新型家用智能植物澆水裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

胡海霞，于天生，畢亮亮，王 浩，孟利民，夏領(lǐng)兵

(1安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南232001；2安徽理工大學(xué)礦山智能裝備與技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南232001)

0 引 言

新工業(yè)革命的背景下，各種智能化技術(shù)不斷發(fā)展進(jìn)步，智能技術(shù)從制造業(yè)向傳統(tǒng)消費(fèi)領(lǐng)域擴(kuò)展。隨著科學(xué)技術(shù)力量的增強(qiáng)和人們生活水平的提高，智能家居已逐漸進(jìn)入人們的生活［1］。人們?cè)絹?lái)越熱衷于在家或辦公室里種植各種花草凈化空氣，陶冶情操，營(yíng)造良好的生活環(huán)境。然而，生活節(jié)奏加快，工作的繁忙或是外出旅游或者出差，這些花草經(jīng)常處于被疏于打理或無(wú)人澆水的狀態(tài)，給愛(ài)花草的人帶來(lái)很多麻煩［2］。養(yǎng)花最重要的問(wèn)題就是澆水問(wèn)題。研究表明，花草80%以上的死亡是由于澆水不當(dāng)引起的［3］。因此，設(shè)計(jì)一種家用智能植物澆水裝置具有重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

目前市場(chǎng)上自動(dòng)澆水裝置的種類比較多，如利用物理原理自動(dòng)滲水；僅限于報(bào)警而不能進(jìn)行澆水，相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)的缺水報(bào)警器以及能定時(shí)澆水的自動(dòng)澆水系統(tǒng)等等［4］?？偟膩?lái)說(shuō)，這些裝置的功能還不夠完善，工作效率不高，同時(shí)固定式澆花裝置影響環(huán)境美觀。因此，植物澆水裝置仍是目前非常必要的研究課題。澆水裝置是否方便可靠地運(yùn)行主要取決于澆水裝置的輪子。本澆水裝置車輪全部采用麥克納姆輪，具有四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，精密微動(dòng)，精準(zhǔn)定位等特點(diǎn)，可以在無(wú)需裝配車輪轉(zhuǎn)向裝置下實(shí)現(xiàn)車體的直行、側(cè)移、斜行、自轉(zhuǎn)等全方位移動(dòng)?？梢栽谟邢薜目臻g內(nèi)靈活移動(dòng)，工作效率高、操作便捷，同時(shí)可以針對(duì)不同植物進(jìn)行合理的澆水。

1 家用植物澆水裝置的設(shè)計(jì)

家用智能植物澆水裝置主要由全向行走裝置、檢測(cè)裝置、視覺(jué)識(shí)別裝置、儲(chǔ)水裝置、噴灑裝置組成。為了提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，全向行走裝置的移動(dòng)平臺(tái)選擇矩形結(jié)構(gòu)，底部有4個(gè)麥克納姆輪。麥克納姆輪是由若干個(gè)小滾子包絡(luò)成的圓形，每個(gè)小滾子都有一個(gè)與之相配的滾子軸，滾子軸安裝在輪轂上，每個(gè)滾子都可以繞與自身配對(duì)的滾子軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖1所示。全向移動(dòng)平臺(tái)的上方有一矩形槽平臺(tái)，中間用銅柱隔開(kāi)，用來(lái)放置電路、電源、傳感器等模塊。檢測(cè)裝置借鑒了機(jī)械手結(jié)構(gòu)，其主要部件包括機(jī)械臂、舵機(jī)、氣缸以及濕度傳感器；視覺(jué)識(shí)別裝置通過(guò)攝像頭掃描二維碼獲得適合植物生長(zhǎng)的土壤濕度信息，通過(guò)傳感器檢測(cè)土壤濕度；儲(chǔ)水裝置安裝在平臺(tái)上方開(kāi)設(shè)的矩形槽內(nèi)，矩形槽的大小與水箱外側(cè)的長(zhǎng)度和寬度一樣，矩形槽的高度足以固定水箱；噴灑裝置主要是由灑水噴頭、壓力開(kāi)關(guān)、管道等組成；潛水泵放置在水箱中，通過(guò)水管把潛水泵和花灑噴頭連接在一起；花灑噴頭固定在花灑支架上，并且可以繞定軸旋轉(zhuǎn)，方便調(diào)節(jié)噴灑的角度。利用Solidworks軟件三維建模并針對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析。其機(jī)械結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 麥克納姆輪外形結(jié)構(gòu)Fig.1 Shape structure of the Mecanum Wheel

圖2 家用智能植物澆水裝置機(jī)械整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The whole mechanical structure of household intelligent plant maintenance device

