自動澆花機(jī)器人的研制

吳立波 張 南 宋文豪 劉云帥

(邯鄲職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，河北 邯鄲 056005)

引言

隨著生活質(zhì)量的提高，越來越多的人們熱衷于種植花卉。人們經(jīng)常會因忙碌或出差等原因，不能及時(shí)給花卉澆水，影響花卉的生長，甚至使花卉枯死。為了將人們從繁瑣的澆水工作中解放出來，真正享受花卉帶來的舒適生活，小型精準(zhǔn)澆花機(jī)器人的研發(fā)與推廣勢在必行。

1 國內(nèi)外研究概況

當(dāng)前機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用逐步由工業(yè)、軍事等領(lǐng)域向其他領(lǐng)域滲透，已經(jīng)和日常生活息息相關(guān)。機(jī)器人正逐步代替人類完成一些相關(guān)工作，為人們解放出更多的時(shí)間和空間[1]。

隨著美國機(jī)器人設(shè)計(jì)師克里斯·威利斯( Chris Willis)設(shè)計(jì)研制的“家庭主婦機(jī)器人”Valerie(瓦列麗)的問世，機(jī)器人技術(shù)突破了最終的瓶頸，進(jìn)入了本該首先進(jìn)入的人類的日常生活領(lǐng)域。Valerie 不僅僅是一個(gè)機(jī)器人產(chǎn)品，更重要的是在人的感官上產(chǎn)生了強(qiáng)烈的震撼。機(jī)器人已經(jīng)越來越接近于人類，并逐步走進(jìn)普通人的生活，實(shí)現(xiàn)了為人類服務(wù)。

20世紀(jì)70年代，隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生了自動澆花系統(tǒng)。早在很多年前，國外就已經(jīng)開始使用，但是其價(jià)格昂貴。以前我國使用的電子類自動澆花系統(tǒng)多數(shù)是從國外進(jìn)口的，隨著我國科技進(jìn)步，自主研發(fā)出的自動化澆花系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于花園、農(nóng)場等地方。

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展及生活水平的提高，生活質(zhì)量備受關(guān)注，種養(yǎng)盆栽成為人們越來越喜歡的休閑項(xiàng)目。目前國內(nèi)的自動澆花器的功能也在不斷完善和發(fā)展，有關(guān)智能澆花器的專利也不在少數(shù)。同類型全自動盆栽澆灌器功能主要有：根據(jù)天氣變化、光照與土壤干燥情況自動控制電源，將水及時(shí)定量地補(bǔ)充給花木，在某幾個(gè)固定的時(shí)間澆花，手動和自動澆花模式選定。但是這些自動澆花設(shè)備不是存在大材小用、價(jià)格昂貴、可行性不高的問題，就是存在太過簡單、功能不夠完善的弊端，并不能真正解決盆栽的澆灌問題。

將機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用于自動澆花器上的研究很少，處于起步階段。目前研究方向多為控制系統(tǒng)、仿生學(xué)和軟件研究方面。如：西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院張鵬的《基于LPC1768的智能澆花機(jī)器人設(shè)計(jì)》，提出了一種智能澆花機(jī)器人的硬件接口方案和軟件設(shè)計(jì)思路；云南國土資源職業(yè)學(xué)院崔慶權(quán)的《多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化智能盆栽澆花機(jī)器人的研究》，提出和設(shè)計(jì)了一種多節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)化智能澆花機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了多盆栽的分布式澆花控制。澆花機(jī)器人將來的技術(shù)方向會更傾向于把家庭智能澆花器與物聯(lián)網(wǎng)、WIFI無線通信技術(shù)、手機(jī)APP操作系統(tǒng)、仿生技術(shù)、傳感器技術(shù)結(jié)合，所有澆灌動作都可以通過手機(jī)實(shí)時(shí)感知，無論你在何地，澆花過程都是透明并可控的。

本設(shè)計(jì)優(yōu)勢突出，設(shè)計(jì)理念超前，工作效果好，符合現(xiàn)階段市場需求，極具市場推廣價(jià)值。

2 花草自動澆灌需求分析

我國大氣污染問題仍十分嚴(yán)重，在人們飽受了沙塵暴、霧霾和酸雨等惡劣天氣之后，生存環(huán)境的改善問題刻不容緩，綠化造林、凈化空氣則是一種最有效的防治措施。同樣，家庭空氣質(zhì)量的提高也可通過種植花卉得到有效改善。在家里種植花卉，首先可以有效分解室內(nèi)有害物質(zhì)，吸收裝修殘留甲醛，空氣干燥時(shí)增加室內(nèi)空氣濕度。其次，花卉絢麗的色彩和美好的形態(tài)可以裝扮室內(nèi)空間，與追求“輕裝修、重裝飾”的現(xiàn)代裝修理念不謀而合。上班族閑暇之余種植花草可以舒緩工作壓力、陶冶情操，而中老年人種植花草則可以豐富、調(diào)節(jié)生活。另外，花卉不僅可用于觀賞，還有很重要的經(jīng)濟(jì)、藥用價(jià)值，并且在食品安全問題和“開心農(nóng)場”游戲的影響下，越來越多的人們在家里種植花卉，甚至搭建陽臺菜園[2]。

