自动浇花机器人的研制

吴立波 张 南 宋文豪 刘云帅

(邯郸职业技术学院 机电工程系，河北 邯郸 056005)

引言

随着生活质量的提高，越来越多的人们热衷于种植花卉。人们经常会因忙碌或出差等原因，不能及时给花卉浇水，影响花卉的生长，甚至使花卉枯死。为了将人们从繁琐的浇水工作中解放出来，真正享受花卉带来的舒适生活，小型精准浇花机器人的研发与推广势在必行。

1 国内外研究概况

当前机器人技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其他领域渗透，已经和日常生活息息相关。机器人正逐步代替人类完成一些相关工作，为人们解放出更多的时间和空间[1]。

随着美国机器人设计师克里斯·威利斯( Chris Willis)设计研制的“家庭主妇机器人”Valerie(瓦列丽)的问世，机器人技术突破了最终的瓶颈，进入了本该首先进入的人类的日常生活领域。Valerie 不仅仅是一个机器人产品，更重要的是在人的感官上产生了强烈的震撼。机器人已经越来越接近于人类，并逐步走进普通人的生活，实现了为人类服务。

20世纪70年代，随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生了自动浇花系统。早在很多年前，国外就已经开始使用，但是其价格昂贵。以前我国使用的电子类自动浇花系统多数是从国外进口的，随着我国科技进步，自主研发出的自动化浇花系统，已广泛应用于花园、农场等地方。

随着电子技术的快速发展及生活水平的提高，生活质量备受关注，种养盆栽成为人们越来越喜欢的休闲项目。目前国内的自动浇花器的功能也在不断完善和发展，有关智能浇花器的专利也不在少数。同类型全自动盆栽浇灌器功能主要有：根据天气变化、光照与土壤干燥情况自动控制电源，将水及时定量地补充给花木，在某几个固定的时间浇花，手动和自动浇花模式选定。但是这些自动浇花设备不是存在大材小用、价格昂贵、可行性不高的问题，就是存在太过简单、功能不够完善的弊端，并不能真正解决盆栽的浇灌问题。

将机器人技术应用于自动浇花器上的研究很少，处于起步阶段。目前研究方向多为控制系统、仿生学和软件研究方面。如：西南科技大学信息工程学院张鹏的《基于LPC1768的智能浇花机器人设计》，提出了一种智能浇花机器人的硬件接口方案和软件设计思路；云南国土资源职业学院崔庆权的《多节点网络化智能盆栽浇花机器人的研究》，提出和设计了一种多节点网络化智能浇花机器人，实现了多盆栽的分布式浇花控制。浇花机器人将来的技术方向会更倾向于把家庭智能浇花器与物联网、WIFI无线通信技术、手机APP操作系统、仿生技术、传感器技术结合，所有浇灌动作都可以通过手机实时感知，无论你在何地，浇花过程都是透明并可控的。

本设计优势突出，设计理念超前，工作效果好，符合现阶段市场需求，极具市场推广价值。

2 花草自动浇灌需求分析

我国大气污染问题仍十分严重，在人们饱受了沙尘暴、雾霾和酸雨等恶劣天气之后，生存环境的改善问题刻不容缓，绿化造林、净化空气则是一种最有效的防治措施。同样，家庭空气质量的提高也可通过种植花卉得到有效改善。在家里种植花卉，首先可以有效分解室内有害物质，吸收装修残留甲醛，空气干燥时增加室内空气湿度。其次，花卉绚丽的色彩和美好的形态可以装扮室内空间，与追求“轻装修、重装饰”的现代装修理念不谋而合。上班族闲暇之余种植花草可以舒缓工作压力、陶冶情操，而中老年人种植花草则可以丰富、调节生活。另外，花卉不仅可用于观赏，还有很重要的经济、药用价值，并且在食品安全问题和“开心农场”游戏的影响下，越来越多的人们在家里种植花卉，甚至搭建阳台菜园[2]。