2 澆水裝置的組成與分析

智能澆水裝置的檢測(cè)系統(tǒng)主要由水位監(jiān)測(cè)單元、濕度檢測(cè)單元、系統(tǒng)主控單元、電閥門控制單元、穩(wěn)壓供電單元等模塊構(gòu)成。其中水位監(jiān)測(cè)裝置可以在水量不足時(shí)及時(shí)補(bǔ)水，在水箱裝滿后自動(dòng)斷水的效果。系統(tǒng)需要精確的了解到水箱中的水位信息，并及時(shí)做出反饋，系統(tǒng)水位檢測(cè)電路圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)水位檢測(cè)電路圖Fig.3 Circuit diagram of water level detection system

通過(guò)濕度傳感器監(jiān)測(cè)土壤濕度，利用傳感器顯示的數(shù)值與盆栽所需土壤濕度對(duì)比，小于所需數(shù)值則啟動(dòng)自動(dòng)澆水設(shè)備，打開(kāi)水管閥門，及時(shí)供應(yīng)水分；當(dāng)達(dá)到預(yù)先設(shè)置的濕度值時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閥門，停止供水。濕度檢測(cè)系統(tǒng)的電阻阻值比較電路圖如圖4所示。通過(guò)檢測(cè)輸出電壓值的大小來(lái)判斷土壤的干濕狀態(tài)，并通過(guò)LED燈顯示，若LED燈亮則表明土壤較濕潤(rùn)，若LED燈不亮則表示土壤干燥。此功能能夠讓盆栽處于適宜的濕度。

圖4 濕度檢測(cè)系統(tǒng)的電阻阻值比較電路圖Fig.4 Comparison circuit diagram of resistance value of humidity measuring system

運(yùn)動(dòng)路徑的精確控制是完成對(duì)植物澆水的重要環(huán)節(jié)。目前，機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)中，常用慣性導(dǎo)航和激光雷達(dá)的組合的方式［5］，并采用TOF（time of flight）激光測(cè)量方法。本裝置主要適用于在家庭、公寓、辦公室等場(chǎng)所，工作環(huán)境相對(duì)固定，可以通過(guò)激光雷達(dá)來(lái)建圖，獲得工作環(huán)境的相關(guān)信息。當(dāng)雷達(dá)工作時(shí)，定位傳感器通過(guò)雷達(dá)掃描定位，獲得當(dāng)前所在的位置以及姿勢(shì)，通過(guò)計(jì)算分析以獲得最佳的控制軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)澆花裝置運(yùn)動(dòng)路徑的精確控制。

基于二維碼的快速視覺(jué)識(shí)別檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)視覺(jué)控制功能［6］。每株植物盆上均貼有二維碼，通過(guò)二維碼存貯相關(guān)植物的名稱、喜好、土壤濕度范圍等信息。當(dāng)該澆水裝置到達(dá)預(yù)定的位置時(shí)，首先通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)掃描識(shí)別貼于花盆上的二維碼，獲得適合植物生長(zhǎng)的土壤濕度范圍；然后機(jī)械手操控濕度傳感器檢測(cè)土壤濕度；若檢測(cè)到的濕度不在植物最佳生長(zhǎng)范圍，根據(jù)檢測(cè)到的濕度與最佳濕度的差值，確定澆水量，潛水泵工作，通過(guò)花灑噴頭澆水。若不需要澆水則繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)植物。若裝置未檢測(cè)到二維碼，則會(huì)在15s后移動(dòng)到下一植物。機(jī)器在完成工作后，會(huì)從終點(diǎn)位置回到起點(diǎn)。該裝置每天檢測(cè)一次。為保證任務(wù)的正常進(jìn)行，水箱內(nèi)的水位傳感器會(huì)時(shí)刻檢測(cè)水箱內(nèi)的水量，若水箱內(nèi)的水量未達(dá)到要求的澆水量，機(jī)器則會(huì)返回起點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)水。

本澆水裝置的矩形全向移動(dòng)平臺(tái)由4個(gè)麥克納姆輪組成，每個(gè)麥克納姆輪由一個(gè)電機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。Mecanum輪是一種性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛的全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以在狹小的工作空間內(nèi)靈活地實(shí)現(xiàn)三自由度運(yùn)動(dòng)，通過(guò)這3個(gè)自由度的組合，使平臺(tái)整體在姿態(tài)保持不變的情況下，沿任意路徑到達(dá)目標(biāo)位置，能夠很好地完成項(xiàng)目要求。工作時(shí)，由電池給4個(gè)電機(jī)供電，電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的輸出軸和麥克納姆輪通過(guò)法蘭固定在一起，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)4個(gè)麥克納姆輪旋轉(zhuǎn)。由于4個(gè)輪子分別由4個(gè)電機(jī)操控，因此4個(gè)輪子可以有不同的轉(zhuǎn)速，通過(guò)控制電機(jī)不同的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，4個(gè)麥克納姆輪的速度合成之后，則可以實(shí)現(xiàn)隨意的控制澆花裝置的行進(jìn)位置［7］。

