CN109451944A - 一种多自由度多功能精量施肥装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多自由度多功能精量施肥装置，包括车体、车体驱动装置、施肥罐、液压站、机械手和工作端；所述车体驱动装置驱动车体移动，所述施肥罐和液压站放置在车体上，所述机械手一端固定在车体上，机械手的中间部位和/或另一端安装工作端；所述工作端通过管道与施肥罐连接，所述施肥罐内存放有灌溉水、肥或者药的一种或者几种组合，所述工作端包括施肥器或/和喷头；所述液压站提供驱动机械手运动的动力。采用本发明的技术方案，可以实现自动行走、无人化施肥、效率高；可以实现精量施肥或施药、环保性好、施肥均匀性高；可以直接对根部施肥，肥液利用率高，适用于不同茎秆高度的作物，且能用于生长阶段施肥。

Description

一种多自由度多功能精量施肥装置

技术领域

本发明涉及到农机设备技术领域，具体涉及到一种多自由度多功能的精量施肥装置。

背景技术

我国是农业大国，随着耕地逐年减少、农村劳动力转移，土地适度规模经营日益普遍，以机械化作业为基础的高效农业的发展成为必然趋势。同时，随着人民生活质量的提高以及乡村振兴战略的提出，对农产品的品质提出了更高的要求。传统的农作物施肥、打药等工作一般由人工完成，劳动强度大且施肥不均匀，人工打药则易危害人体健康。目前已有学者研究出固定肥料的变量施肥机械，但这种施肥方式一般只适用于整地播种阶段施肥或密植矮秆作物施肥，如要在作物生长阶段施肥难度较大、茎秆较高的作物施肥难度也较大。从对肥料的利用效率上来考虑，施用溶解后的肥料比施固体肥效率要高，因此灌溉施肥一体化技术逐渐成为发展趋势。

目前采用的施肥器有压差式、文丘里式、比例式以及负压施肥等方法。随水施肥方法作物对肥液的利用效率较高，但由于灌溉时间通常比施肥时间更长，并且由于液体自身的流量性水肥一体化的施肥方法容易导致肥液的浪费和水体的污染。采用无人机打药或施肥在我国部分经济发达地区已有应用，但无人机施肥很大一部分肥液会截留在作物叶片，作物根区能吸收的肥液有限。国外生产的大流量喷雾式行走施肥装置也是如此。因此从绿色农业的角度出发需要更精量的施肥方法。

目前市场上有一种采用金属材质的踏板助力的施肥枪，可以用于硬质土壤的果树根部精量施肥，但每次只能实现单点作业，需要人工移动到下一个工作点，其作业效率有待提高，在农作物的生长和采收全环节中，需要施肥、打药、灌溉、果实采收等作业，要实现机械化如果单独购置相应设备则成本投入相当高，因此需要功能更加集成、更加高效的多功能作业的自动装置来适应不同作业环节的需求。并且目前我国农机多以柴油机为动力，能耗较高、噪音和污染较大，需寻求更加绿色节能的动力配置方法。同时，采用施肥灌溉系统管道较多，系统投资和占地面积较大、运行维护成本较高，并且随着人们的喜好和市场的变化，不同季节农作物的种类变化较大，这要求系统配置不同类型的喷头，因此期待结构更加紧凑、适应性和灵活性更强的施肥和灌溉装置出现。

因此，本发明提供一种多自由度多功能精量施肥装置，以机器人技术为基础、可以实现多自由度、多角度针孔式精量施肥或施药，与灌溉技术相结合，可以实现不同茎秆高度的喷灌、微灌或滴灌，还能用于果实采收；以AGV技术和机器视觉为基础，实现装置的自动行走和无人作业。本专利申请获得了国家自然科学基金资助项目的资助，国家自然科学基金资助项目-轻小型喷灌机组变量运行对肥液输运及沉积的影响机理(项目编号51609104)。

