CN112753413A - 环式升降种植机器人的机械机构 - Google Patents

Abstract

一种可智能控制的农业机器，以底座、环架、种植环为基础架构，升降机构、灌溉系统、智能控制系统为从属机构；机架安装在由水槽、水轨、齿环、编码环、螺栓脚组成的底座上；种植环和水电系统安装在由底架、定架、顶架、动架、立杆构成的环架上，底架、定架、顶架、立杆构成刚性框架，动架安装于刚性架的上部并可上下滑动；旋转系统中的的行走机构沿水轨行走，驱动环架旋转；安放飞地的种植环由内圈、外圈、底板构成，通气、积水监测和排水等功能的设备设在透气板与底板形成的夹层中；升降系统中的升降机构带动动架升降；灌溉系统以自来水和水槽蓄水为水源，用上水管注入水盘；量水器控制下的灌溉总管分支成多个设选通阀的支管通向各种植环。

Description

环式升降种植机器人的机械机构

技术领域

本技术属于机械领域，是一种设施农业的种植设备或机构，尤其是基于数字化的智能种植设备或机构。

技术背景

智能、高效种植已成为农业发展的趋势，以设施农业为代表的种植方式已展示出其强大的市场优势和发展潜力，并为满足人们不断增长的对美好生活的追求做出了不凡的贡献。当然，当前的设施农业除规模较小、产能有限之外，尚存在单体体量大、单体占地面积大、植物生长初期占用地面时间长、空间和空气热能利用率低等不足，不能灵活布点。

本发明所涉及的种植机器人，是一种以信息化技术为基础，按竖向分层种植和飞地理念而构造的充分利用地面、阳光、空气热能和空间资源的紧凑的种植设备，是一种智能化、立体式、小体量的种植机器人，不仅能解决上述现有设施农业的不足，还能以其智能、小巧和操作简单而走进人们的家庭，将农业种植和大众休闲乃至日常生活相结合，充分利用小面积地面或小体量的空间开展绿色种植，使生活充满生机、便利和趣味，让人们于楼房林立的闹市中乐享田园生活。

该机器人，除能充分利用人们生产、生活的零散空间小规模种植外，还可集合成阵列式的规模化农场。

本机器人以优质的种苗、高饱和度的农肥、专属性的土壤相搭配形成植物生长基础；以竖向设置的种植环和相应的可移动土壤(简称飞地)作为地块分布模式；以信息化管控手段进行适时、准确的浇水、施肥、施药、阳光调节、人工补光、通气、病虫害防治、采收提醒等操作，形成最有利于植物生长的智能型的设施农业模式。

所述的飞地模式，是提高种植机器人产能的手段，采用地块迁移的方法，在同一块飞地上让植物获得两个或多个适宜的生长环境，即按龄期将飞地迁移到最适宜植物生长的环境中，使农作物单产最大化，同一块地面的使用次数最大化。

本机器人是按机构模块化的方式构建的，底座、机架、种植环是其基本机构，升降机构、水肥系统、智能控制系统是其从属机构；以基本机构再配上一种或多种从属机构后，即可构建出适应多种场景的机器人。

本发明所涉及的升降式种植机器人的机器机构，即指机器人的机械形态和机械机构(简称机器)，其智能控制系统部分、土壤结构部分、作物技术部分等具体内容不在本申请之列，另行分述。

技术方案

本机器主要由底座、环形机架(简称环架)、种植环(含动环和定环)、升降机构、旋转机构、灌溉系统、智能控制系统构成；底座是环架的机座；环架是机器的立体框架，也是种植环、灌溉系统和智能控制系统的安装架，由旋转机构带动环架在底座上旋转；升降机构依据环架支撑驱动动环升降；灌溉系统向各种种植环注水浇灌；智能控制系统的依据信息系统数据，控制各电动机构的启闭，以实现机器的自动和智能。

底座。所述机器的底座，是一个综合性机构，既是机架的运行基座，也是蓄水的容器。

底座设置于地面上，主要由水槽、水轨、齿环、编码环、调节螺栓、水槽配套机构(简称配件)组成。

水槽是截面呈U形的环形槽(或圆形水盘)，它是槽中机构的安装架，主要由内槽壁(简称内环)、外槽壁(简称外环)、槽底板(简称底板)组成。

水轨是环架旋转运行的轨道，用以支撑环架并导引旋转机构滚轮的运行轨迹，是一个与旋转机构滚轮相对应的径向截面呈‘凹’字形或‘凸’字形的圆环；水轨安装在水槽底板上，并与水槽同心。

齿环是安装在水槽底板上的上部设有扇形齿牙的圆环，并与水槽和水轨同心；齿环的齿牙与旋转机构上的锥形齿轮啮合，构成齿条齿轮机械副，该机械副和旋转机构的滚轮共同驱动环架的旋转，并防止滚轮打滑。

可将齿环和水轨设置在一起，形成一个整体构件，既可以简化结构，又能提高构件的整体刚性；同时，将其固定在底板上，也能增强水槽的平面刚性。

编码环是固定设置在水槽底板上的圆环，与水轨和齿环同心，且在其上部按不同高度设有上下排列且长短不一的条形透孔，作为水槽中不同位置的标志，使智能系统的读数头能获取相应的编码数据；读数头机构(例如电数码管)罩在编码环上部，为当前环架所处的位置编码并上传给智能系统。

编码环和读数头组成反应环架角行程信息的机构，通过读数头所获取的编码信息，即可推算出环架所处的位置(相对起始编码位置)，为智能系统控制机架的旋转量提供依据。

调节螺栓是调平水槽的机械机构，其螺母安装在水槽壁上，螺栓支撑于地面上；可在螺栓上套接小水盘，用防虫液体防止蚁虫爬过。

水槽除上述的安装机架功能外，还兼有蓄积种植环积水的水环、种植水培植物的种植环和防蚁虫等功能等，因此，水槽中还相应的设有供水水泵、抽水水泵、水槽水位传感器(简称下水标)等。

环架。环架是本种植机器人的立体环形框架，主要由水平的基于圆环形的平面架和竖向的刚性立杆构成一个筒状的框架。环架是以圆环形平面架为基本形状的呈平面的刚性架(简称环)，分为底部圆环(简称底环)、顶部圆环(简称顶环)、中下部固定的圆环(简称定环)、中上部活动的圆环(简称动环)；立杆由下向上依次固定连接底环、顶环、定环，形成刚性的环形立体框架；动环通过连接机构设置在环形框架的中上部，可上下滑动，并对环形框架形成活动的支撑；根据需要，立杆可设于环形框架的内部(圆环内)、外部(圆环外)或圆环中部(圆环的中线圆范围)，与各圆环形成固定的刚形立体架。

以螺栓丝杠(简称丝杠，其部分杆面上设置螺纹丝牙)作为立杆时，定环设在下部的直杆部分上；动环通过螺母连接在丝杆的螺纹部分；螺母与丝杆构成丝杠螺母副，螺母上再安装同步带轮，环架上的各同步带轮在同步带的驱动下同步旋转，共同推动动环上行或下行；

定环、动环均为种植环的安装架；最下端的定环除连接立杆外，其下部还连接行走机构，专称为底环；顶环是水环的安装架；在机器不设水环时，顶环则仅作为环形框架的顶部构件和水电管线的安装架；一个机器人可设多个定环和动环，各环相隔一定距离，使安装其上的种植环形成多层分布的空间模式。

旋转系统。旋转系统主要由滚动机构、信息机构的编码器或计数器组成，它既是机器人的支撑脚，也是拖动环架沿水轨旋转的动力；三个以上呈中心对称的滚动机构(构成环架的稳定支撑)组成底环平面的支点。

滚动机构(图8)安装在与立杆上下对正的底架下，主要由轮架、变速机构、行走机构组成，轮架用以安装行走机构和变速机构，变速机构驱动行走机构滚动。

行走机构主要由轮轴、滚轮、锥形齿轮、同步机构构成，轮轴安装在轮架上，滚轮、锥形齿轮安和变速机构的输出轮装在轮轴上。

同步机构主要由安装架、同步轮、轮轴、同步带、张紧轮等组成，轮轴安装在安装架上，同步轮安装在轮轴上，同步带套接在同步轮上；轮轴的一端伸出安装架，用以安装同步机构的输出端(连接件、带轮、齿轮等)。

张紧轮、安装架、同步动力安装在底架上，同步动力驱动同步带运行，同步带将动力传递给各同步轮，轮旋转的轮轴将动力传导给同步动力输出端；张紧轮安装在同步带外侧(同步带套接同步轮后，形成一个多边形)向内挤压，使同步带张紧并使其齿牙与同步轮紧密咬合，防止皮带打滑。

同步动力输出端连接变速机构的动力输入构件，将同步动力输入到滚轮和锥形齿轮上，使行走机构获取同步动力而滚动，水轨则约束滚轮沿圆形轨道行走，进而带动环架在底座上旋转。

