监控大棚内农作物的生长状态。

进一步，所述可伸缩的挂杆包括固定杆和位于固定杆下方的伸缩杆，所述伸缩杆内套在固定杆内且与固定杆滑动配合，所述伸缩杆和固定杆之间固接有弹性部件。

当机器人遇到障碍物起跳时，伸缩杆向上移动，弹性部件处于压缩的状态；当机器人正常新行走时，伸缩杆向下移动，弹性部件处于拉伸的状态，从而实现了机器人跳跃的动作。

进一步，所述驱动装置为步进电机，所述立轴上端的机械臂与步进电机的输出轴固接，所述步进电机的输出轴带动机械臂上下移动和转动。

步进电机的输出轴上下移动带动机械臂上下移动，从而可以让机械臂采集到不同高度农作物的数据参数；步进电机的输出轴旋转的过程中带动机械臂转动，增加机械臂的摆动幅度，从而实现机械臂末端的数据采集模块对农作物测量的范围增大。

进一步，所述机械臂包括中空的固定臂和位于固定臂内的伸缩臂，所述固定臂与驱动装置连接，所述固定臂与驱动装置连接的侧壁上设有电磁铁，始终位于固定臂内的伸缩臂的端面与固定臂上设有电磁铁的侧壁之间连接有扭簧，且始终位于固定臂内的伸缩臂的端面上设有与电磁铁位置相对的铁块；所述控制器还包括用于计时电磁铁通断电时间间隔的计时器。

当机器人开始工作时，控制器控制电磁铁通电，此时电磁铁会吸引带有铁块的伸缩臂向靠近固定臂的方向移动，扭簧此时处于压缩的状态；当计时器计时到预设时间时，计时器会触发控制器控制电磁铁断电，电磁铁没有了磁性，在之前被压缩的弹簧的恢复力作用下，伸缩臂会缓慢向外移动；当计时器计时到预设之间时，控制器又会控制电磁铁通电，从而伸缩臂不断地来回移动，增大了伸缩臂末端的数据采集模块对农作物测量的范围，进而可以测量到距离较宽的农作物。

进一步，所述绳子为钢丝绳。

钢丝绳的硬度大弹性小，不容易拉伸和收缩，当球向上运动的过程中，钢丝绳会带动底座向上移动更高的距离，从而实现机器人更好地翻越障碍物。

附图说明

图1为本发明用于农业大棚的数据采集机器人的行走机构的俯视图；

图2为图1所示本发明用于农业大棚的数据采集机器人的主视图；

图3为图1所示本发明用于农业大棚的数据采集机器人的左视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

说明书附图中的附图标记包括：底座1、电路箱2、前轮3、后轮4、控制器5、立轴6、无线发射器7、机械臂8、蛇形杆9、滑轨10、第一触碰传感器11、第二触碰传感器12、挂杆13、滑轮14、温度传感器15、前提升机构16、弹簧17、圆球18、驱动电机19、锁止杆20、绳子21、后提升机构22、数据采集模块23、步进电机24、输出轴25、电磁铁26、扭簧27、铁块28、弹性部件29、电机30、农作物31、固定臂81、伸缩臂82、固定杆131、伸缩杆132。

如图1到图3所示，本发明用于农业大棚的数据采集机器人，包括底座1和放置在底座1上的电路箱2，底座1下侧设有行走轮，行走轮包括前轮3和后轮4；电路箱2内设有控制器5，电路箱2上设有立轴6和无线发射器7，立轴6上端设有机械臂8，机械臂8通过立轴6内部的驱动装置进行驱动转动，本实施例中的机械臂8包括中空的固定臂81和位于固定臂81内的伸缩臂82，固定臂81与驱动装置连接，所述固定臂81与驱动装置连接的侧壁上设有电磁铁26，始终位于固定臂81内的伸缩臂82的端面与固定臂81上设有电磁铁26的侧壁之间连接有扭簧27，且始终位于固定臂81内的伸缩臂82的端面上设有与电磁铁26位置相对的铁块28；控制器5还包括用于计时电磁铁26通断电时间间隔的计时器，电磁铁26通断电的时间间隔为提前设置的预设时间；本实施例中的驱动装置为步进电机24，立轴6上端的机械臂8与步进电机24的输出轴25固接，步进电机24的输出轴25带动机械臂8上下移动和转动；该机器人还包括行走机构、驱动机构、前提升机构16、后提升机构22、数据采集模块23和控制器5。

如图1所示，行走机构包括位于大棚内垄沟上方的架空的蛇形杆9，蛇形杆9位于排列成行的农作物31之间，蛇形杆9上开设有滑轨10，滑轨10的前端设有第一触碰传感器11，滑轨10的后端设有第二触碰传感器12，底座1位于前轮3的一侧固接有可伸缩的挂杆13，本实施例中可伸缩的挂杆13包括固定杆131和位于固定杆131下方的伸缩杆132，伸缩杆132内套在固定杆131内且与固定杆131滑动配合，伸缩杆132和固定杆131之间固接有弹性部件29，挂杆13通过滑轮14与滑轨10滑动配合；