发明内容

本发明的技术方案主要针对现有技术中存在的以下问题：

1)人工施肥或打药效率低、均匀性和安全性差；

2)以拖拉机为载体的下出式自动施肥机用于作物生长阶段或高杆作物的施肥难度较大；

3)无人机施肥受风的影响较大、肥料易被作物冠层截留，肥料利用率不高，且噪音较大；

4)灌溉管道施肥对肥液的浪费较大，易造成水体污染；

5)采用无人机或灌溉管道施肥，肥料从土壤表面运移到作物根区需要一定时间，如能直接对根区施肥，则可使施肥效率有效提升；

6)施肥枪施肥虽能实现精量施肥，但劳动强度较大，作业效率有待提升；

7)传统农用机械施肥能耗较高、环保性较差；

8)施肥、灌溉等机械装置对作物的适应性较差、集成度不高。

本发明提供一种多自由度多功能精量施肥装置，可以实现自动行走、无人化施肥、效率高；可以实现精量施肥或施药、环保性好、施肥均匀性高；直接对根部施肥，肥液利用率高，适用于不同茎秆高度的作物，且能用于生长阶段施肥；采用太阳能和蓄电池供电，充分利用田间资源、效率高、系统运行平稳；装置集成度高、适应性强，具备多个自由度，可以用于不同作物的施肥或施药，喷灌、微灌或滴灌，以及果实的采收；装置智能性高，可以对前方路况及施肥对象进行识别，能对动力系统的工作压力以及施肥罐的液位，以及空气的温度和湿度进行监测和显示。

本发明的技术方案如下：

一种多自由度多功能精量施肥装置，包括车体、车体驱动装置、施肥罐、液压站、机械手和工作端；所述车体驱动装置驱动车体移动，所述施肥罐和液压站放置在车体上，所述机械手一端固定在车体上，机械手的中间部位和/或另一端安装工作端；所述工作端通过管道与施肥罐连接，所述施肥罐内存放有灌溉水、肥或者药的一种或者几种组合，所述工作端包括施肥器或/和喷头；所述液压站提供驱动机械手运动的动力。

一种多自由度多功能精量施肥装置还包括液位传感器、空气温湿度传感器、无线控制系统与手机客户端等装置。

空气温湿度传感器通过T型连接板与车体侧边围栏连接，空气温湿度传感器安装于离地2米处。

车体通过无线wifi或ZigBee等无线控制系统与农户控制总站或农技站集中控制室以及用户的手机客户端APP相连，对田间环境参数和多自由度多功能精量施肥装置(的实时运行情况进行监测，必要时进行控制干预，为农业干旱联网预防、政府技术指导统筹、物联网协同管控等数字化农业服务提供硬件、数据和平台基础。

施肥罐采用中空圆柱、上方缩口型结构,采用非透明材料，减少光照和室外温度对肥液性质的影响。施肥罐内侧设有液位传感器，当肥液液位低于总高度的1/5时远程控制端或手机APP会发出报警。移动式无人车体采用四轮式结构，车体宽度依据田间垄宽来确定，车体底板高于作物茎秆高度以方便田间作业。四轮式结构的轮毂采用实心结构，避免移动无人车在田间行走过程中与作物枝叶发生卷绕。车体正前方设有第一视觉传感器，感知前方路况；车头为斜面式结构，布设有太阳能电池板，斜面内侧下方设有太阳能蓄电池能量转换装置以及GPS定位模块，太阳能电池板和太阳能蓄电池能量转换装置共同构成太阳能动力装置，太阳能动力装置为液压站、施肥机和移动式无人车体的运行提供动力；车头上方设有矩形挡板，对车内装置起到遮阴、防风、抗干扰的作用；车头两侧采用流线型结构、减少行走过程中的阻力。车身两侧采用栅格式围栏结构，下方实心，上方镂空，一方面保证车身的强度和安全性，同时对车内装置起到通风散热的作用。车后方为车门，可开启和关闭，方便车内装置的装卸。车内设有可移动的机械部件安装定位板，用于车内装置的安装和固定，依据车内装置的底座形状和尺寸来定制，机械部件安装定位板上与每个装置安装位置的对应处设有两个对称的圆孔，各装置的定位板连通，起到相互约束的作用，保证施肥机械手的单位精度，以及各装置在车体行走过程中的安全性。