防滑齿轮机构(图2)安装在轮架上并与齿环啮合防止滚轮打滑并辅助驱环架旋转，主要由锥形齿轮、从动轮、传动轮、安装架组成，由滚轮轴或变速机构的轮轴伸出并悬挑于轮架外，作为防滑齿轮机构的动力输入轴。

种植环。种植环是截面呈U形的环形槽(简称种植环)，飞地盛放在U形槽中，安装在环架上的定环和动环上。

种植环主要由种植环内壁(简称内筒)、种植环外壁(简称外筒)、种植环底板(简称底板)、透气板及加强肋构成，内筒、外筒、底板构成呈U形截面的槽，透气板架设在底板上，底板和透气板之间构成夹层空间。种植环主要用途在于盛放飞地土(壤)块，依据土块体量将整体圆环状的种植环分割成若干弧段(简称弧形槽)，并不影响本机器的种植功能；弧形槽可以是独立的槽体，各段弧形槽之间采用管道连接后，也形成了环形槽。

内筒、外筒上设呼吸器的安装孔、电子设备安装位等构造；可在内筒与底板、外筒与底板之间的夹角上增设垂直连接件，加强底板的悬挑能力和环体的刚性；底板和透气板可设呈中心发散的肋，以自增强板面刚性。

种植环的形状不惟圆环形，可根据具体需求，以底板的形状为基础，再配以内外壁板围成直边多边形、曲线多边形、混合形等多种，以利于作物生长、采光和透气为目的。

底板上设有升降机构的安装孔(或牵拉方式的绳索孔)、排水泵、积水水位传感器(简称水量标)等；同时，对下层种植环的补光设备、植物生长状态的信息采集设备、控制电路等均可设于其板底。

机器设置底架、动架、底架、顶架的主要目的，在于形成环形框架和为种植环(水环)提供竖向支撑；在种植环(水环)底板强度和刚度较大，足以支撑环形框架不变形、并足以保证种植环不变形时，各层的环形架均可省略，而代之以对应的各环底板。

透气板既可铺满底板，又可间隔设置；透气板上设透气小孔和吸水材料安装孔，吸水材料由安装孔插到底板上，汲取底板上的水并送到飞地中。

另外，参照透气板的构件方法，给种植环设置上盖，既能减少飞地土壤的水汽蒸发，又能增强种植环上口的抗变形能力，可视具体需要而定。

夹层既是空气通道，又是灌溉水的存蓄层。在采用向上渗透的方式灌溉飞地时，先将水输入到该夹层中，然后再向上渗出，浸泡飞地。在采用喷淋方式灌溉种植环时，灌溉水先由飞地上表下渗，最后穿过透气板积蓄在夹层中，随着灌溉水的增多，也会将夹层中的空气挤入土壤里，水位上升后浸泡飞地。灌溉水适量时，吸水材料将吸干夹层中的水分，使夹层回复到空气层状态。

若以喷淋的方式灌溉并以透气板替代底板(取消底板)，则夹层不复存在，而形成自然的透气透水功能。

若将底板与透气板之间形成固定连接，则形成两板夹肋的复合构造板，不但兼具底板、透气板和夹层功能，而且还提高了底板的刚度和悬挑能力。

呼吸器是控制夹层与外界联通的阀机构(图7)，呼吸器主要由内阀、外阀、同步杆、动力等构成，内阀设在种植环内筒的安装口上，外阀设在种植环外筒壁的安装口上，两阀体同时启闭；当两阀开通时(即呼吸器开)，阀体的通道和夹层连接，形成空气流通的通道；当两阀关闭时(即呼吸器关)，夹层形成一个封闭空间；灌溉时，两阀关闭，灌溉水充满夹层并向上渗出。

水量标是检测种植环水量的水位传感器，设置在底板上，以其信息供智能控制系统决策呼吸器和积水排放器是否开关。

所述的积水排放器，是设于种植环底板上的排水泵或电动阀门，其排水管穿底板将积水排下；当夹层或飞地中的水分过多或灌溉水积存时间超限值时，积水排放器开启排水，使夹层回复到空气层状态。

积水的排放，可直排至下层飞地或种植环外，也可将积水排至底座下的水槽中积蓄起来，下次灌溉复用。将积水排至水槽中积蓄时，可先将积水由排放器引至种植环中心处，再顺着给水管引导至水槽。

升降系统。升降系统是由多个呈中心对称的升降机构组成，各升降机构同步运行，共同驱动动架带动动环升降。

升降机构是依靠环架的支撑将动架升起或降下的机构，根据所采用的提升设备不同，可分为单丝杠螺母副升降机构、双丝杠母副副升降机构、绳索链升降机构、齿轮齿条副升降机构等。

单丝杠副升降机构是按图1方式构建的，是在动架上设置旋转的螺母，定环和顶环上固定丝杠两端，螺母和丝杠构成机械副，在动力驱动下，螺母旋转并推动自身产生上下运动，由此带动动架上下运动。

螺母同步机构(图3)主要由电机、变速机构、同步从动轮、同步轮(螺母上设皮带槽)、同步带组成，电机和变速机构、同步从动轮、同步轮安装在动架底板上，电机带动变速机构运转，变速机构的输出齿轮与螺母上的同步从动轮啮合传动，将动力传导给螺母(即同步轮)，同步轮带动同步带循环运行，同步带将动力传导给同底板的其他同步轮(即螺母)；各螺母同步旋转，同步同向推动动架升降，进而带动动环升降。

在同步机构所推动的荷载较大时，在螺母上也应设置变速机构，先将同步动力输入到螺母变速机构上，再由变速机构带动螺母旋转，以减轻同步带张力和环架立杆的水平荷载。

双丝杠副升降机构(图5)，是在图1所示的单丝杠副升降机构基础上增加一条反向丝牙的丝杠副(简称反向丝杠副)而成的，反向丝杠副除了丝牙的盘旋方向不同之外，其他的规格皆与正向丝牙的丝杠副(正向丝杠副)相同；两条丝杠副平行且相对环架中心呈放射状态设置，其正反丝螺母的安装架合为一体，正反丝螺母上各设一个同规格的齿轮，两者相啮合产生一反一正的旋转反向，由此受同步带动力输入的螺母即与之啮合的另一螺母同步旋转且方向相反；相对环架中心呈放射状态设置的各双丝杠副的同向丝杠，须同时设在外圈(相对环架中心而言)，即同步带所驱动的螺母必须是同向的。

因双丝杠副升降机构的两个螺母呈反向旋转，故消除了单丝杠副升降机构各螺母同步旋转时对环架造成的旋转扭矩危害；由此可见，若使单丝杠副升降机构中的部分螺母反向转动，也可消除或减小螺母同向旋转对环架造成的旋转扭矩的危害；即采用一定比例的反向丝牙丝杠副(即反向丝杠副)，使反向丝牙螺母旋转对动环产生的扭矩和正向丝牙丝相反，可抵消或减小各螺母同向旋转对环架的危害。为此，需给反向丝杠副增设反向变速装置，并将同步带动力输给反向变速装置，再由反向变速装置传动给反向丝杠副即可。

双丝杠副升降机构的动力，是接在其中一个螺母(即设置皮带轮的螺母)上，故其同步驱动机构的设置与单丝杠副升降机构相同。

上述设于动架上的单、双丝杠副升降系统的动力电机和同步机构，会抬高环架的重心，影响机器的稳定性。若使螺母固定而丝杠旋转，则可将电机和同步机构设置在下部的定架上，可有效降低环架重心；同时，对于多层动架的机器而言，无需各层设置动力和同步结构，从而简化了系统结构。

丝杠旋转升降机构的构建与螺母旋转升降机构类似，主要是将同步机构设置在丝杠的下端，同时将螺母(取消螺母座等旋转构造，只保留保护丝杠的套筒)固定在动架上即可。对于设有多层动架，而各动架有单独升降的需求时，给各螺母加设一个旋转自由度控制器(另行分述，细节从略)后，控制拟升降的动架螺母固定而其他动架上的螺母可旋转即可。

绳索链条式升降系统。索链式升降系统(图9)是由多个呈中心对称的索链式升降机构组成。

索链式升降机构是在顶环上设绳索或链轮的卷升设备，动环上设有绳索或链轮的连接构造，种植环设绳索(链轮)穿过的套筒；卷升设备将绳索或链轮卷起或释放，由此提升或放下动环，进而带动种植环升降。

采用索链式升降机构升降种植环时，前述的环架上的丝杆可改换成直杆或其他形状，其用作仍是刚性环架的立杆和约束动环的旋转自由度。

齿轮齿条副升降系统。齿轮齿条副升降系统是齿轮齿条副升降机构、同步动力机构、信息机构组成的，在同步动力驱动下，多个呈中心对称的轮齿条副升降机构同步拖动动架竖向滑行升降；信息机构设于立杆上，提供动架当前的位置信息，为智能控制系统控制同步动力提供依据，进而实现对动架位置的控制。

