CN111226547A - 一种太阳能种植机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉属于农业种植机械技术领域，特别涉及一种太阳能种植机器人，其特征在于：由移动机构、并联机械臂、播种器、滚轮式种仓、水肥装置、太阳能供电装置、控制系统组成，并联机械臂设置于移动机构内中间，播种器设置于并联机械臂上，太阳能供电装置居上层、控制系统居中、滚轮式种仓、水肥装置分居两侧居下层设置于移动机构顶部且滚轮式种仓与播种器连通、控制系统分别与移动机构、并联机械臂、滚轮式种仓、水肥装置控制连接。本发明结构设计科学合理，播种施肥灌溉一次自动实施，具有节省能源、远程操作控制简便、自动化程度高、可有效提高农作物种植效率、减轻劳动强度、减少人力成本等优点，是一种具有较高创新性的太阳能种植机器人。

Description

一种太阳能种植机器人

技术领域

本发明属于农业种植机械技术领域，特别涉及一种太阳能种植机器人。

背景技术

种植机器人是当前农业机械化及自动化的前沿科技，与国外相比，我国农业机器人尚处于发展阶段。自20世纪90年代中期，国内才开始农业机器人技术的研发。时至今日，我国与国外对农业机器人的研究方向上还有着一定差距，如美国、西班牙、德国、澳大利亚、荷兰、以色列、意大利、英国和日本等。并且农业机器人目前已成为世界热点，一体化机器人的运用和能源的绿色化等也成为当代所要发展的方向。因此,推动我国种植机器人的发展对迅速提升农业种植装备的自动化水平具有重要意义；并且在我国劳动力成本不断提高、种植机械智能化水平逐步提高、环境适应性也越来越强的前提下，机械化设计方面应该要更符合作业劳动的需求，但一些制约性因素和有待解决的问题导致农业机器人不能达到功能具备完整的运用，并且在不同环境下的农业机器人难以达到一体化、环保绿色化、信息叠加多的作业条件，因此，研究适用于多种功能种植以太阳能为特殊外部能源的种植机器人具有广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种节省能源、绿色环保、播种施肥灌溉一次自动实施、远程操作控制简便、自动化程度高、可有效提高农作物种植效率、减轻劳动强度、减少人力成本的太阳能种植机器人。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种太阳能种植机器人，其特征在于：由移动机构、并联机械臂、播种器、滚轮式种仓、水肥装置、太阳能供电装置、控制系统组成，并联机械臂设置于移动机构内中间，播种器设置于并联机械臂上，太阳能供电装置居上层、控制系统居中、滚轮式种仓、水肥装置分居两侧居下层设置于移动机构顶部且滚轮式种仓与播种器连通、控制系统分别与移动机构、并联机械臂、滚轮式种仓、水肥装置控制连接。

而且，所述移动机构，由支撑平板、支撑立柱、行走轮组成，支撑立柱呈矩形固装于支撑平板底面四角部，行走轮连接于支撑立柱底端。

而且，所述并联机械臂，由定平台、舵机、机械臂、连接杆、动平台组成，定平台固装于机器人框架内顶部，舵机设置于定平台上中心，机械臂呈正三角环形均布于舵机上，连接杆上端铰装于机械臂外端部，下端设置有动平台。

而且，所述机械臂为三个，三个机械臂呈正三角环形均布于舵机上，均由驱动臂、双肩连接臂组成，驱动臂、双肩连接臂依次与舵机铰装传动连接，双肩连接臂外端与连接杆铰装传动连接。

而且，所述连接杆为六个，六个连接杆分三组分别上端铰装于双肩连接臂上，下端共同设置有动平台。

而且，所述播种器，由播种斗、种斗座套、播种管、种子撒播机构、鸭嘴式播种头组成，种斗座套同心固装于并联机械臂的动平台上，播种斗同心固装于种斗座套顶部，播种管同心固装于种斗座套内，种子撒播机构上端设置于播种斗内，中部滑动设置于种斗座套底部，下端滑动设置于播种管上，鸭嘴式播种头固装于播种管下端。