机械手包括升降大臂、横移大臂、升降小臂，腕部和手部，所述升降大臂、横移大臂、升降小臂，手部均采用液压缸结构，所述腕部采用液压式人工肌肉；所述升降大臂通过基座和腰部固定在车体上，所述升降大臂通过第一联接件与横移大臂连接，所述横移大臂通过第二联接件与升降小臂连接，所述升降小臂通过第三联接件与腕部连接，所述腕部通过第四联接件与手部连接；所述腰部可以转动，所述升降大臂和升降小臂可沿高度方向移动，所述横移大臂在与升降大臂相垂直方向且沿水平方向移动，所述腕部可实现任意位姿和角度的调节。

基座为圆盘形，其固定在车体上，所述基座上设有基座圆孔，所述腰部上设有腰部圆形凸台，腰部圆形凸台与基座圆孔配合，所述腰部设有进油口和出油口。

第一联接件的始端为第一矩形结构，所述第一矩形结构一端连接升降大臂的液压杆，另一端连接第一半开放的凹槽结构，所述横移大臂安装在所述的第一半开放的凹槽结构内。

第二联接件的始端为第二矩形结构，所述第二矩形结构的一端连接横移大臂的的液压杆，另一端连接第二半开放的凹槽结构，所述升降小臂安装在所述的第二半开放的凹槽结构内，所述第二半开放的凹槽结构上设有喷头安装连接件。

第三联接件由第三矩形结构和第三圆盘形结构组成，所述第三矩形结构与升降小臂连接，所述第三圆盘形结构上设有三个环形连接头，所述三个环形连接头分别连接三条人工肌肉的一端，所述三条人工肌肉的另一端与所述第四联接件连接，所述第三联接件和第四联接件结构相同。

施肥器设置在手部，所述施肥器包括滴灌施肥器或者针式施肥器，所述微喷头或喷药用的雾化喷头设置在施肥器的上方；所述喷头通过喷头连接件设置在第二联接件上；所述第一半开放的凹槽结构和第二半开放的凹槽结构的外侧设有螺纹孔，管道连接件上设有相应的螺纹孔，管道连接件通过螺栓连接在第一半开放的凹槽结构和第二半开放的凹槽结构上，所述管道通过管道连接件与机械手固定。

施肥装置设有视觉系统，视觉系统包括设置在所述车体前方的第一视觉传感器和设置在第二联接件上的第二视觉传感器。

车体上设有液压站，所述液压站由油箱、电机、液压泵、安全阀、控制阀组和显示仪表组成，所述油箱底部设有四个对称的邮箱圆形凸台，与车体上的安装定位板上的相应圆孔配合，固定在车体上；所述车体上设置有施肥泵，所述施肥泵采用电驱动，所述施肥泵为隔膜计量泵，隔膜计量泵出口设置流量计。

采用本发明的技术方案，具体如下优势，本发明提供一种多自由度多功能精量施肥装置，可以实现自动行走、无人化施肥、效率高；可以实现精量施肥或施药、环保性好、施肥均匀性高；可以直接对根部施肥，肥液利用率高，适用于不同茎秆高度的作物，且能用于生长阶段施肥；采用太阳能和蓄电池供电，充分利用田间资源、效率高、系统运行平稳；装置集成度高、适应性强，具备多个自由度，可以用于不同作物的施肥或施药，喷灌、微灌或滴灌，以及果实的采收；装置智能性高，可以对前方路况及施肥对象进行识别，能对动力系统的工作压力以及施肥罐的液位，以及空气的温度和湿度进行监测和显示。施肥过程中的各部件的行程、运行速度与作用力均可无级调节，提高灵活性，以及对田间环境的适应性。对施肥速度也能通过流量伺服阀精确调节，施肥末端扎入泥土中的作用力也可通过手部液压缸的压力进行调节，与人工操作相比有效提高对土壤的适应性；肥液注入泥土中的初始施肥深度也可无级调节，与灌溉管道施肥相比有效提高多自由度多功能精量施肥装置对作物根系的适应性；并且采用三孔式定量施肥试管，有助于肥液的轴向与纵向扩散、提高施肥效率。