植物體內(nèi)的水分占鮮重的 75%到 90%，不論是花草種植，還是農(nóng)業(yè)灌溉，澆水是植物種植的關(guān)鍵，尤其是家庭種植的易存活的盆栽。上班族工作緊張，生活壓力大，空閑時(shí)間較少，長期不在家時(shí)花草需要被照料。到底什么時(shí)候適宜給花草澆水，花草無人照料時(shí)怎么辦等問題時(shí)常困擾著花卉養(yǎng)殖者。因此，為了滿足主人在家享受田園勞作的樂趣，開發(fā)者開始著手研究庭院灌溉設(shè)備，這類產(chǎn)品在我國的市場屬于成長期。

3 自動澆花機(jī)器人設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖1所示，CAD結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。系統(tǒng)包含支撐板、背板、軸承板、步進(jìn)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)直臂、同步帶輪、軸承座、光軸、光軸固定器和本體支架。系統(tǒng)設(shè)定為壁掛式結(jié)構(gòu)，工作時(shí)水箱和系統(tǒng)部件固定在墻壁上，需要澆灌的花卉擺放在機(jī)器人手臂下方的作業(yè)半徑內(nèi)。工作時(shí)，根據(jù)用戶的設(shè)定，機(jī)器人“雙關(guān)節(jié)”模擬人手臂動作，完成作業(yè)范圍內(nèi)的每個(gè)花盆的精準(zhǔn)滴灌。

圖1 實(shí)物圖

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用的模塊化設(shè)計(jì)以PLC為主控芯片，結(jié)合AD 轉(zhuǎn)換電路、LCD 顯示電路、鍵盤電路、水泵驅(qū)動電路等從而控制水泵進(jìn)行自動澆花。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)組成框圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)組成框圖

3.2 電路設(shè)計(jì)

220V電源線連接兩臺電源，分別是DC24V和DC12V，其中DC24V電源連接NC控制器，DC12V電源連接繼電器?？刂破鞣謨陕房刂苾蓚€(gè)關(guān)節(jié)處的電機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動手臂做X軸和Y軸的旋轉(zhuǎn)，完成手臂澆花動作。同時(shí)，控制器中有定時(shí)器，與繼電器一起控制水泵的啟動與停止。電路圖如圖4所示。

圖4 電路圖

4.3 軟件設(shè)計(jì)與仿真

對于整個(gè)系統(tǒng)，硬件是軀干，軟件是靈魂，整個(gè)系統(tǒng)依照“自頂而下”的原則采用模塊化設(shè)計(jì)，其中主程序的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，其主要實(shí)現(xiàn)的流程是：系統(tǒng)上電初始化之后，根據(jù)用戶要求編制的程序，水泵啟動進(jìn)行澆花，待時(shí)間達(dá)到用戶要求后，水泵停止?jié)菜?，如圖5所示流程圖。

圖5 水泵驅(qū)動電路原理圖

3.4 對機(jī)器人實(shí)現(xiàn)澆花過程的外部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在澆花的過程中，架子上的第一個(gè)伺服電機(jī)帶動一側(cè)手臂沿X軸運(yùn)動，第二個(gè)伺服電機(jī)帶動另一端手臂沿Y軸運(yùn)動。在程序控制下，當(dāng)噴頭到達(dá)預(yù)定點(diǎn)位后，停止運(yùn)動，進(jìn)行滴灌；當(dāng)設(shè)定時(shí)長結(jié)束，手臂繼續(xù)運(yùn)動，達(dá)到第二個(gè)定位點(diǎn)，再進(jìn)行滴灌，直至作業(yè)范圍內(nèi)的全部定位點(diǎn)滴灌完畢。經(jīng)測試，該系統(tǒng)定位100%準(zhǔn)確，真正實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)滴灌。手臂結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 雙關(guān)節(jié)運(yùn)動手臂

3.5 智能機(jī)器人自動澆花過程

機(jī)器人啟動后，用戶輸入澆花時(shí)長、間隔時(shí)間和澆水量等參數(shù)。機(jī)器人根據(jù)用戶要求按時(shí)啟動水泵和手臂進(jìn)行澆花，一個(gè)作業(yè)結(jié)束后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待第二次澆花作業(yè)。動作過程如圖7所示。

圖7 澆花過程流程圖

4 創(chuàng)新點(diǎn)

該機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念先進(jìn)，系統(tǒng)擴(kuò)展性好，操作簡單，成本低廉，實(shí)用性強(qiáng)，總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1)動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)巧妙，體現(xiàn)美學(xué)、智能、力學(xué)、實(shí)用、耐用的設(shè)計(jì)理念；

(2)雙關(guān)節(jié)運(yùn)動系統(tǒng)模擬人類手臂動作，實(shí)現(xiàn)作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準(zhǔn)滴灌；

(3)控制系統(tǒng)為PLC編程式操作，可根據(jù)用戶需要，智能定時(shí)澆花，且安全系數(shù)高，維護(hù)和使用方便；

(4)旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂、36減速器和小帶輪等構(gòu)件，明確、簡單、安全可靠，大大提高澆花效率。

(5)壁掛式設(shè)計(jì)，節(jié)約空間，適用于家庭陽臺、花卉市場等多種場所，市場效果好。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)是一款基于PLC的自動澆花控制系統(tǒng)，其中PLC作為控制器，結(jié)合用戶設(shè)定的程序?qū)^電器通斷進(jìn)行自動控制，從而達(dá)到啟動和停止水泵。重點(diǎn)在于雙關(guān)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)，可以模擬人類手臂動作，完成作業(yè)半徑內(nèi)指定位置的精準(zhǔn)滴灌。經(jīng)測試表明機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，可精準(zhǔn)定位花盆位置，按需求澆水，具有很好的可操作性和可維護(hù)性，實(shí)現(xiàn)無人化管理，起到環(huán)保和節(jié)能的作用。