而且，所述种子撒播机构，由内接触片、外接触片、顶杆、弹簧组成，内接触片同心设置于播种斗内，外接触片滑动设置于播种管上下部，顶杆对称滑动设置于种斗座套内，上端与内接触片相固装，下部滑动设置于外接触片上，弹簧对应设置于顶杆上并联机械臂动平台与外接触片之间。

而且，所述滚轮式种仓由种仓盒、排种轮、毛刷轮、排种电机、斜挡片组成，种仓盒固装于移动机构顶部一侧，排种轮在下、毛刷轮在上设置于种仓盒内，排种电机设置于种仓盒外并与排种轮、毛刷轮传动连接，斜挡片设置于种仓盒内排种轮上方。

而且，所述水肥装置，由水肥箱、注入部件、输出部件组成，水肥箱固装于移动机构顶部一侧，注入部件设置于水肥箱上部，输出部件设置于水肥箱下部。

而且，所述控制系统，由主控制器、摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)组成，主控制器分别与摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)通讯连接。

本发明的优点和有益效果为：

1.本太阳能种植机器人设置有太阳能装置，节省能源，绿色环保。

2.本太阳能种植机器人设置有并联机械臂、播种器、滚轮式种仓、水肥装置，播种施肥灌溉一次自动实施，可有效提高农作物种植效率、减轻劳动强度、减少人力成本。

3.本太阳能种植机器人设置有控制系统，远程操作控制简便、自动化程度高。

4.本太阳能种植机器人结构设计科学合理，播种施肥灌溉一次自动实施，具有节省能源、绿色环保、远程操作控制简便、自动化程度高、可有效提高农作物种植效率、减轻劳动强度、减少人力成本等优点，是一种具有较高创新性的太阳能种植机器人。

附图说明

图1为本发明的结构示意图(不含太阳能供电装置)；

图2为移动机构的结构示意图；

图3为并联机械臂结构示意图；

图4为播种器结构示意图；

图5为滚轮式种仓结构示意图(不含排种电机)；

图6为水肥装置结构示意图；

图7为控制系统硬件组成图；

图8为工作流程图。

1-滚轮式种仓，2-移动机构，3-控制系统，4-并联机械臂，5-播种器，6-水肥装置，7-减震器，8-行走轮，9-支撑平板，10-支撑立柱，11-驱动电机，12-麦克纳姆轮，13-支撑板，14-双肩连接臂，15-连杆，16-驱动臂，17-舵机，18-定平台，19-动平台，20-联轴器，21-种斗盖，22-播种斗，23-种斗座套，24-内接触片，25-播种管，26-锥形漏斗27-顶杆，28-弹簧29-座套底板，30-外接触片，31-伸缩杆，32-播种头固定部，33-播种头活动部，34-鸭嘴拉丝，35-种仓盒，36-斜挡片，37-排种轮，38-种子输送管，39-毛刷轮，40-电磁阀，41-喷头，42-出水管，43-水泵，44-水肥箱，45-进水管，46-单向阀，47-滑轨升降机构。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种太阳能种植机器人，由移动机构2、并联机械臂4、播种器5、滚轮式种仓1、水肥装置6、太阳能供电装置、控制系统3组成，并联机械臂设置于移动机构内中间，播种器设置于并联机械臂上，太阳能供电装置居上层、控制系统居中、滚轮式种仓、水肥装置分居两侧居下层设置于移动机构顶部且滚轮式种仓与播种器连通、控制系统分别与移动机构、并联机械臂、滚轮式种仓、水肥装置控制连接。