采用太阳能供电，解决装置动力及相关控制仪表的动力及功率匹配问题提高多自由度多功能精量施肥装置的智能性。采用液压技术，解决施肥机械手的动力，并且其高集成的控制技术为肥液的精量控制提供了技术基础，提高了设备的通用性与控制系统的一致性。

作物种植一般采用规则布置，对施肥机器人的灵活性要求相对要低。施肥机械手各关节采用液压驱动与采用电驱动相比力和速度的控制更加方便，结构大大简化，易于维护。具体应用如验算合适，也可采用气动的方法，大大减轻车身的重量，并且不必担心高温下工作介质更换的问题，但此时空气压缩机出口需保证安全阀的可靠性。

附图说明

图1是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的总装图。

图2是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的车体的结构示意图。

图3是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的基座的结构示意图。

图4是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的腰部的结构示意图。

图5是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的第一联接件的结构示意图。

图6是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的横移大臂的结构示意图。

图7是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的第二联接件的结构示意图。

图8是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的腕部与手部的装配图。

图9是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的第三联接件的结构示意图。

图10是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的第四联接件的结构示意图。

图11是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的末端连接体与肥液流量调节阀的结构示意图。

图12是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的施肥器接头端的结构示意图。

图13是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的针式施肥器剖视图的结构示意图。

图14是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的针式施肥器的仰视图。

图15是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的喷头安装连接件的结构示意图。

图16是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的管道安装连接件的结构示意图。

图17是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的视觉相机的结构示意图。

图18是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的液压站的结构示意图。

图19是本发明第一实施例中的多自由度多功能精量施肥装置的施肥泵的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图1-19和第一个实施例对本发明进行详细的说明。

实施例一

如图1所示，一种多自由度多功能精量施肥装置，由太阳能动力装置1、本实施例中的车体为移动式无人车体2、本实施中的机械手为施肥机械手3、液压站4、施肥罐5、施肥泵6、施肥末端7、喷头安装连接件8、本实施例中的管道安装连接件为施肥管道安装连接件9、视觉系统10(包括视觉传感器一10-1和视觉传感器10-2)、液位传感器11、空气温湿度传感器12、无线控制系统13与手机客户端(图中未示出)等装置构成。

移动式无人车体2采用四轮式结构2-1，车体宽度依据田间垄宽来确定，车体底板高于作物茎秆高度以方便田间作业。四轮式结构2-1的轮毂采用实心结构2-2，避免移动无人车在田间行走过程中与作物枝叶发生卷绕。车体正前方设有视觉传感器一10-1，感知前方路况；车头为斜面式结构，布设有太阳能电池板1-1，斜面内侧下方设有太阳能蓄电池能量转换装置1-2以及GPS定位模块，太阳能电池板和太阳能蓄电池能量转换装置共同构成太阳能动力装置1，为液压站4、施肥泵6和移动式无人车体2的运行提供动力；车头上方设有矩形挡板2-3，对车内装置起到遮阴、防风、抗干扰的作用；车头两侧采用流线型结构、减少行走过程中的阻力。

请参考图1和图2，车身两侧采用栅格式围栏结构2-4，下方实心，上方镂空，一方面保证车身的强度和安全性，同时对车内装置起到通风散热的作用。车后方为车门，可开启和关闭，方便车内装置的装卸。车内设有可移动的机械部件安装定位板2-5，用于车内装置的安装和固定，依据车内装置的底座形状和尺寸来定制，机械部件安装定位板上与每个装置安装位置的对应处设有两个对称的圆孔2-6，各装置的定位板连通，起到相互约束的作用，保证施肥机械手的单位精度，以及各装置在车体行走过程中的安全性。