齿轮齿条副升降机构，是将齿条顺环架的立杆设置、爬升的动力齿轮设置在动架上；爬升齿轮和齿条构成齿轮齿条副升降机构(图4)，爬升齿轮顺齿条啮合滚动，带动动架和动环运行。

虽齿轮齿条副升降机构的同步传动方法也较多，但皆与上述升降机构上的同步传动机构类似；主要区别在于如何将平面运行的同步动力传导给水平轴的爬升齿轮(例如图8上的涡轮蜗杆机械副机构，或其他现有技术皆能实现)，具体不再赘述。

综上所述，驱动螺母旋转的各式升降系统、齿轮齿条副升降系统，均是驱动单层动架的系统，若机器设有多层动架，则需多个单层升降系统，换言之，设有多层动架的机器的升降系统，是一个按层分布的分布系统。

浇溉系统。浇溉系统是个分布系统，主要由上水系统、灌溉系统、动力机构(电动阀和抽水泵)、信息系统组成；在智能控制系统的控制下，信息系统提供土壤干湿度、种植环水量、水环水量、灌溉用水量等信息，上水系统把水源水升高并注入水环中，灌溉系统将灌溉水注入各种植环中。

灌溉系统的水环是设于机架顶部(或各种植环上部专用)的盛水(或液肥)容器，是个环形的槽，水环中的水在智能系统的控制下，自动给各种植环浇水。灌溉时，智能系统会根据各种植环中传感器的反馈信息，判定该种植环是否缺水以及灌溉用水量，以保证各种植环得以适量灌溉。

如果是设置一个水环的机器，其水环为各种植环共用(分时使用)；设有多个水环的机器为水环专用，即水环只服务于其下方的种植环，各种植环可同时灌溉。

灌溉系统主要由水环、水位传感器(简称水位标)、水量控制器(简称水器)、水肥供给机构、灌溉管路组成，水位标用以测量水环的水位，控水器用以计量当前种植环的输入水量。

共用水环的机器，其灌溉机构为分支机构，即灌溉总管的上端连接量水器，下端设分支水管，分支水管对应架设至各种植环上端(注水)；每条分支水管上设一个选通电动阀，用以选通拟灌溉的种植环。

下层种植环的灌溉支管可避开上层种植环后直接引下，也可以用给水管作为支架越过上层种植环而引下。

水环专用时，机器需设多个水环，故需在供给水管上设分支水管并设支管截阀，对应供给各专用水环，即分别向各水环的供给水肥。

给水过程中，水环里的水位标向智能控制系统提供实时水位信息，当水位达到拟定水量或上限时，智能控制系统的控制机构将给水阀电源切断，停止供水；灌溉过程中，当输出水量达到预定值时，量水器切断灌溉水路，停止灌溉；同时，在尚未达到拟定灌溉量，但种植环中的水量标向智能控制系统反馈水位达到上限时，量水器也会停止灌溉水供给，防止种植环漾水。

另外，水环上设有刻度，既供人工控制时参考，也为校对输入水量和输出水量误差服务。由上述可知，只需通过观察即可判定是否需要灌溉，以及用水量；同时，再将电动机构(电动阀、抽水泵)的电路设为机械开关电路，即可实现人工操控。

除上述的经由水环的灌溉系统外，飞地的灌溉还可由上水管直接浇水(简称直灌系统)而实现。在上水管上设各种植层的浇灌注水口，将水直接注入种植环中；依据种植环和环形框架的外形，上水管灌溉系统即可设于环形框架中心，也可设于环形框架外部；上水管灌溉系统设于环形框架中心时，直灌支管朝外将水注入种植环；上水管灌溉系统设于环形框架外部时，直灌支管朝内将水注入种植环。

直灌系统的可以设置在底座上，也可设置在底架上。设置在底座上的直灌系统是固定的系统，可由一条灌溉支管注水，再配合机器旋转，使浇灌水均匀注入飞地中；设置在底架上的直灌系统是随环形框架旋转的系统，可将各种植环的灌溉支管设成对应的环形并设多个注水口，将浇灌水多点注入，也能实现飞地的均匀灌溉。

在采用直灌浇水时，顶架上的水环可替代为定环。另外，前述的水盘灌溉系统中，在保证灌溉蓄水需求的前提下，水盘可分隔成蓄水功能、种植功能两部分(可分成内外相连的两个环体，也可分成两个弧段)；蓄水部分仍用作灌溉系统，种植部分当作定环。

动力系统。所述的动力系统，是个分布系统，主要由分布在各处的电力机构组成，机械机构中包括驱动电机、电磁阀等，静止电力机构包括电力热源、光源等。

在智能控制系统模式中，动力电路和电机、控制机构、信息机构组成一个动力机构，动力电路是与电机的关联(相连接)电路；控制机构和信息机构属于智能控制系统的机构；控制机构是动力电路的辅助电路，用以控制动力电路的通断；信息机构是服务于电机的外围机构，其信息作为开机、关机的依据。

在动力系统采用弱电电路时，动力机构由电机和信息机构两部分组成，控制电路则在集成电路上完成。

在人工控制环境下，动力机构只是一个包含电机和(机械式)开关的电力回路，其开机、关机决策仅凭人为。

电力滑动接触导入环(简称电转环)，是本机器电力电路中的关键机构(图6)，将固定电路的电力导入旋转环架上的电力器件，为环架的动力机构提供电源。

电转环主要由设置在给水管上的圆环形电触头(绝缘措施、安全措施描述从略)和安装在环架上的支撑架的点状电触头组成，静止的圆环形电触头和随环架旋转的点状电触头呈滑动连接，将固定端(圆环)上的电力导入设置在环架上的用电电路中。

在本机器中，给水管的截阀以及安装于水槽了里的水槽泵(水泵，以安装在环架为佳)的电力是由市电直接引入的，无需经过电转环，因此，要实现智能控制，需得将智能控制系统分成两部分(运动部分和固定部分)，与之相应的信息交互需设无线对接机构进行。

智能控制系统。智能控制系统是个分别系统，是本机器实施智能化种植的机构，主要由数字芯片及集成电路系统、信息机构(传感器)、控制电路(执行机构)、互联网信息交互接口等。

环架旋转的动力机构中对应的信息机构是码盘机构或编码环机构；编码环盘机构的是个单独机构，仅随轮架运动，二者间无实质性关联；设于滚轮轴上的码盘机构是个计数机构，通过环架转满一周时读数头的总计数值，换算出每个数值所对应的角度值；然后，再根据环架旋转的当前计数值，推断出当前角行程，由此控制环架每天的旋转量。

升降机构对应的信息机构设在立杆上，是多点位(至少为上下两个点)的竖向位置信息；对于动架多点停放的场景而言，一个动力机构对应多个信息机构；智能控制系统会依据运行逻辑和其他信息条件，指令电机采用哪两个(上下各一个)信息机构作为上下限启停。

水量标是灌溉阀、呼吸器、排水泵三个动力机构共用的信息机构；排水泵启动的条件是水量标的值不为零(即下限水位值)且积水超时限(运行逻辑中的时间规定)；呼吸器开启的前提是水量标的值为零；在灌溉时，若种植环水量提前(量水器未达到计量值)达到上限值，则智能控制系统会依据该信息提前关闭灌溉阀。

灌溉阀对应的信息机构是量水器和水量标(如前述)，智能控制系统会依据按运行逻辑选通灌溉支管，向种植环注水浇灌，当量水器达到计数值时发出信息，智能控制系统会依据水量信息关断灌溉阀。

上水阀对应的信息机构是水位标；当水环水满(或达到预先拟定水位值)时，发出信息，智能控制系统会依据该信息关断上水管供水。

下水标对应的是水槽水位信息，当水槽水满时，下水标发出水满信息，智能控制系统将选择水槽水源灌溉，对应打开水槽阀和抽水泵向水环注水；当下水标水位为零后，智能控制系统会同时关断水槽阀和抽水泵，再切换成自来水供应水环。

智能系统的控制指令和灌溉系统中的水环和种植环中的水位信息，是控制灌溉供水(自来水和水槽水源供水)的决定因素，但因环架是旋转的，信号不能采用导线直接传递；对此，可采用电转环导入动力电的方法，在环形框架中部的上水管(配有绝缘隔离措施)上设置多个(视信号数量而定)信息对接专用的电转环，各电转环代表数字信息的一个位，通过对各环通电、断电的控制，形成具有信息编码功能、并以机械机构的形式实现信息传递的机构(简称信息对接机构)，传递水位及其他信息和控制指令。

附图说明

附图中，曲线表示丝杠(丝杆)的螺纹或齿轮的齿牙；折线表示未将机构或构件完整画出；轴承是用‘□’中加‘×’的方式表示；在描述两个相咬合(啮合)的齿轮构件或螺纹构件时，常用两种方向相反的阴影线加以区分；未予全部编号标注。