移动机构，由支撑平板9、支撑立柱10、行走轮8组成，支撑立柱呈矩形固装于支撑平板底面四角部，行走轮设置于支撑立柱下端。支撑平板，其上制有机械臂装配孔。行走轮为四个，四个行走轮对应设置于支撑立柱底端，均由减震器7、麦克纳姆轮12、支撑板13、驱动电机11组成，减震器连接于支撑立柱底端，支撑板对称固装于减震器上两侧，麦克纳姆轮设置于支撑板内，驱动电机设置于支撑板外并与麦克纳姆轮传动连接。减震器，由减震架子、导向盖子、连接固定件、连接托板、支撑弹簧组成，导向盖子设置于减震架子上，支撑弹簧对称设置于减震架子内，连接托板设置于支撑弹簧顶部，连接固定件固装于连接托板顶面。

并联机械臂，由定平台18、舵机17、机械臂、连接杆15、动平台19组成，定平台固装于机器人框架内顶部，舵机设置于定平台上中心，机械臂呈正三角环形均布于舵机上，连接杆上端铰装于机械臂外端部，下端设置有动平台。

机械臂为三个，三个机械臂呈正三角环形均布于舵机上，均由驱动臂16、双肩连接臂14组成，驱动臂、双肩连接臂依次与舵机铰装传动连接，双肩连接臂外端与连接杆铰装传动连接。

连接杆为六个，六个连接杆分三组分别上端铰装于双肩连接臂上，下端共同设置有动平台。连接杆与定平台、动平台之间均设置有联轴器20。。

播种器，由播种斗22、种斗座套23、播种管25、种子撒播机构、鸭嘴式播种头组成，种斗座套同心固装于并联机械臂的动平台上，播种斗同心固装于种斗座套顶部，播种管同心固装于种斗座套内，种子撒播机构上端设置于播种斗内，中部滑动设置于种斗座套底部，下端滑动设置于播种管上，鸭嘴式播种头固装于播种管下端。

种子撒播机构，由内接触片24、外接触片30、顶杆27、弹簧28组成，内接触片同心设置于播种斗内，外接触片滑动设置于播种管上下部，顶杆对称滑动设置于种斗座套内，上端与内接触片相固装，下部滑动设置于外接触片上，弹簧对应设置于顶杆上并联机械臂动平台与外接触片之间。播种斗，其上设置有种斗盖21。内接触片，其上部为锥形。种斗座套，其内顶部制有锥形漏斗26，其底部制有座套底板29。鸭嘴式播种头，由鸭嘴固定部32、鸭嘴活动部33、鸭嘴拉丝34组成，鸭嘴固定部固装于播种管底部，鸭嘴活动部铰装于鸭嘴固定部上，鸭嘴拉丝连接于外接触片、鸭嘴活动部之间。顶杆底部螺装有伸缩杆31,伸缩杆底端制有托盘；托盘可使接触地面面积增大，避免插入土壤中。伸缩杆用于调整鸭嘴式播种头开口时机以与播种深度相协调；深度减少时，旋转降低伸缩杆，在伸缩杆上部增添垫片，鸭嘴式播种头提前开启，反之延后开启。

滚轮式种仓由种仓盒35、排种轮37、毛刷轮39、排种电机、斜挡片36组成，种仓盒固装于移动机构顶部一侧，排种轮在下、毛刷轮在上设置于种仓盒内，排种电机设置于种仓盒外并与排种轮、毛刷轮传动连接，斜挡片设置于种仓盒内排种轮上方。排种轮，其上制有排种凹槽。种仓盒，其底部制有排种口并设置有种子输送管38。排种轮有多种类型，以适用于不同农作物播种需要。排种轮上设有间距一定的凹槽，用于运送种子。排种轮与毛刷轮由排种电机带动运转，种子落入排种轮凹槽，在排种轮的带动下进入排种口。从而实现种子排出。毛刷轮与排种轮转向相同。可以将多余进入凹槽的种子刷出，避免排种量不均匀的问题。同时毛刷轮的质地较软，刷出时可以减少对种子的损伤。斜挡片用于将种子往中间聚拢，避免排种轮转动时种子向两侧偏移，导致种子无法落入凹槽，不能顺利排出。且可以根据种子种类大小不同更换排种轮。