空气温湿度传感器12通过T型连接板与多自由度多功能精量施肥装置侧边围栏连接，空气温湿度传感器12安装于离地2米处。

请参考图1，施肥罐5采用中空圆柱、上方缩口型结构,采用非透明材料，减少光照和室外温度对肥液性质的影响。施肥罐5内侧设有液位传感器11，当肥液液位低于总高度的1/5时远程控制端或手机APP会发出报警。施肥前先根据作物种类、施肥面积将肥料与水按比例混合好、充分搅拌；当施肥面积较大，多自由度多功能精量施肥装置单躺施肥不能满足要求时，无人车先驶向水源处，由农户先向施肥罐内倒入所需的肥料再将施肥泵用作取水泵，其进口与水源相连，出口放入施肥罐5中，再进行肥液的搅拌。或者农户在田间设置混肥池，事先将肥液配好，多自由度多功能精量施肥装置的肥液量将耗尽时，直接驶向混肥池，由人工将施肥泵的进口与混肥池相连，出口放入施肥罐5中，进行肥液的补给。施肥罐5也可以根据用户需要设置按比例混肥的相关装置机功能。

请参考图1、图3和图4，施肥机械手3由基座3-1、腰部3-2、升降大臂3-3、横移大臂3-4、升降小臂3-5、腕部3-6、手部3-7、第一联接件3-8、第二联接件3-9、第三联接件3-10、第四联接件3-11等部分构成。

请参见图3，本实施例中的基座3-1为圆盘形结构3-1-1，底部设有两个对称的基座圆形凸台3-1-2，与机械部件安装定位板上的相应圆孔形成配合，并固定在车体上；基座3-1上部设有两个对称的基座圆孔3-1-3，与腰部3-2下方的圆形凸台(3-2-1)配合。

请参见图4，施肥机械手3的腰部3-2采用连续回转电液伺服马达来驱动，可以实现回转运动，腰部3-2的侧边设有进油口3-2-2a和出油口3-2-2b。

请参见图1和图8，升降大臂3-3、横移大臂3-4、升降小臂3-5、手部3-7均采用液压缸结构；腕部3-6采用三条并联的液压式人工肌肉3-6-1来驱动，实现施肥末端7任意位姿和角度的调节。手部3-7为施肥末端7扎入土壤中作物根区的施肥过程提供动力。

请参见图1，腰部3-2、升降大臂3-3采用销轴联接，其他各关节的连接采用结构类似的连接件进行衔接。升降大臂3-3与横移大臂3-4之间为第一联接件3-8，横移大臂3-4与升降小臂3-5之间为第二联接件3-9，升降小臂3-5与腕部3-6之间为第三联接件3-10，腕部3-6与手部3-7之间为第四联接件3-11。上述联接件对与之相配的液压缸起到连接和支承的作用。

升降大臂3-3、横移大臂3-4、升降小臂3-5、手部3-7的活塞杆末端均分别有矩形凹槽和沿轴线方向顺序布置的圆孔，用于与对应联接件的螺栓连接。升降大臂液压缸缸体采用圆柱形结构3-3-1，横移大臂3-4、升降小臂3-5、手部3-7的液压缸缸体采用矩形结构3-4-1。

请参见图1、图5和图6，第一联接件3-8的始端为第一矩形结构3-8-1，并设有两个圆孔3-8-2，与升降大臂活塞杆末端的两个圆孔3-3-2进行配合；第一联接件3-8的主体部分为第一半开放的凹槽结构3-8-3，用于横移大臂3-4的安装；第一半开放的凹槽结构3-8-3的始端设有四个对称的圆孔3-8-4，末端设有第一L型肋板3-8-5，第一L型肋板3-8-5的水平面上设有两个对称布置的第一螺纹孔3-8-6；横移大臂3-4的缸底处对称设有四个螺纹凸台3-4-1，与第一联接件3-8上的四个圆孔3-8-4进行配合；横移大臂3-4的缸盖处设有第二L型肋板3-4-2，位于第一L型肋板3-8-5的内侧，二L型肋板3-4-2的水平面上设有两个对称布置的第二螺纹孔3-4-3，与第一L型肋板3-8-5上的第一螺纹孔3-8-6进行配合，对横移大臂3-4进行固定。升降小臂3-5与横移大臂3-4之间的连接方法和横移大臂3-4升降大臂3-3之间的连接方法一致。