图1：是机器的立体正面剖视图，表示本机器主要由底座、旋转机构、环架、升降机构、种植环、灌溉机构、动力机构、控制系统构成；底座是机器的安装基础，旋转机构驱动机器旋转，环架构成多层种植环的立体布局，升降机构调节种植环的高度位置，种植环盛放飞地土壤，动力机构电路机构为机器运行提供动力，控制系统决策和控制机器的智能运行。

图中，1代表底座水槽；2代表底环；3代表轮架；3.1代表行走动力，电机；3.2代表滚轮；3.3代表滚轮轴；3.4代表传动机构；4代表水轨；5代表齿环；6代表编码环；7代表调节螺栓脚；7.1代表代表螺栓脚上的防蚁水槽；8.1代表接入水槽1中的水源给水管。为方便描述，在图1中将构成机器的多个机构画在了剖切口处，实际构件机器时，应按说明说内容合理设置。

水槽1是截面呈U形的环形体，其底板上设置与水槽1同心的水轨4、齿环5、编码环6；

3.2安装在轮架3的底部，沿设于水槽1上的水轨4滚动行走，带动安装在轮架3上的底环2旋转；滚轮3.2的轮轴3.3通过轴承3.5安装在轮架3上。

旋转(行走)动力3.1安装在轮架3上，3.1的动力通过安装在轮架3上的变速机构(公知技术，描述从略(下同)；以动力3.1的主动轮和轮轴3.3上的从动轮，代表由动力3.1开始到滚轮轴3.3的传力过程)和从动轮3.4传动给滚轮轴3.3，3.3带动滚轮3.2沿水轨4行走；

设有防蚁水槽7.1的调节螺栓7设置在水槽1的侧壁或底板上，调节螺栓7下端支于地面上用以调平水槽1；水源给水管8.1设在水槽1的侧壁上，为水槽1补水。

图中，12代表定环；14代表变速箱；14.1代表同步带动力电机；16代表升降机构的螺母机构；16.0代表升降壳，是穿过飞地土壤保护丝杠丝牙的套筒；16.1代表连接堵；16.2代表皮带窗；16.3代表螺母；16.4代表轴承；16.5代表衬套(上下两轴承的支撑筒)；19代表动环；21代表顶环；35代表丝杠(在升降机构采用索链和齿轮齿条副作为提升设备时，则该丝杠替换为直杆)。

底环2、定环12、动环19、顶环21四个环同轴设置(若各环为非圆环的正多边形，则各环中心设置在同一条竖向的直线上)，底环2、定环12、顶环21由下到上分别设置在不同的高度，动环19(可以设置多个动环)安装在定环12和顶环21之间，若干呈中心对称的丝杠35穿过各环所设的丝杠安装孔，并与底环2、定环12、顶环21固定连接成一个刚性的环形框架(即环架)，动环19则通过升降壳16.0和螺母16.3与丝杠35活动连接，既可上下滑动，又能加强环架的结构稳定性和抗扭能力；在穿过动环19并与之呈固定链接的升降壳16.0中设置可旋转的螺母16.3，螺母16.3与丝杠35构成丝杠螺母副(即丝杠副)，螺母16.3通过轴承16.4安装在升降壳16.0中可旋转；螺母16.3上设同步带15的皮带槽，升降壳16.0上设套入同步带15的窗口16.2；同步带15透过窗口16.2套接在动环19的各螺母上同步驱动，各螺母则同步推动动环19上下运行，进而带动安装其上的种植环运行；电机14.1将动力输入给变速箱14，再由14传导给各丝杠副上的螺母16.3；升降机构16的螺母机构(细部参见图5)由升降壳16.0、螺母16.3、连接堵16.1、轴承16.4及两轴承之间的衬套16.5构成。

图中，9代表种植环；9.1代表固定种植环支架；10代表水量标；10.1代表渗气口；17.1代表活动植环支架；18代表透气板；44代表排水泵；47代表呼吸器。

种植环9主要由位于内圈的内壁板9.4(即内圈)、外圈的外壁板9.2(即内外圈)、水平设置的底板9.3(即底板)组成，截面呈U形，是个盛放飞地17的环形槽(简称U形槽)；在U形的上部设置连接内圈、外圈的刚性支架(下种植环支架9.1，上种植环支架17.1)，增强U形槽上口的稳定性和种植环的整体得刚性；透气板18架设在U形槽的底部，与底板9.3之间形成夹层空间(即夹层)，作为呼吸器47联通种植环内圈9.4、外圈9.2的联通通道；透气板18上排布设置透气孔，供水和气体上下流通，同时，透气板18上还设有吸水材料安装孔，吸水材料通穿过透气板18将夹层空间里的水输送到上部飞地17土壤中；可在吸水材料安装孔上另行安装套筒，使套筒接近底板，将吸水材料安装在套筒里固定；鉴于此，将安装孔周边的局部的板面直接做成漏斗形，并使漏斗口接近底板，则将吸水材料直接放进漏斗中即可，无需安装；漏斗型的吸水材料口，不仅改变了透气板18的平面形态，改善了透气板的平面刚性，若在漏斗上增设透气孔，还可增加土壤与空气的接触面；进而显见，通过向夹层中注入热风或通过透气板蒸发土壤水气，可调节飞地底部土壤温度。

呼吸器47安装在夹层中，两端分别安装在内圈和外圈的安装孔中(细节详述另见图7)。

图中，22代表水环；22.1代表水环的外壁(即外筒)；22.2代表水环的内壁(即内筒)；22.3代表水环的底板；23代表控水器；24代表水位标。

内筒22.2、外筒22.1、底板22.3构成截面呈U型的环形槽(即水环22)，水环22的底板22.3上设置灌溉水控制器(即控水器23)和检测水环22中水位的传感器24(即水位标)。

图中给水，8代表水阀；8.1代表水源；8.2代表防蚁构造；8.3代表上水管；8.4代表水源安装架。

水源管8.1接到给水阀8上，上水管8.3由水阀8向上送水并通过弯管将水引到水环22中，8.4是水管和水阀的安装架；安装架8.4既可设置在地面上，也可安装在水槽内壁上。

图中，20.1代表智能控制系统的监测器，是采集下层植物生长信息的传感器；20.2代表智能控制系统的补光器，是向下照射(补充)植物生长所需光线的动力机构；20.3代表动环19上行时的上限传感器，当动环19上行至上限时，传感器20.3被触发并向智能控制系统发出上限信息，控制系统则关断动力14.1的上行电路，动环19及安装其上的种植环随机停止在当前位置；20.4代表动环19上下行时的下限传感器，当动环19下行至下限时，传感器20.4被触发并向智能控制系统发出下限信息，控制系统则关断动力14.1的下行电路，动环19及安装其上的种植环随机停止在当前位置。

图中，45代表灌溉阀；46代表灌溉管；47代表灌溉支管安装架；48代表灌溉总管；灌溉系统主要由控水器23、总管48、灌溉阀45、支管48组成，灌溉某个种植环时，先打开控水器23，使灌溉水流过已经对应选通的灌溉阀45，在顺着灌溉支管46送入种植环中；当该种植环的供水量达到数值时，控水器23向控制系统发出完成供水信号，控制系统据此指令控制电路关断灌溉阀45的电源；灌溉阀45分别设置在各支管上，当支管所对应的种植环需要灌溉时，需先选通该支管的灌溉阀，然后再由控水器计量供水。

除利用控水器23的完成供水信号关断灌溉阀45外，设置在种植环里的水量标10是另一个控制关断灌溉阀45的条件，即在种植环里的水量会因其他因素提前已达到上限值，而控水器23的计量值尚未达到，此时控制系统可据水量标10的信息此指令控制电路关断灌溉阀45的电源；对于关断灌溉阀45而言，控水器23信息和水量标10的信息是相‘或’的运算关系。

水量标10的信息，不仅用以检测种植环里的水量，而更主要的是检测种植环底部土壤和夹层中的水量信息，同时检测积水浸泡时间的信息；当积水浸泡时间超过限值时，水量标10产生积水超时信号，控制系统可据水量标10的信息指令开启排水泵44排水；当积水排除后，水量标10则会产生水量为0的信息，控制系统可据此信息指关断排水泵44电路；水量标10水量为0的信息，还是呼吸器开启的条件，此时控制系统可根据需要打开呼吸器，使外部空气进入夹层中。