圖5所示為地盤輪子標(biāo)號(hào)示意圖，為了方便計(jì)算，定義全向底盤的輪距為2a，軸距為2b。 可見(jiàn)，麥克納姆輪通過(guò)4個(gè)輪子不同速度的組合，全向輪底盤能產(chǎn)生不同的作用力，從而有不同的運(yùn)動(dòng)效果。如果想要精確的控制運(yùn)動(dòng)軌跡，那么就需要了解4個(gè)輪子中心的運(yùn)動(dòng)速度。假設(shè)為輪子軸心的運(yùn)動(dòng)速度矢量；為麥克納姆輪軸心沿垂直于r的方向的速度分量為全向輪底盤的運(yùn)動(dòng)方向矢量，全向輪底盤的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為式（1）［7］:

圖5 地盤輪子標(biāo)號(hào)示意圖Fig.5 Schematic diagram of the turf wheels’label

其中，ω為電機(jī)的轉(zhuǎn)速，將全向輪的運(yùn)動(dòng)方向和自傳速度帶入到逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可得4個(gè)電機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，從而可以精確控制全向底盤的運(yùn)動(dòng)軌跡。當(dāng)更改輸入量為行進(jìn)的方向θ（設(shè)以X軸正方向?yàn)?°），可得式（2）:

其中，v為行進(jìn)的速度，ω為自旋的角速度。輸入量不同，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)的方程表達(dá)式形式也不同，但是最后的結(jié)果都是為了得到4個(gè)輪子的各自的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)確定的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 家用植物澆水裝置的仿真分析

3.1 移動(dòng)平臺(tái)仿真分析

利用SolidWorks中的插件simulation進(jìn)行靜力學(xué)仿真。在有限元分析中，為了便于計(jì)算和分析，對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用外力代替水箱，提高了運(yùn)算效率。由于車身間沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，故這將矩形槽平臺(tái)、底板、銅柱、電機(jī)、法蘭定義接觸為接觸接合；同理，將滾子軸，輪轂定義為結(jié)合；將輪轂與法蘭之間添加銷釘鏈接，不產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)。連接定義完成后，對(duì)澆花裝置添加引力和施加430 N的外部載荷。

全向移動(dòng)平臺(tái)靜應(yīng)力分析圖如圖6所示?？梢?jiàn)，最大應(yīng)力發(fā)生在麥克納姆輪輪轂與滾子軸的配合處，且 在 外 載 荷 為430 N時(shí)，最 大 應(yīng) 力 為92.14 MPa，顯然在靜應(yīng)力時(shí)滿足要求。因此，滾子軸和輪轂的材料選擇合金鋼，在澆花裝置運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣能夠滿足要求。移動(dòng)平臺(tái)位移圖如圖7所示?？梢?jiàn)，澆花裝置的最大形變發(fā)生在矩形槽平臺(tái)中部，且最大位移約為0～16 mm，變形可忽略不計(jì)，該變形不會(huì)影響澆花裝置工作的穩(wěn)定性。

圖6 全向移動(dòng)平臺(tái)的靜應(yīng)力分析圖Fig.6 Static stress analysis diagram of the omni-directional mobile platform

圖7 全向移動(dòng)平臺(tái)位移圖Fig.7 Displacement diagram of the omni-directional mobile platform

3.2 花灑平臺(tái)仿真結(jié)果分析

花灑平臺(tái)的靜應(yīng)力分析圖如圖8所示?？梢?jiàn)，最大應(yīng)力處為麥克納姆輪輪轂與滾子軸的配合處。因此，當(dāng)花灑上的載荷和全向移動(dòng)平臺(tái)上的載荷綜合作用時(shí)，危險(xiǎn)截面亦為麥克納姆輪與滾子軸的配合處，通過(guò)分析可知該處應(yīng)力值遠(yuǎn)小于合金鋼的許用應(yīng)力，因此構(gòu)件在運(yùn)轉(zhuǎn)中是安全的?；⑵脚_(tái)位移圖如圖9所示。可見(jiàn)，花灑平臺(tái)的最大形變位移發(fā)生在花灑平臺(tái)兩端頂點(diǎn)處，且最大位移約為0～19 mm，該變形與實(shí)際尺寸相比可忽略不計(jì)，不會(huì)影響澆花裝置工作的穩(wěn)定性。

圖8 花灑平臺(tái)靜應(yīng)力分析圖Fig.8 Static stress analysis diagram of the spraying platform

圖9 花灑平臺(tái)位移圖Fig.9 Displacement diagram of the spraying platform

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，人們的生活水平不斷提高，家居智能化給人們的工作，生活和觀念帶來(lái)巨大的變化。本文所設(shè)計(jì)的家用智能花草澆水裝置具有高度的智能性。利用濕度傳感器測(cè)量土壤的濕度，并將濕度信息反饋給養(yǎng)護(hù)裝置；通過(guò)麥克納姆輪的全向移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)任意方向的運(yùn)動(dòng)，運(yùn)行方式可靠。該裝置總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，效率較高，便于移動(dòng)，在較小的空間內(nèi)也能很好的進(jìn)行工作。