请参见图7，第二联接件3-9与第一联接件3-8的结构相同，第一联接件3-8与第二联接件3-9的半开放的凹形槽外侧沿手臂延伸方向设有三组对称的双螺纹孔结构3-8-7，用于与施肥管道安装连接件9进行配合。第二联接件3-9的半开放的凹形槽的另一侧设有两个水平布置的螺纹孔3-9-1，用于与喷头安装连接件8配合，用于灌溉喷头的连接。

第一联接件3-8与第二联接件3-9的半开放的凹形槽和L型肋板尺寸一致。

请参见图1、图8、图9和图10，第三联接件3-10和第四联接件3-11一端为带两个圆孔的矩形结构3-10-1，另一端为圆盘形结构3-10-2；圆盘形结构3-10-2一侧与矩形结构连接，另一侧在圆周方向对称设有三个环形连接头3-10-3，用于与三条液压人工肌肉3-6-1连接，三个连接头3-10-3指向圆盘形结构3-10-2的圆心。第三联接件3-10与第四联接件3-11的结构一致，安装方向相反，尺寸更小、第四联接件的3-11三个连接头3-11-1布置更紧凑，用于液压人工肌肉3-6-1远端的连接。第四联接件3-11与手部3-7分别设有相配合的两个圆孔3-11-2，采用螺栓进行连接。

第二联接件3-9、第三联接件3-10和第四联接件3-11上的圆孔均采用同一尺寸、提高互换性。横移大臂3-4、升降小臂3-5尺寸一致，也可根据需要在液压缸的行程上进行特别设置。

请参见图13和图14，施肥末端,7由末端连接体7-1、肥液流量调节阀7-2、针式施肥器7-3构成，采用耐磨、耐酸碱腐蚀的金属材料，并进行相应的热处理。针式施肥器内部采用了单向阀(或止回阀)结构，防止施肥泵停机时土壤中的水分和杂质倒吸。

针式施肥器由接头端7-3-1、锥形阀芯7-3-2、弹簧7-3-3、定量施肥试管7-3-4构成。

请参见图11，施肥末端的末端连接体采用“十字形”结构，其水平方向的一端为T字形结构7-1-1，截面为矩形，并设有两个圆孔7-1-2，与施肥机械手手部液压缸活塞杆末端相连。“十字形”结构水平方向另一端为常规矩形体；“十字形”结构的垂直方向采用通孔结构7-1-3，上侧设有外螺纹接头7-1-4，与肥液流量调节阀7-2相连，下侧为内螺纹接头7-1-5，与针式施肥器相连。

请参见图12，针式施肥器接头端采用阶梯型通孔结构，内径上下一致，上侧外径较小，且外部设有外螺纹7-3-1a；下侧外径更大，也设有外螺纹7-3-1b；锥形阀芯的小头7-3-2a要小于接头端的内径，大头端7-3-2b大于接头端的内径，锥形阀芯的安装方向与肥液来流方向相反，否则起不到止回的作用。弹簧设于锥形阀芯与定量施肥试管之间，弹簧可对施肥压力起到一定的调压作用，其硬度可以根据土壤条件和作物种类、生长季节等因素进行选择和更换。

请参见图13和图14，定量施肥试管的上方为圆柱形腔体7-3-4a，下方为锥形中空施肥针7-3-4b。圆柱形腔体的始端采用内螺纹结构7-3-4c，与接头端下方的外螺纹形成配合；圆柱形腔体内径需大于锥形阀芯大头的外径，否则无法施肥。锥形中空施肥针的内侧为锥形腔体7-3-4d，锥形腔体始端的内径小于圆柱形腔体的内径，锥形中空施肥针的远端1/4处采用比始端锥形角度略大的锥体结构7-3-4e，目的在于保护锥形中空施肥针在插入泥土的施肥过程中不易被折断；锥形中空施肥针的末端保持尖锐形结构7-3-4f，提高扎入土壤的效率；锥形腔体末端采用径向均布的三孔式侧开孔结构7-3-4g，来代替传统的垂直开孔的结构，目的在于一方面减少堵塞，同时起到导流作用，并且在手腕不同位姿不同角度施肥时，径向三孔式出流结构能够促进肥液向土壤湿润体的轴向和垂直方向不同土层深度的扩散，从而提高施肥效率和肥液分布的均匀性。肥液流量调节阀可以实现对施肥量的精量调节，也可根据用户的控制需求采用节流伺服阀，实现肥液量精确、自动的调节。