图2：是齿环防滑齿轮机构的断面示意图，是局部断面图。

表示防滑机构的扇形齿的齿环设置在水槽底板上，锥形齿轮设置在滚轮架的一侧，齿环和齿轮啮合构成齿轮副，防止滚轮打滑。

图中，1代表水槽底板；3代表安装滚轮的轮架；3.3代表滚轮轴承；5代表齿环；25代表安装锥形齿轮的机架(简称侧架)；26代表锥形齿轮；27代表锥形齿轮的轮轴；27.1代表轴承；28代表设置在齿环5两侧的肋，该肋分为内外两个圆环，外内圆环外内接于齿环5上，内圆环内接于齿环5上，两环形肋相对；28.1代表内肋；28.2代表外肋；28.3代表内肋挡沿；28.4代表外肋挡沿；29代表夹持轮轴；29.1代表上夹持轮；29.2代表下夹持轮；30代表设在滚轮架上的滚轮变速机构的某个轮轴；31代表轮架上的挑板(简称轮架耳板)；31.1代表下卡钉；31.2代表上卡钉；32代表侧架耳板；32.1代表卡钉窗；33代表联轴器。

侧架25是一个到U型的机架，一侧设有耳板32，耳板32上设有供上卡钉31.2和下卡钉31.1穿过的卡钉窗；轮架耳板31设置在轮架3一侧，由两块平行的板构成，用以夹住侧架25的耳板32；耳板31上设上下两个与侧架25的耳板32上的卡钉窗对应的卡钉31.2、31.1；卡钉窗略大于卡钉尺寸，卡钉在卡钉窗内有微量平面自由度，即允许侧架25相对轮架3有微量的上、下、左、右活动范围，用以调整水轨与齿环之间的距离误差。

锥形齿轮26设置在侧架25的上部(锥形齿轮26的尺寸需得适当，必须保证齿轮26和滚轮(不打滑运行)相对于水轨中心运行的角行程相等)，锥形齿轮26啮合于齿环5的上方；侧架25的下部设两个下上下相对(一组)的夹持轮29.1、29.2(沿侧架25弧线方向设前后两组)，其轮轴为29；为与侧架25上的夹持轮对应，在齿环5的中部设内外两个环状的肋28.1、28.2，位于齿环5两侧的上下夹持轮分别夹住肋28.1、28.2，约束侧架25的竖向自由度；环状肋28.1、28.2在外侧沿设高差台阶，将夹持轮挡在台阶外，由此约束侧架25的径向自由度；28.3、28.4分别代表肋28.1、28.2的内外台阶；至此，使侧架25稳定在齿环5上。

联轴器33用以传导变速箱轮轴上的旋转动力，并消除侧架25和轮架3之间的偏差。

在上部荷载较轻时，将本机构的锥形齿轮和滚轮组合成一个机构，即用两个滚轮夹住齿轮(同轴)形成一个综合轮，再将水轨设置成与综合轮对应，则可形成齿轮以驱动和防滑为主、滚轮以承载为主的组合形式，可简化旋转机构；若综合轮为‘凸’字形时，则水轨做成‘凹’字形，若综合轮为‘凹’字形时，则水轨做成‘凸’字形相对。

说明书中所述的编码器的读数机构，也需精准的卡设在编码环上，故本防滑机构可用于编码器上。

图3：是同步螺母机构的示意图，是仰视图。

14代表螺母从动轮，是带动螺母16.3旋转的齿轮；14.1代表旋转动力，是驱动从动轮14的动力源；15代表同步带；16代表螺母；19代表动盘；35代表丝杠。

螺母16通过升降壳安装在动盘19底部；螺母从动轮14安装在其中一个螺母上，从动轮14与安装在动盘19底部的旋转动力上的主动轮14.1啮合获取动力；同步带15套接在呈中心对称的各螺母上，并将同步旋转动力传导给各螺母；螺母16与丝杠35组成丝杠螺母副，螺母16通过旋转推动自身上下运动，同时，螺母16通过安装壳带动动环19运动。

图4：是表示以齿轮齿条副的方式驱动种植环升降的局部机构示意图，齿轮齿条副部位的局部正面剖视图。

9代表种植环；14.1代表同步动力机构；19代表动环；35代表直杆(替代原丝杠副升降机构中的丝杠)；41代表同步机构安装架；42.1代表右侧齿轮齿条副的爬行齿轮；42.2代表左侧齿轮齿条副的爬行齿轮；43.1代表右齿条；43.2代表左齿条。

齿条43.1、43.2分别安装在直杆35的左右两侧，直杆35同时作为动环19上下滑动的导杆；爬行齿轮42.1由同步动力14.1直接驱动，爬行齿轮42.2由爬行齿轮42.1同步传导间接获得动力(爬行齿轮42.2、42.1同规格)；同步动力机构14.1由安装架41设置在动环19上，爬行齿轮将齿条的反向推力通过安装架41传递到动环19上，并推动动环19作上下运动，进而由动环19带动种植环9运动。

图5：是采用双丝杠副升降机构的示意图，是按沿径向剖切的正面剖视图，表示环架的立杆是由两条平行且互为反向丝牙的丝杆组成。

9.1代表间隙；15代表同步带；16.0代表双丝杠螺母的机座；16.7代表正丝螺母；16.4代表轴承；16.6代表反丝螺母；16.8代表护套盖；19代表动环；35.1代表正丝杠；35.2代表反丝杠；36.1代表螺母主动轮；36.2代表螺母从动轮。

双丝杠副升降机构的安装座主要由机座16.0、护套盖16.8构成，机座16.0托住动环19，护套盖16.8设于机座16.0的上方并压住种植环9；正丝丝杠35.1设在与丝杠吻合的螺母16.7(简称正向螺母)中，反丝丝杠35.2设在与丝杠吻合的螺母16.6(简称反向螺母)中；两个规格相同且相互啮合的齿轮36.1、36.2分别对应的设置在正向螺母16.7、反向螺母16.6中，各自作为对应螺母的驱动轮；同步带轮皮带轮15.1安装在正向螺母16.7上，同步带15套接在皮带轮15.1上；皮带轮15.1将同步动力传导给皮带轮15.1，皮带轮15.1带动正向螺母16.7和正向螺母16.7旋转；安装在正向螺母16.7上的齿轮36.1通过啮合将动力传导给齿轮36.2，齿轮36.2带动反向螺母16.6旋转；正向螺母16.7与丝杠35.1构成丝杠副，反向螺母16.6与丝杠35.2构成丝杠副；正反向螺母同步旋转，同步推动自身产生上下运动，并共同带动动环19产生上下运动，继而形成种植环的运动。

因正反螺母对安装座产生的转矩相互抵消，故可消除或减小环架的转矩危害。若采用丝杠旋转(将丝杠两端分别安装在定环和顶环上，驱动机构设在顶环上)的方式，也可消除矩危害，但此法是将升降机构独立出来(即专设升降机构)，未能利用环架上的立杆资源。

就采用正反螺母消除或减小环架的转矩危害的措施而言，将正反两个螺母顺圆周设置，能使两个螺母所对应的丝杆和顶架、定架构成顺动架旋转方向的刚性框架，以该框架抵消动盘旋转所产生的反坐力更有效。

图6：是电转环机构的局部示意图。图中只表达主体内容，省略了安全防护措施、配套构造等内容。

12代表定环；35代表丝杆；35.3代表中线圆；37.1代表画面右侧的伸缩架；37.2代表画面左侧的伸缩架；38.1代表相线触头；38.2代表零线触头；39代表圆环(两个触头上下排列)；40代表给水管。

圆环39设在环架中心部位，由固定电源引来的线路顺给水管40引至圆环39上；点触头38.1安装在伸缩架37.1上，伸缩架37.1固定于定环12上，伸缩架37.1的悬挑端部对准环架中心(给水管40位置)，悬挑端部相对定环12有一定的弹性伸缩能力；相线点触头38.1与圆环触头(位于下方的环)接触，将套设在给水管40外固定的圆环触头的电引到旋转的环架上，电触头和圆环呈滑动接触；零线点触头38.2安装在伸缩架37.2上，触头38.2与圆环滑动接触，将环架的回路电路与零线圆环(设于上部)连接，完成环架的回路。

图7：是呼吸器的构造示意图，是正剖面图。

呼吸器是在智能控制系统的控制下自动运行的设备，故本文中电路、行程传感器等机构的描述从略。

14.0代表设于密封构造的电机轴；14.1代表主动轮；14.2代表机架；14.3代表呼吸腔；14.4代表左活塞；14.5代表左丝杆；14.6代表左气口；14.7代表左卡钉；14.8代表轴承；14.9代表从动轮；14.10代表灌溉口；14.11代表电机；14.12代表密封电机安装位；14.13代表水气口；14.14代表右活塞；14.15代表右丝杆；14.16代表右气口；14.17代表右卡钉；14.18代表机壳；14.19代表推拉轴。