水肥装置，由水肥箱44、注入部件、输出部件组成，水肥箱固装于移动机构顶部一侧，注入部件设置于水肥箱上部，输出部件设置于水肥箱下部。注入部件，由滑轨升降机构47、单向阀46、注水管45组成，滑轨升降机构设置于水肥箱一侧，单向阀滑动设置于滑轨升降机构上，注水管连接于水肥箱与单向阀之间。输出部件，由水泵43、出水管42、电磁阀40、喷头41组成，水泵设置于水肥箱上，输出水管一端连接水泵，另一端连接喷头，电磁阀设置于输出水管上水泵与喷头之间。

太阳能供电装置包括太阳能电池和蓄电池，太阳能电池与蓄电池电连接；太阳能电池经支架设置于移动机构顶部，蓄电池直接设置于移动机构顶部。

控制系统，由主控制器、摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)组成，主控制器分别与摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)通讯连接；主控制器由STM32主控芯片、步进电机控制板、舵机驱动模块、摄像头模块、ESP8266WIFI模块、继电器组成，步进电机控制板，用于驱动步进电机来实现行走功能；舵机驱动模块用于驱动舵机实现对并联机械臂的控制；摄像头模块用于采集种植现场的视频画面并回传至手机APP，实现对种植现场的实时监控；ESP8266WIFI模块用于实现用户对机器人的远程操控；继电器用于控制水肥装置。

控制系统软件设计：该太阳能种植机器人具有WIFI远端控制方式。WIFI通过相应的APP对其进行控制和收集重量的实时检测。手机使用任意网络即可远程操控机器，视频数据也可以通过WIFI实时传输到上位机手机APP端。而为实现移动端远程操作的需求，选择了Android系统作为移动端软件的开发平台，据统计分析，农业用户Android机使用覆盖率达95％以上，故开发了一款基于物联网平台的APP。该物联网平台主要由参数采集及设备控制(设备)、数据传输(网关)、服务器、客户端4部分组成。采集部分包括各种传感器，采用RS485方式与单片机通信，保证采集精度的同时，可以增加传输距离。控制部分，主要是控制继电器以间接控制电机等动作。数据传输部分，采用了性价比高的ESP8266WiFi模块，采用Socket与服务端程序通信。服务器使用阿里云服务器，预装CentOS6.0系统，数据库使用MySQL完成数据的存储。客户端APP部分，通信方式采用Socket，页面使用Vue快速开发完成，实现了一个JSBridge类，完成后台与前端页面的数据交互。通过嵌入海康威视的萤石SDK结合其摄像头，实现了实时视频画面传输。

本发明的工作原理为：

播种前，首先装配与农作物相匹配的排种轮，水肥装置注满水肥混合液，在主控制器上设置播种深度，调整播种器的伸缩杆的高度与播种深度相适应，设置农作物间距即移动机构步进距离，设定排种轮转速，设定水肥供给时机及间隔，使之与步进距离相协调。播种时，由滚轮式种仓通过管道将种子输送到播种器的播种斗中，种子被内接触片阻挡暂时储存在播种斗内；同时，并联机械臂的舵机工作，经驱动臂、双肩连接臂、连接杆、动平台带动整个播种器向下运动，鸭嘴式播种头首先插入土壤中；继而当伸缩杆的托盘接触地面后，顶杆停止向下运动并随着播种器继续向下运动推动内接触片逐步脱离播种斗，播种斗与内接触片之间形成环形缝隙，此时，暂时储存在播种斗内的种子经环形缝隙自动下落到锥形漏斗内继而落入播种管内直至落入鸭嘴式播种头内；并联机械臂带动种斗座套、播种斗、播种管、固装于播种管底端的鸭嘴式播种头继续向下运动，在鸭嘴式播种头继续下插过程中，由于伸缩杆已经停止运动，并联机械臂的动平台开始压缩弹簧及外接触片并持续下降直至外接触片触及伸缩杆顶端停止下降，此时播种器继续下降直至插入土壤中设定深度后停止；外接触片停止下降后在弹簧被压缩的同时，鸭嘴拉丝开始变形并带动播种头活动部绕轴旋转使鸭嘴式播种头口部张开，种子即会落入土壤中，完成播种；水肥装置根据指令，为种子施肥和浇水。然后，并联机械臂带动播种器上升，当外接触片脱离地面时，弹簧伸展，带动内接触片复位，封堵住播种管，播种器继续上升直至鸭嘴式播种头完全脱离土壤；控制系统控制移动机构前进。如此循环往复，即可完成自动播种。