请参见图16，施肥管道安装连接件9采用矩形凹槽式结构9-1，凹槽两侧对称设有两个螺纹孔9-2；凹槽内侧用于放置施肥或灌溉管道，螺纹孔的位置需高于灌溉管道的外径；凹槽内侧的两个螺纹孔9-2与第一联接件3-8和第二联接件3-9的半开放的凹形槽外侧的双螺纹孔结构3-8-7配合，采用螺钉进行连接。施肥管道一端与施肥罐5连通，另一端与施肥末端7或者施肥机械手上的喷头连接。

请参见图1和图15，喷头安装连接件8总体采用T字形结构，其一端为喷头凹形槽8-1，其上对称设有水平布置的双螺纹孔8-2，与第二联接件3-9凹形槽上的水平双螺纹孔3-9-1相配合；喷头安装连接件8另一侧设有喷头快速接头8-3，喷头快速接头8-3的上端和下端的结构对称，采用外螺纹结构或快插结构，均可用于喷头或灌溉管道的连接；喷头安装连接件T字形结构的第三端为第三L型肋板8-4，第三L型肋板8-4的垂直面上设有三个螺纹孔8-5，用于视觉相机二10-2不同安装角度的连接。

请参见图1和图17，多自由度多功能精量施肥装置的视觉系统包括车头前方用于探路用的视觉传感器一10-1，以及安装于第二联接件处的用于施肥和灌溉对象识别的视觉传感器二10-2。视觉传感器二可以对作物位置、植株大小、土壤墒情、作物需水需肥情况和营养情况进行识别。根据作物植株和土壤情况进行施肥量或灌溉量的调节。

请参见图18，液压站4由油箱4-1、电机4-2、液压泵4-3、安全阀4-4、控制阀组4-5、显示仪表4-6等部分组成。油箱底部设有四个对称的圆形凸台，与机械部件安装定位板上的相应圆孔形成配合。

控制阀组4-5包括换向阀、流量控制阀和压力控制阀。显示仪表4--6主要显示液压系统工作压力，施肥罐的液位、施肥流量等参数。

本装置中的液压马达、液压缸、控制阀等可以根据用户需求采用传统控制方式，或采用电液伺服结构，实现行程、流量、压力的无级调节与自动控制。

请参见图1和图19，施肥泵6采用电驱动，泵的结构采用隔膜计量泵。施肥泵出口设置流量计。在施肥速度要求不高或者对作物幼苗进行施肥时，本装置可不启动施肥泵、直接利用高差进行自压施肥即可。

多自由度多功能精量施肥装置通过无线wifi或ZigBee等无线控制系统与农户控制总站或农技站集中控制室以及用户的手机客户端APP相连，对田间环境参数和多自由度多功能精量施肥装置的实时运行情况进行监测，必要时进行控制干预，为农业干旱联网预防、政府技术指导统筹、物联网协同管控等数字化农业服务提供硬件、数据和平台基础。

本实施例中，施肥末端7的针式施肥器，插入土壤中，将肥液直接送入植物的根部，移动式无人车体移动，针式施肥器在农田中作业。多自由度多功能精量施肥装置的车轮行走于田间机行道或田间垄沟中，车身下方为作物。通过横移大臂的移动，可以完成同一垄两侧的植株施肥，通过腕部的转动，可以完成同一垄相邻两到三行植株的施肥，通过腰部转动可以完成车身两侧苗床(或田垄)分别四到五行植株的施肥。

实施例二：与实施例一的区别在于，施肥末端7在需要滴灌的场合可用作滴灌施肥器，并可根据流量需要更换针式施肥器的尺寸。

实施例三：

与实施例一的区别在于，在需要对作物进行微灌或雾化喷药的场合，可将微喷头或喷药用的雾化喷头装设于施肥末端上方与施肥管道的连接处。再调整升降小臂或升降大臂的高度到所需的位置。