如图2和图3所示，驱动机构为电机30，电机30位于挂杆13内，电机30驱动滑轮14的正反转，电机30电连接有测量电机30温度的温度传感器15；

前提升机构16，前提升机构16位于底座1前轮3的上方，前提升机构16包括弹簧17和锁止件，所述弹簧17上固接有圆球18，锁止件包括包括驱动电机19和与驱动电机19的输出端固接的锁止杆20，锁止杆20的一端与弹簧17垂直且能穿过弹簧17，锁止杆20用于压缩弹簧17，圆球18与底座1之间设有绳子21，本实施例中的绳子21为钢丝绳，绳子21的长度为锁止杆20将弹簧17压缩时球与底座1之间的长度；

后提升机构22，后提升机构22位于底座1后轮4的上方，后提升机构22与前提升机构16的结构相同；

数据采集模块23，数据采集模块23位于机械臂8远离立轴6的末端，数据采集模块23包括空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器和摄像头，数据采集模块23用于采集大棚内关于空气的温湿度、光照、CO2和图像的数据参数；

驱动装置、第一触碰传感器11、第二触碰传感器12、无线发射器7和数据采集模块23均与控制器5电连接；

当温度传感器15检测到电机30温度超过机器人正常行走时的温度，温度传感器15触发控制器5控制驱动电机19转动一圈；第一触碰传感器11被触发时，控制器5控制电机30的正转，第二触碰传感器12被触发时，控制器5控制电机30的反转；数据采集模块23采集的数据通过控制器5处理后经过无线发射器7发送至用户终端。

本发明用于农业大棚的数据采集机器人的具体工作过程为：

在使用该数据采集机器人时，启动机器人，电机30驱动滑轮14正转，由于该机器人还包括行走机构，行走机构包括位于大棚内垄沟上方的架空的蛇形杆9，蛇形杆9上开设有滑轨10，底座1位于前轮3的一侧固接有可伸缩的挂杆13，挂杆13通过滑轮14与滑轨10滑动配合；所以沿蛇形杆9的滑轨10滑动的滑轮14会带动挂杆13向前移动，挂杆13再带动底座1向前移动，底座1下方的行走轮跟着向前移动；

在整个机器人向前移动的过程中，由于立轴6上端设有机械臂8，机械臂8与步进电机24的输出轴25固接，步进电机24的输出轴25上下移动带动机械臂8上下移动，从而可以让机械臂8采集到不同高度农作物31的数据参数；步进电机24的输出轴25旋转的过程中带动机械臂8转动，增加机械臂8的摆动幅度，从而实现机械臂8末端的数据采集模块23对农作物31测量的范围增大；所以与控制器5电连接的步进电机24在控制器5的控制下驱动机械臂8进行转动和上下移动，因为机械臂8远离立轴6的末端设有数据采集模块23，数据采集模块23包括空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器和摄像头；所以在机器人行走的过程中数据采集模块23对大棚内的空气温度、光照、湿度和CO2等数据参数进行收集，摄像头则对农作物31进行拍照和保存图像信息，然后控制器5将采集到的空气温度、湿度、光照和CO2和图像等数据参数分析统计后通过无线发射器7发送至用户终端；

其中，当机器人开始工作时，控制器5控制电磁铁26通电，此时电磁铁26会吸引带有铁块28的伸缩臂82向靠近固定臂81的方向移动，扭簧27此时处于压缩的状态；当计时器计时到预设时间时，计时器会触发控制器5控制电磁铁26断电，电磁铁26没有了磁性，在之前被压缩的弹簧17的恢复力作用下，伸缩臂82会缓慢向外移动；当计时器计时到预设之间时，控制器5又会控制电磁铁26通电，从而伸缩臂82不断地来回移动，进一步增大了伸缩臂82末端的数据采集模块23对农作物31测量的范围，实现了机器人的机械臂8上下移动、转动和前后移动三个维度的活动范围，进而可以实现对距离较宽的农作物31的测量，从而能够对大棚内的数据进行全方位的准确监测。

当机器人行走过程中行走轮遇到障碍物而被卡住时，挂杆13无法带动机器人向前移动，则滑轮14也会卡住不动，此时电机30会发热，温度传感器15检测到电机30的温度超过机器人正常行走时的温度，温度传感器15就会触发控制器5控制驱动电机19开始转动，锁止杆20会离开弹簧17并与弹簧17不接触，此时弹簧17没有了锁止杆20的锁止，压缩的弹簧17会向上移动，弹簧17带动位于弹簧17上的圆球18向上移动，当圆球18刚好离开弹簧17时，圆球18有向上的初速度，所以圆球18会再向上移动一段距离，此时圆球18会带动弹簧17向上拉伸，由于绳子21的长度为锁止杆20将弹簧17压缩时球与底座1之间的长度，并且挂杆13可伸缩，所以此时圆球18会带动绳子21将底座1向上抬起一定距离，底座1向上抬起时挂杆13会向上收缩，再加上挂杆13提供给底座1水平向前的作用力，所以此时底座1会受到斜向上的作用力，底座1下的前轮3会跳跃式的翻过障碍物，当后轮4遇到障碍物时，在后提升机构22的作用力下，后轮4同前轮3一样也会顺利地翻越过障碍物，从而机器人继续向前移动，避免机器人的电机30因卡住而发热烧坏；