植物体内的水分占鲜重的 75%到 90%，不论是花草种植，还是农业灌溉，浇水是植物种植的关键，尤其是家庭种植的易存活的盆栽。上班族工作紧张，生活压力大，空闲时间较少，长期不在家时花草需要被照料。到底什么时候适宜给花草浇水，花草无人照料时怎么办等问题时常困扰着花卉养殖者。因此，为了满足主人在家享受田园劳作的乐趣，开发者开始着手研究庭院灌溉设备，这类产品在我国的市场属于成长期。

3 自动浇花机器人设计

3.1 系统总体结构设计

本设计实物图如图1所示，CAD结构图如图2所示。系统包含支撑板、背板、轴承板、步进电机、旋转直臂、同步带轮、轴承座、光轴、光轴固定器和本体支架。系统设定为壁挂式结构，工作时水箱和系统部件固定在墙壁上，需要浇灌的花卉摆放在机器人手臂下方的作业半径内。工作时，根据用户的设定，机器人“双关节”模拟人手臂动作，完成作业范围内的每个花盆的精准滴灌。

图1 实物图

图2 系统总体结构图

本设计采用的模块化设计以PLC为主控芯片，结合AD 转换电路、LCD 显示电路、键盘电路、水泵驱动电路等从而控制水泵进行自动浇花。本设计的系统组成框图如图3 所示。

图3 系统组成框图

3.2 电路设计

220V电源线连接两台电源，分别是DC24V和DC12V，其中DC24V电源连接NC控制器，DC12V电源连接继电器。控制器分两路控制两个关节处的电机，电动机驱动手臂做X轴和Y轴的旋转，完成手臂浇花动作。同时，控制器中有定时器，与继电器一起控制水泵的启动与停止。电路图如图4所示。

图4 电路图

4.3 软件设计与仿真

对于整个系统，硬件是躯干，软件是灵魂，整个系统依照“自顶而下”的原则采用模块化设计，其中主程序的设计是整个硬件实现的关键，其主要实现的流程是：系统上电初始化之后，根据用户要求编制的程序，水泵启动进行浇花，待时间达到用户要求后，水泵停止浇水，如图5所示流程图。

图5 水泵驱动电路原理图

3.4 对机器人实现浇花过程的外部结构设计

机器人在浇花的过程中，架子上的第一个伺服电机带动一侧手臂沿X轴运动，第二个伺服电机带动另一端手臂沿Y轴运动。在程序控制下，当喷头到达预定点位后，停止运动，进行滴灌；当设定时长结束，手臂继续运动，达到第二个定位点，再进行滴灌，直至作业范围内的全部定位点滴灌完毕。经测试，该系统定位100%准确，真正实现精准滴灌。手臂结构如图6所示。

图6 双关节运动手臂

3.5 智能机器人自动浇花过程

机器人启动后，用户输入浇花时长、间隔时间和浇水量等参数。机器人根据用户要求按时启动水泵和手臂进行浇花，一个作业结束后进入待机状态，等待第二次浇花作业。动作过程如图7所示。

图7 浇花过程流程图

4 创新点

该机器人系统设计理念先进，系统扩展性好，操作简单，成本低廉，实用性强，总结创新点如下：

(1)动力系统、传动系统、执行系统和控制系统设计巧妙，体现美学、智能、力学、实用、耐用的设计理念；

(2)双关节运动系统模拟人类手臂动作，实现作业半径内指定位置的精准滴灌；

(3)控制系统为PLC编程式操作，可根据用户需要，智能定时浇花，且安全系数高，维护和使用方便；

(4)旋转机械臂、36减速器和小带轮等构件，明确、简单、安全可靠，大大提高浇花效率。

(5)壁挂式设计，节约空间，适用于家庭阳台、花卉市场等多种场所，市场效果好。

结论

本设计是一款基于PLC的自动浇花控制系统，其中PLC作为控制器，结合用户设定的程序对继电器通断进行自动控制，从而达到启动和停止水泵。重点在于双关节机械结构，可以模拟人类手臂动作，完成作业半径内指定位置的精准滴灌。经测试表明机器人运行稳定，可精准定位花盆位置，按需求浇水，具有很好的可操作性和可维护性，实现无人化管理，起到环保和节能的作用。