呼吸器运动机构的机架14.2设置在机壳14.18中；运动机构的主动轮14.1安装在电机14.11的电机轴14.0上，电机14.11安装在机架14.2设有密封构造的安装位14.12里，电机轴14.0安装在机架14.2设有密封构造的轴孔里；推拉轴14.19安装在机架14.2下方的轴承14.8中，推拉轴14.19的中间安装与主动轮14.1啮合的从动轮14.9，推拉轴14.19的两端分别设有旋转方向相反的丝牙(左丝杆14.5、右丝杆14.15)；呼吸器的两个呼吸口设在机壳14.18的两端(左气口14.6、右气口14.16)，呼吸口中设有活塞(左活塞14.4、右活塞14.14)，活塞上设有卡钉沟槽；设在机壳(或运动机构机架)上的卡钉(左卡钉14.7、右卡钉14.17)伸进活塞沟槽，约束掉活塞的旋转自由度，使其只能沿呼吸口左右滑动。

需要开启呼吸器时，电机14.11通过电机14.11带动主动轮14.1运转，主动轮14.1驱动从动轮14.9运转，从动轮14.9带动推拉轴14.19旋转，旋转的推拉轴上的左丝杆14.5和右丝杆14.15分别和左活塞14.4、右活塞14.14上的内牙咬合驱动，将左活塞14.4拉向右、右活塞14.14拉向左，解除对呼吸口的封堵，使外部空气通过呼吸口流进呼吸腔14.3中，再从呼吸腔14.3经水气口14.13流进夹层中。

需要关闭呼吸器时，则进行与开启呼吸器相反的动作，即使电机14.11反转动，通过一系列上述开启的反动作，最后使活塞滑入并堵住呼吸口，切断夹层与外部空气的通道。

种植环灌溉时，需得关闭呼吸器。呼吸器关闭后，灌溉水先由灌溉口14.10流入呼吸腔14.3，再从水气口14.13流进夹层，再从夹层向上部土壤渗透和浸泡。

图8：是行走机构的剖面示意图；表示滚轮和锥形齿轮同轴组成一个综合滚动轮，安装在轮架下部，轮架安装在底架下并对正上部的立杆；同步机构的皮带轮和变速机构的蜗杆与电机(与其他行走机构共用该电机)同轴，同步机构的同步带套设在同步轮上获取电机电力，变速机构的蜗杆与涡轮咬合传动变速；涡轮与综合滚动轮同轴设置，将电机动力(其他行走机构为同步带传动)传递给综合滚动轮；蜗杆和同步轮可设机座安装，本图从略。

2代表底架；3代表轮架；3.2代表滚轮；3.3代表轮轴；3.5代表轴承；3.6代表锥形齿轮；35代表立杆；49代表读数头；50代表同步机构电机；51.1代表同步带轮；51.2代表同步带；52.1代表蜗杆；52.2代表涡轮；53代表编码盘。

3代表轮架安装在底架2的下方，并与底架2上方的立杆35上下对正；左右两个滚轮3.2中间夹住锥形齿轮3.6并共用轮轴3.3；轮轴3.3通过轴承3.5安装在底架2的下端；同步机构的电机50安装在轮架3上，同步带轮51.2和蜗杆52.1共用电机轴，同步带轮51.2位于蜗杆52.1的上方(在皮带拉力或涡轮推力较大时，应设机座安装)；同步带51.2套接在同步轮51.1上，向其他行走机构传递同步动力；涡轮蜗杆机构将电机动力变速后，通过安装在轮轴3.3上的涡轮52.2将动力传给综合滚动轮并驱动其滚动；各行走机构同步滚动前行，带动环架沿水轨旋转。

图9：是采用链条(或绳索)机构构成升降系统的示意图，是局部正面剖视图。表示链条(或绳索)机构依据环架支撑，通过卷升或释放链条，牵拉着动架升降；同时，将动力同步传递给其他链条(或绳索)机构，共同升降动架，组成升降系统。

19代表动架；21代表顶架；35代表立杆；54.0代表同步动力的电机；54.1代表同步带；54.2代表卷升变速机构；54.3代表链轮(或绳索卷筒)；55代表平衡锤；56.0代表上约束滚轮；56.1代表动架上设置的立杆孔；56.2代表约束轮的轮轴；56.3代表约束轮安装架；56.4代表约束轮挑出的边沿；57.0代表链条；57.1代表链条的固定件；57.2代表动架19上的连接件。

链条升降机构的变速机构54.2和链轮54.3设置在顶架21上，链轮54.3上套接着链条57.0；链条57.0一端连接平衡锤55(若将右端链条固定在立杆上，可省略平衡锤)，另一端用固定件57.1与动架19上的连接件57.2连接；链轮54.3旋转卷升或释放右边的链条，从而带动动架19升降；动架19顺立杆35滑行；动架19上设置立杆35的穿行孔56.1，滚轮架56.3固定设置在动架19上，并位于穿行孔56.1处；约束轮56.0通过轴56.2安装在滚轮架56.3上，约束动架19向左的位移(向右的约束，由另一个升降机构完成)；约束轮56.0设有挑出边沿56.4，约束动架19前后方向的位移。

同步动力的电机54.0设置顶架21上，分别向变速机构54.2和其他(通过同步带54.1传动)同步机构提供动力；变速机构54.2通过链轮54.3输出卷升动力；若电机54.0未带输出锁死机构，则需变速机构具有锁死功能，避免顶架自动溜车滑动。各升降机构同步卷升或释放链条，由此实现顶架的平稳升降，进而带动动环上下运动。

具体实施措施：

以图1为模型，忽略编码器、呼吸腔、传感器、电水阀、排水泵等电子信息机构和自动运行机构。

一、旋转动力机构及水轨的制作：

选用图2所示的啮合防滑机构的构造方式作为环架的旋转推动机构(即旋转动力机构)，图2中的虚线所表示的构件是本实施措施中的滚轮，以两个滚轮中间夹着锥形的齿轮(简称锥齿轮)组合成一个的滚动构件，且滚轮直径大于齿轮，即形成一个(径向截面)为呈上下‘凹’字形的滚轮(简称滚轮组)。

图2所示的齿环的内肋28.1、外肋28.2作为滚轮的轨道，齿环的齿牙与锥齿轮啮合；将齿环内肋、外肋一下的部分去掉，即以内肋、外肋兼作齿环的下部安装座，将齿环安装在水槽中作为水轨，此水轨的截面呈‘凸’字形；侧架作为锥齿轮轴27为滚轮组的安装架，去掉图2中夹轮轴及其下部的侧架部分(以机器自重保障锥齿轮和齿环的啮合)，即只保留侧架的上部作为旋转动力机构的机架。

将图2中的联轴器33替换成动力电机和变速齿轮组(本文中，公知技术的描述从略)，变速齿轮组的输出齿轮安装在锥齿轮轴27上，其他变速齿轮和电机均安装在侧架25上，电机上的主动轮与变速齿轮组的输入齿轮啮合，电机动力通过齿轮组传递给锥齿轮轴27；锥齿轮轴27带动滚轮组沿齿环5滚动，进而带动环架旋转。

侧架25的上面与底环2固定连接，作为环架的支撑脚和旋转施力点。

A、水轨和滚轮组规格尺寸的确定。

设水轨(即齿环)的内径为

外径为

内滚轮的直径为D1、外滚轮的直径为D2、锥齿轮直径为D3，齿环高度为H2(齿牙分度圆)；

D1、D2、D3均指构件的外缘尺寸。因滚轮和、水轨、齿环、编码环等构件长期浸泡在水中，故制造材料选取和加工工艺都应考虑使用过程中的防腐问题。

水轨是环架支撑脚的轨道，水轨圆环的大小，影响着各支撑脚所围成的平面的大小。若水轨圆环太小，会影响环架的稳定性；另外，水轨圆环的大小，也会影响动架、定架和种植环的大小，若水轨圆环太小，则会造成种植环中心区的透光透气性差，影响植物生长；综上所述，圆环太小，会造成环架失稳和种植环透光透气性差，这与本机器的设计初衷不符，故应尽量使水轨大一些。

滚轮组的内滚轮、锥齿轮、外滚轮同步滚动(角行程相等)，但各自所处圆环的圆周不同，为保证滚轮组的滚动轨迹呈圆形，则需使内滚轮、锥齿轮、外滚轮滚动的线速度逐个变大(按图2所示，设环架的中心在左侧)；因此，必须使内滚轮D1、外滚轮D2、锥齿轮D3的直径逐个变大。

水轨与滚轮组对应，故需内肋28.1、齿环5、外肋28.2由高变低，以保证滚轮轴27(即图2的锥轮轴)水平，即由此保证各轮处于直立状态滚动。

因各轮直径不等且(拟定)滚轮轴27水平，故滚轮组中的各轮所对应的轨道(内滚轮对应内肋28.1、锥齿轮对应齿环5、外滚轮对应外肋28.2)的高度，需要对应的由高变低。

若从滚轮组的轨道(即外肋28.2)端连线滚轮轴27延长线与环架的轴心线的交点，则该线是由外到内抬起的斜线(该线的回转扫面是个圆锥)，故滚轮组的各轮及其对应的轨道均应按该斜线的斜率设置，即各轮均是顶端位于环架中心线上某点的平置的圆台体；相应的，各轨道均顶端则是位于环架中心线某点的竖向的圆锥的锥面上，若设内肋28.1高度为H1、外肋高度为H3，则有H1、H2、H3处在同一条斜线上。