实施例四：

与实施例一的区别在于，当需要对不同茎秆高度的作物进行喷灌时，将喷头装设于第二连接件上喷头安装连接件的喷头快速接头处。再调整升降小臂或升降大臂的高度到所需的位置。

Claims (10)

1.一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，包括车体、车体驱动装置、施肥罐、液压站、机械手和工作端；所述车体驱动装置驱动车体移动，所述施肥罐和液压站放置在车体上，所述机械手一端固定在车体上，机械手的中间部位和/或另一端安装工作端；所述工作端通过管道与施肥罐连接，所述施肥罐内存放有灌溉水、肥或者药的一种或者几种组合，所述工作端包括施肥器或/和喷头；所述液压站提供驱动机械手运动的动力。

2.根据权利要求1所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述车体为四轮驱动车，所述车体驱动装置为太阳能动力装置，车头为斜面式结构，上布设有太阳能电池板，斜面内侧下方设有太阳能蓄电池能量转换装置，太阳能电池板和太阳能蓄电池能量转换装置共同构成太阳能动力装置。

3.根据权利要求1所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述机械手包括升降大臂、横移大臂、升降小臂，腕部和手部，所述升降大臂、横移大臂、升降小臂，手部均采用液压缸结构，所述腕部采用液压式人工肌肉；所述升降大臂通过基座和腰部固定在车体上，所述升降大臂通过第一联接件与横移大臂连接，所述横移大臂通过第二联接件与升降小臂连接，所述升降小臂通过第三联接件与腕部连接，所述腕部通过第四联接件与手部连接；所述腰部可以转动，所述升降大臂和升降小臂可沿高度方向移动，所述横移大臂在与升降大臂相垂直方向且沿水平方向移动，所述腕部可实现任意位姿和角度的调节。

4.根据权利要求3所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述基座为圆盘形，其固定在车体上，所述基座上设有基座圆孔，所述腰部上设有腰部圆形凸台，腰部圆形凸台与基座圆孔配合，所述腰部设有进油口和出油口。

5.根据权利要求3所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述第一联接件的始端为第一矩形结构，所述第一矩形结构一端连接升降大臂的液压杆，另一端连接第一半开放的凹槽结构，所述横移大臂安装在所述的第一半开放的凹槽结构内。

6.根据权利要求3所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述第二联接件的始端为第二矩形结构，所述第二矩形结构的一端连接横移大臂的的液压杆，另一端连接第二半开放的凹槽结构，所述升降小臂安装在所述的第二半开放的凹槽结构内，所述第二半开放的凹槽结构上设有喷头安装连接件。

7.根据权利要求3所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述第三联接件由第三矩形结构和第三圆盘形结构组成，所述第三矩形结构与升降小臂连接，所述第三圆盘形结构上设有三个环形连接头，所述三个环形连接头分别连接三条人工肌肉的一端，所述三条人工肌肉的另一端与所述第四联接件连接，所述第三联接件和第四联接件结构相同。

8.根据权利要求3所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述施肥器设置在手部，所述施肥器包括滴灌施肥器或者针式施肥器，所述微喷头或喷药用的雾化喷头设置在施肥器的上方；所述喷头通过喷头连接件设置在第二联接件上；所述第一半开放的凹槽结构和第二半开放的凹槽结构的外侧设有螺纹孔，管道连接件上设有相应的螺纹孔，管道连接件通过螺栓连接在第一半开放的凹槽结构和第二半开放的凹槽结构上，所述管道通过管道连接件与机械手固定。

9.根据权利要求1所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述施肥装置设有视觉系统，视觉系统包括设置在所述车体前方的第一视觉传感器和设置在第二联接件上的第二视觉传感器。

10.根据权利要求1所述的一种多自由度多功能精量施肥装置，其特征在于，所述车体上设有液压站，所述液压站由油箱、电机、液压泵、安全阀、控制阀组和显示仪表组成，所述油箱底部设有四个对称的邮箱圆形凸台，与车体上的安装定位板上的相应圆孔配合，固定在车体上；所述车体上设置有施肥泵，所述施肥泵采用电驱动，所述施肥泵为隔膜计量泵，隔膜计量泵出口设置流量计。