播种器可切换不同种农业工具，如：可以更换为除草机构等。

种植机器人程序流程如图8所示。系统开机后，运用摄像头模块捕捉彩色图像以及各个装置初始化，通过STM32主控芯片带动步进电机，促使其运动，在运动过程中，步进电机的运转速度经过霍尔测速器测速反馈给主控芯片，控制其速度。同时根据摄像头实时捕捉画面以及传感器感应，再通过控制并联机械臂舵机运转进行播种，随后根据实时情况转换接头运用水泵进行不同效果喷洒施肥。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (10)

1.一种太阳能种植机器人，其特征在于：由移动机构、并联机械臂、播种器、滚轮式种仓、水肥装置、太阳能供电装置、控制系统组成，并联机械臂设置于移动机构内中间，播种器设置于并联机械臂上，太阳能供电装置居上层、控制系统居中、滚轮式种仓、水肥装置分居两侧居下层设置于移动机构顶部且滚轮式种仓与播种器连通、控制系统分别与移动机构、并联机械臂、滚轮式种仓、水肥装置控制连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述移动机构，由支撑平板、支撑立柱、行走轮组成，支撑立柱呈矩形固装于支撑平板底面四角部，行走轮连接于支撑立柱底端。

3.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述并联机械臂，由定平台、舵机、机械臂、连接杆、动平台组成，定平台固装于机器人框架内顶部，舵机设置于定平台上中心，机械臂呈正三角环形均布于舵机上，连接杆上端铰装于机械臂外端部，下端设置有动平台。

4.根据权利要求3所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述机械臂为三个，三个机械臂呈正三角环形均布于舵机上，均由驱动臂、双肩连接臂组成，驱动臂、双肩连接臂依次与舵机铰装传动连接，双肩连接臂外端与连接杆铰装传动连接。

5.根据权利要求3所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述连接杆为六个，六个连接杆分三组分别上端铰装于双肩连接臂上，下端共同设置有动平台。

6.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述播种器，由播种斗、种斗座套、播种管、种子撒播机构、鸭嘴式播种头组成，种斗座套同心固装于并联机械臂的动平台上，播种斗同心固装于种斗座套顶部，播种管同心固装于种斗座套内，种子撒播机构上端设置于播种斗内，中部滑动设置于种斗座套底部，下端滑动设置于播种管上，鸭嘴式播种头固装于播种管下端。

7.根据权利要求6所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述种子撒播机构，由内接触片、外接触片、顶杆、弹簧组成，内接触片同心设置于播种斗内，外接触片滑动设置于播种管上下部，顶杆对称滑动设置于种斗座套内，上端与内接触片相固装，下部滑动设置于外接触片上，弹簧对应设置于顶杆上并联机械臂动平台与外接触片之间。

8.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述滚轮式种仓由种仓盒、排种轮、毛刷轮、排种电机、斜挡片组成，种仓盒固装于移动机构顶部一侧，排种轮在下、毛刷轮在上设置于种仓盒内，排种电机设置于种仓盒外并与排种轮、毛刷轮传动连接，斜挡片设置于种仓盒内排种轮上方。

9.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述水肥装置，由水肥箱、注入部件、输出部件组成，水肥箱固装于移动机构顶部一侧，注入部件设置于水肥箱上部，输出部件设置于水肥箱下部。

10.根据权利要求1所述的太阳能种植机器人，其特征在于：所述控制系统，由主控制器、摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)组成，主控制器分别与摄像头、GPS定位器、手持操纵器(手机)通讯连接。

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