在制作滚轮组前，还需拟定各滚轮的(圆台)高度(即厚度)，然后使轨道宽度与之对应；同时，内滚轮外端面的延长至肋挡沿28.3的圆周，则是一条割线，故所拟定的内滚轮尺寸，不应触碰到肋挡沿28.3。

内滚轮的直径不仅受齿环齿顶圆周的限制(分度圆与内外轨道在同一锥面上)，而且还受轨道沿28.3的制约；在保证滚轮组不产生径向滑动的前提下，轨道沿的高度越小越好；同时，将内滚轮边缘进行圆角，也是在小尺度范围调整轮径的有效方法。

因为滚轮轴可看作一条水平线，而水槽底是个水平面，故滚轮组各轮半径与所对应的轨道高度之和相等，即D1/2+H1＝D2/2+H2＝D3/2+H3。

B、在侧架25上设与底环连接件的或连接构造。

C、若设环架由4个呈中心对称(各分担底环圆周的1/4)的滚轮组支撑，则宜设置2个主动旋转且相对的滚轮组(简称主动滚轮组)。

设一过环架轴心的连接杆件，将两个主动滚轮组链接在一起(兼做加强底环圆周的功能)；在连接杆上安装1条传动轴，将设有动力电机的滚轮组的滚轮轴27上的旋转动力传递到对面从动的滚轮组；传动轴和滚轮轴27采用齿轮啮合传力，由此使传动轴避开环架轴心轴位置(躲开水管8.3所需空间)；为实现两个滚轮组同步驱动，须在传动轴的1端设置转向齿轮，使两个滚轮轴的转动方向相同。

另外两个滚轮组为跟随，故可省略锥轮。

D、按上述方法制作水轨，水轨内径(肋挡沿)

外径

E、水槽底板圆环的内小于

外径大于

(具体尺寸，按蓄水需求拟定)；按内圆、外圆周长(留出连接余量)裁制长条板并弯制成圆环，分别将圆环安装在底板圆环的内圆、外圆上，形成牢固且能蓄水的水槽。

F、拟定环架底环的规格，并制作。

G、分别将两个(链接在一起的)驱动滚轮组和另外两个随动滚轮组安装在底环上，使各滚轮处在同一锥面上，形成一个旋转底盘。

H、将底盘安装到水轨上，试运行并调整误差等。

二、环架的制作

拟定机器定为2层种植环，即一层(上层)为动环、另一层(下层)为定环；灌溉系统共用水环。

设丝杆的总长度为H4，其中丝杆长度为H5，丝杆与顶环采用丝接，丝孔深度(即顶环厚度)为H6，直杆与底环之间采用插孔焊接，孔深(即底环厚度)为H7；动环的活动滑动范围为H8.

A、综合考虑种植环自重、环架自重、水环自重及其蓄水量、水平风荷载等因素，选取适当规格的丝杆作为立杆、合理的板材(材质、厚度)制作为动环和顶环(底环在第一条F中已完成制作)，使拟构建的环架既有竖向承载能力，又具足够刚性，即保证在使用过程中不变形、不摇摆晃动。

所选丝杆的螺纹长度H5＝H8+H6+升降壳高度+升降壳顶至顶环距离

选定丝杆后，即可在底环上设插接孔(对准滚轮轴为最佳)，顶环上钻孔并开丝牙，以候下一步组装。

B、制作升降壳和同步轮机构。

如图1所示，同步轮设在升降壳内，同步带驱动各同步轮旋转。安装同步轮的升降壳插接在动环上，其向下挑出部分安装同步轮，同步轮上设皮带槽；因皮带会对升降壳下挑部分产生向环架中心挤压力，故皮带槽越靠近动环越能减小皮带压力对升降壳所形成的力矩，即皮带压力越不易造成升降壳乃至动环的变形，故一套同步机构的规格指标为：

同步轮(螺母)长度＝皮带宽度+轴承高度×2+皮带槽与轴承距离×2

同步轮(螺母)直径＝丝杆直径+皮带槽深度×2+槽底与丝杆距离×2

升降壳长度＝同步轮高度+种植环高度+连接堵高度+壳厚度(近似于)

升降壳外径＝同步轮安装轴承外径+壳壁厚×2

连接堵1件，衬套筒1件，根据丝杆规格开同步轮内丝牙，根据皮带高度和位置在升降壳上开90°＜100°≤的皮带窗。

先选购商品轴承(轴向和径向力兼具的深沟道轴承为宜)和皮带，然后，根据轴承规格确定同步轮和升降壳的径向尺寸，根据皮带和轴承高度确定同步轮和升降壳的轴向尺寸。

根据上述尺寸指标和公知的构造要求，分别制作各构件，然后组装成一个同步轮机构，并将丝杆旋入螺母中测试；要求丝杆副旋转顺畅，上下推动有效；对应螺母和升降壳旋转灵活不松动，且皮带槽宽度适宜。环架设4个立杆(丝杆)，故需配置4套同步机构。

C、将动力电机、变速机构设在动环上，变速机构的输出轮为同步带轮。将4个同步机构固定安装在动环上，并将同步带套接在同步机构和动力输出轮上试运转，以皮带循环转动顺畅、不跑偏和同步有效为准。

D、环架组装：

依序将丝杆安装在底环孔中。

将动环和同步机构从上部与各丝杆对接并驱动同步带带动螺母旋转，同时带动动环下降到丝杆1/2高度位置停下。

将连接丝杆和顶环的螺母分别旋入丝杆上端，调节各螺母的上端，直至各螺母的上端平齐。

将各螺母插接到顶环的安装孔中。

校正各立杆的垂直度，并再次开启同步带，查看上下运行是否顺畅，若顺畅无误，则可将直杆固定在底环上；再次开启同步带，查看上下运行是否顺畅，若顺畅无误，则可固定丝杆与顶环的连接，至此，环架成型，并且还连接完成了环架的动力旋转机构。

三、种植环制作：

种植环是安装在定环和动环上盛放飞地的槽，就本例而言，可将种植环等分成4段，在定环、动环上连接成整体的环并固定在对应的环架上。

A、拟定种植环内、外径尺寸，裁出环形的种植环底板；并制作4个升降壳安装孔(底环为螺栓杆孔)及对应环架的固定安装孔；

B、拟定种植环高度、夹层高度和呼吸口分布位置(数量和孔径)，并分别对应种植环底板的内外周长裁制板条，在夹层位置制作呼吸口，弯制种植环的内圈、外圈壁板；预设排水管等需要穿过底板的设备控；

C、将种植环的内圈、外圈壁板和底板连接成一体，形成径向截面为U型的环，对连接缝做防渗防腐处理；

D、根据种植环内圈、外圈壁板的尺寸裁制透气板，拟定并制作透气孔、吸水材料安装孔，对应底板制作升降壳安装孔(底环为螺栓杆孔)；将吸水材料安装孔周边板面冲压成漏斗状(用以替代透气板加强肋；直接将吸水材料填进即可，简化安装工序)，并在漏斗底沿切割成梯形齿状(透气、透水)。

将透气板安装在U型环里，使漏斗底支撑于种植环底板上，透气板与内圈、外圈固定连接；

E、过4个升降壳安装孔中心沿种植环径向将种植环分割成4段；

F、拟定种植环支架数量(至少4个，即4段的连接口各设1个)，按已成型的种植环宽度裁制支架；支架呈U形，中间躲开升降壳(和栓直杆)，两端分别连接两端种植环；

G、将种植环(4段)安装在动环(底环)上，将支架安装在U形槽的上口，支撑和加固种植环上部；密封种植环段之间的接缝。

四、水环和灌溉系统：

水环的制作安装过程与种植环类似，除连接孔、灌溉管道孔外尽量不设孔(减少防渗漏工作量)；因水环位于环架顶端，故做成整环安装即可(无需分解)；同时，也因水环的整体性较好，其支架也可适当减少。

A、购置适量给水管、排水管；给水三通1件，给水管弯头1件；灌溉管三通1件；购置手动给水阀2件、灌溉截阀2件；购置给水浮球阀3件；购置常开行程开关3件，LED灯3件及适应的电线、电源；对应制作呼吸口数量，制作堵塞。

B、参照图1，对应水环上的灌溉孔位置并按照水管、水阀规格，制作并在顶环上安装灌溉总管和灌溉支路水阀的安装架；

设一灌溉总管，一端安装在水盘的灌溉孔里，另一端安装灌溉管三通，设置成两条灌溉支路；灌溉支路上各设置一个灌溉截阀，控制通往种植环支管的通断；

通往动环(动种植环)的支管将水送至种植环顶部(种植环上下滑动，距离不定)，在借助导管导入夹层；通往底环(定种植环)的支管可直接插入(水环到夹层的距离固定)夹层，将灌溉水直接导入；输入灌溉水前，需用堵塞堵住各呼吸口，防止灌溉水漏出；堵塞堵住各呼吸口的动作，相当于制动系统的关呼吸腔动作；