当圆球18到达最高点向下掉落的过程中，滑轮14在滑轨10上继续正常的滑动，同时圆球18向下掉落至弹簧17上并下压弹簧17，被驱动电机驱动的锁止杆20会刚好转动一圈恢复到原位，即此时锁止杆20穿过弹簧17，并将弹簧17锁止在压缩的状态。

当机器人行走至大棚内的蛇形杆9的后端时，滑轮14会触碰到第二触碰传感器12，此时控制器5控制电机30反转，电机30驱动滑轮14反转，机器人往回行走；当机器人行走至大棚内的蛇形杆9的前端时，滑轮14会触碰到第一触碰传感器11，此时控制器5控制电机30正转，机器人又开始进行第二次测量大棚内的数据。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.用于农业大棚的数据采集机器人，包括底座和放置在底座上的电路箱，所述底座下侧设有行走轮，所述行走轮包括前轮和后轮；所述电路箱内设有控制器，电路箱上设有立轴和无线发射器，所述立轴上端设有机械臂，立轴内部设有驱动装置，所述机械臂通过驱动装置进行驱动转动；其特征在于，还包括：

行走机构，行走机构包括位于大棚内垄沟上方的架空的蛇形杆，所述蛇形杆上开设有滑轨，滑轨的前端设有第一触碰传感器，滑轨的后端设有第二触碰传感器，所述底座位于前轮的一侧固接有可伸缩的挂杆，所述挂杆通过滑轮与滑轨滑动配合；

驱动机构，所述驱动机构为电机，电机位于挂杆内，所述电机驱动滑轮的正反转，电机电连接有测量电机温度的温度传感器；

前提升机构，前提升机构位于底座前轮的上方，前提升机构包括弹簧和锁止件，所述弹簧上固接有圆球，所述锁止件包括驱动电机和与驱动电机的输出端固接的锁止杆，所述锁止杆的一端与弹簧垂直且能穿过弹簧，所述锁止杆用于压缩弹簧，所述圆球与底座之间设有绳子，所述绳子的长度为锁止杆将弹簧压缩时球与底座之间的长度；

后提升机构，后提升机构位于底座后轮的上方，所述后提升机构与前提升机构相同；

数据采集模块，数据采集模块位于机械臂远离立轴的末端，所述数据采集模块用于采集大棚内关于空气的温湿度、CO2和图像的数据参数；

所述驱动装置、第一触碰传感器、第二触碰传感器、无线发射器和数据采集模块均与控制器电连接；

当温度传感器检测到电机温度超过机器人正常行走时的温度，温度传感器触发控制器控制驱动电机转动一圈；所述第一触碰传感器被触发时，控制器控制电机正转，第二触碰传感器被触发时，控制器控制电机反转；所述数据采集模块采集的数据通过控制器处理后经过无线发射器发送至用户终端。

2.根据权利要求1所述的用于农业大棚的数据采集机器人，其特征在于：所述数据采集模块包括空气温湿度传感器、光照传感器、CO2传感器和摄像头。

3.根据权利要求1所述的用于农业大棚的数据采集机器人，其特征在于：所述挂杆包括固定杆和位于固定杆下方的伸缩杆，所述伸缩杆内套在固定杆内且与固定杆滑动配合，所述伸缩杆和固定杆之间固接有弹性部件。

4.根据权利要求1所述的用于农业大棚的数据采集机器人，其特征在于：所述驱动装置为步进电机，所述立轴上端的机械臂与步进电机的输出轴固接，所述步进电机的输出轴带动机械臂上下移动和转动。

5.根据权利要求1至4任一项所述的用于农业大棚的数据采集机器人，其特征在于：所述机械臂包括中空的固定臂和位于固定臂内的伸缩臂，所述固定臂与驱动装置连接，所述固定臂与驱动装置连接的侧壁上设有电磁铁，始终位于固定臂内的伸缩臂的端面与固定臂上设有电磁铁的侧壁之间连接有扭簧，且始终位于固定臂内的伸缩臂的端面上设有与电磁铁位置相对的铁块；所述控制器还包括用于计时电磁铁通断电时间间隔的计时器。

6.根据权利要求1至4任一项所述的用于农业大棚的数据采集机器人，其特征在于：所述绳子为钢丝绳。