种植环的浇灌采用选通方式，即开启拟灌溉的种植环支路，关闭其他种植环支路；各种植环分时段使用水盘；灌溉水注满夹层后，由透气孔和漏斗口继续向上升起，浸泡飞地土壤。

C、参照图1和图6，以水槽内环(或底板)为支撑，采用固定构造(或措施)将上水管和给水阀安装在环架中心位置；给水阀下部连接自来水管；上水管设利用三通设给水分支，将水槽抽水机的水管接入上水管，作为自带水源供水(若需从自来水源向水槽供水时，还需在分枝上增设一个截阀)；上水管高度超过水环后，将水管折弯(弯头连接)伸至水环上方，使水流落入水环中；在三通以上设置电转环机构。

D、设动环需要1.5水环的水量，底环需要1环的水量。

将1件浮球阀正向安装在水环里，浮球截阀的截止位置设在水环水位上限位置(即1环水量)。

改造浮球截阀下压的顶端(去掉给水管；设阀杆是支点位于中部的杠杆)，在该端设置拉杆(或拉线)与固定安装在水位以上的行程开关相连；LED、电线和电源组成用电回路，再将行程开关设在电路中。

当水环水位上升至水位上限时，常开行程开关接通，LED等得电点亮，发出水环水满的信息，人工关掉自来水给水阀(或抽水泵)，由此实现1环水量的供水。

在自动控制和智能控制灌溉系统中，LED点亮相当于传感器信息，人工关水相当于执行机构关断常闭电动阀电源和切断抽水泵电源。

将另1件浮球阀反向安装在水环里，浮球截阀的截止位置设在水环半水位上位置(即0.5环水量)；改造浮球截阀下压的顶端(去掉给水管)，在浮球阀的同侧(相对支点)设置拉杆(或拉线)与固定安装在水位以上的行程开关相连；其余同上述的1环水量做法。

在0.5环水量灌溉时，当供水满盘后，开启灌溉阀向种植环供水，当水位下降至半截时，杠杆在自重和浮球重力的作用下下沉，带动拉杆接通LED灯，发出半环灌溉水量信息，人工关断灌溉阀，即实现0.5环水量灌溉。

按上法，将第3隔改造成浮球位于水环底板的情况，可得水环无水的信息。

用满盘水灌溉时，若该信号系统的LED灯点亮时，说明整环水已放空，从而实现1环水量灌溉的目的。

五、动力系统和信息机构

本机器是基于智能控制理念而设计的，故动力系统和信息机构都是数字系统的一部分(非本发明内容)，信息机构是智能控制决策的依据，动力控制机构执行智能决策而使机器产生具体动作。

动力控制机构是智能机构的控制下的控制电路，以较小的电能控制动力电路的通断，间接控制电力设备，这与人工控制下的电力设备的运行并无二致，故此，本机器无论是在人工控制还是自动系统控制，均可运行。

使用人工控制本机器时，通过对在种植环、水环设透窗和标志的观测，即可判断下一步该进行何种机械动作，比如开阀灌溉、截止灌溉、积水排放、呼吸腔开关、环架旋转等。

Claims (19)

1.一种农业机器，是适于智能控制的种植设备，以底座、环架、种植环为基础架构，配以从属的升降机构、灌溉系统、智能控制系统，即可形成完备的种植功能，其特征在于：机器主要由底座、环架、种植环、水环、旋转系统、升降系统、灌溉系统、智能控制系统等组成；

底座是机架的安装架，安放在地面上，主要由水槽、水轨、齿环、编码环、下水标、螺栓脚组成；水轨、齿环、编码环三者同心，居中设置在水槽里；螺栓脚用以调平底座；下水标为智能控制系统是否选择水槽水源提供信号依据；环架是一个筒状的框架，用以安装种植环和水电系统，主要由底架、定架、顶架、动架、立杆构成，底架、定架、顶架、动架是环形的平面刚架，立杆是竖向的刚性直杆；底架、定架位于下部，顶架位于顶部，立杆由下向上依次固定连接底架、定架、顶架构成一环形的刚性框架；动架通过连接机构安装于刚性架的上部并可上下滑动；底架下面安装旋转系统，上面连接立杆；定架位于底架上部，构成刚性框架中下部水平的环形支撑；顶架构成刚性框架中顶部水平的环形支撑；底架、定架上安装种植环，顶架上安装水环；旋转系统主要由行走机构、同步机构、电机动力组成；行走机构安装于底架，其综合滚轮沿水轨行走，同步机构将电机动力传递给各行走机构，驱动环架沿底座旋转；种植环是个由内圈、外圈、底板构成的环形的槽，分为动环和定环两种；种植环是飞地土壤的安放架；种植环底部设有透气板，透气板与种植环底板之间形成空气夹层；夹层中设有呼吸器、排水泵和智能控制系统的水量标；同一环架上可设多个定环和动环；动盘设升降设备的安装位，在升降系统的驱动下动盘可沿立杆上下滑动；呼吸器用以联通夹层与外部空间，增加飞地土壤的透气性；排水泵用以排放种植环中积水；采用丝杠螺母副机构构成的升降系统中，丝杠的上端固定在顶架上，下端固定在定架上，螺母安装在动架上；在动力驱动下螺母旋转，推动自身和动架上下运动；同步机构和驱动电机设置在动架底面，同步带套接在各升降机构的同步轮上，使各升降机构同步运行，进而带动动架和动环平稳升降；

灌溉系统用以灌溉种植环中的飞地，其水源为下部的自来水和水槽蓄水，通过上水管注入水盘中；自来水和上水管之间设给水阀，水槽蓄水通过水槽泵输送到上水管中，水槽泵与上水管之间设水槽阀；给水阀用以选通自来水作水源，水槽阀用以选通水槽蓄水作水源；灌溉系统主要由量水器、灌溉总管、灌溉支管、选通阀构成；灌溉总管前端连接量水器，后端连接灌溉支管，灌溉支管上设选通阀；选通阀用以选通拟灌溉种植环所对应的灌溉支管，量水器用以定量向种植环供水；动力机构的电力，经电转环由底座引入环架上，电转环主要由固定的环形触头和设于环架上的点触头组成，旋转的点触头和固定转环呈滑动接触导电；

水环中设有水位标，用以监测水环中的水位和注入水量，作为开关上水管的依据；种植环中的水量标是灌溉系统分布在各种植环中的水位传感器，为排放积水、开启呼吸器以及提前关断灌溉阀提供信息依据；植盘中所设的排水泵，是灌溉系统的排水机构，用以排放积水；

水盘所设的水位标，是灌溉系统中给水系统的水位传感器，水盘所设的量水器，是在智能控制系统下向种植盘供水的计量器，实施按量灌溉；编码器是智能控制系统中确定机架实时角度位置的设备，编码盘设置在机架筒下端，读数头设在脚盘上。

2.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：动环取消了升降机构，种植环全为定环。

3.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：种植环是底板和透气板连接在一起，形成复合构造的种植环。

4.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：种植环是透气板的吸水材料安装孔变形成了漏斗面或柱面的种植环。

5.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：种植环是底部仅设一透气板作底板，形成自然排水和透气的种植环。

6.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：升降机构的立杆是由两条相互平行且螺纹方向相反的两条丝杠组成的，而两个螺母通过各自所带的啮合齿轮同步反向旋转。

7.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：升降系统是采用齿轮齿条副升降机构成的。

8.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：升降系统是采用链条或绳索牵拉升降机构构成的。

9.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：环架是定架和底架被定环底板替代、动架被动环底板替代、顶架被水环底板替代而构成的框架。

10.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：环架是定架、底架、动架被定环底板替代的框架。

11.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：灌溉系统是不设水环及其相应的灌溉管的直灌系统。

12.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：环架的筒状框架是由底架、顶架、动架、立杆构成的框架。

13.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：顶架上的水环替代为定环。

14.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：顶架仅作为筒状框架的构件和水电管线的安装架。

15.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：种植环是由多段弧形拼装而成的。

16.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：水盘灌溉系统中的水环分成了蓄水、种植两部分；蓄水部分用于灌溉系统，种植部分当作定环。

17.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：筒状框架取消了顶架，原动架及顶架部分的立杆固定在底架或底架和定架上。

18.如权利要求1所述的农业机器，其特征在于：信息系统在环形框架中部设有信息对接机构，传递水位信息和控制指令。

19.如权利要求1所述的农业机器和权利要求12所述的筒状的环架，其特征在于：环架是底架被定环底板替代、动架被动环底板替代、顶架被水环底板替代而构成的框架。

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