CN103380766B - 温室自动喷药机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及设施农业智能装备技术领域，特别涉及一种温室自动喷药机器人，其包括轨道行走部件、固定于所述轨道行走部件上的药液喷施部件以及分别与所述轨道行走部件和药液喷施部件连接的控制部件；所述轨道行走部件包括驱动装置和轨道轮，所述轨道轮行走于一组轨道上，所述控制部件用于自动控制所述轨道行走部件的行走以及药液喷施部件的喷施。本发明提供的温室自动喷药机器人，以轨道轮为支撑，并行走于轨道上，只需在地面铺设轨道，不需要搭建支撑架，成本低适于在小型温室内使用。此外，这种轨道自动行走方式对温室内不平整路面的适应性较强，在凹凸地面也能很好地行驶，保证该机器人行走顺畅。

Description

温室自动喷药机器人

技术领域

本发明涉及设施农业智能装备技术领域，特别涉及一种温室自动喷药机器人。 

背景技术

对温室内的作物喷药目前有以下三种方式： 

（1）人工手持式喷药装置，采用人工形式完成，工作人员背负喷雾器来回穿梭于作物行间进行喷药。这种方式效率低，劳动强度大，而且操作者处于悬浮有农药雾滴的空气环境中，农药很可能通过呼吸和皮肤毛孔进入人体，因而不利于工作人员的自身健康和安全。 

（2）大型连栋温室自动喷药机（例如专利号为200320103129.2的多功能自走式喷灌机），采用悬挂方式将喷杆以及移动驱动机构放置于温室顶部圆形轨道，喷杆沿导轨移动过程实现对其下方苗床喷洒药液，从而用于对种苗的机械化喷药作业。但是，这种方式具有以下缺陷：①需要在温室内搭建支撑架、要求作业空间大、并且制造成本高，不适于在小型温室内使用；②要求作物具有相同的高度，多用于较小作物的喷施农药（如苗床作业）；当作物较高时，作物上面的枝叶会阻挡药物喷洒到作物下部，而无法实现对作物全身的喷药。 

（3）地面行走式喷药机械（例如专利号为201210204818.6的四轮驱动导航喷雾机器人系统），采用电磁导航方式对喷雾机器人系统进行运动轨迹约束，机器人采用四轮驱动，在机器人的移动过程中对其相邻两侧的作物行进行喷药，从而实现温室作物自动喷药作业。这种方式具有以下缺陷：①采用四轮驱动方式对于传统温室内不平整路面的适应性较差；②在行走过程中对作物逐个进行喷施，作业效率有限。 

发明内容

（一）要解决的技术问题 

本发明目的在于提供一种适用于小型温室的温室自动喷药机器人，并提高对温室内不平整路面的适应性。 

（二）技术方案 

为达上述目的，本发明提供一种温室自动喷药机器人，包括轨道行走部件、固定于所述轨道行走部件上的药液喷施部件以及分别与所述轨道行走部件和药液喷施部件连接的控制部件；所述轨道行走部件包括驱动装置和轨道轮，所述轨道轮行走于一组轨道上，所述控制部件用于自动控制所述轨道行走部件的行走以及药液喷施部件的喷施。 

优选地，所述控制部件包括与所述轨道行走部件连接的用于控制轨道行走部件行走的轨道行走部件控制器以及与所述药液喷施部件连接的用于控制所述药液喷施部件喷施的药液喷施部件控制器，所述轨道行走部件控制器与所述药液喷施部件控制器连接。 

优选地，所述轨道上设有一个或多个限位挡板，所述轨道行走部件的前后两端分别设有用于探测所述限位挡板的光电传感器，所述光电传感器与轨道行走部件控制器连接；所述轨道行走部件控制器与所述驱动装置连接。 

优选地，所述药液喷施部件包括依次连接的药液箱、药液泵、药液管、雾化装置和风机，所述风机包括送风筒、设置于送风筒内的风机叶轮以及与风机叶轮连接的叶轮电机，所述雾化装置设置于所述送风筒的前端，所述雾化装置连接雾化电机，所述叶轮电机、药液泵和雾化电机均与所述药液喷施部件控制器连接。 

优选地，所述雾化装置为雾化喷头或离心雾化转盘。 

优选地，所述轨道行走部件上固连有支架，所述风机与所述支架连接。 

优选地，所述支架上设有用于实时探测所述轨道行走部件当前是 否处于两行作物中间的超声传感器，所述超声传感器设置于所述支架与作物相对的一侧，所述超声传感器与所述轨道行走部件控制器连接。 

优选地，所述药液喷施部件还包括纵向设置的丝杠和与所述丝杠连接的升降电机，所述丝杠固定在所述支架上，所述风机与套设于所述丝杠上的滑动螺母连接，所述风机随丝杠的转动进行升降运动，所述升降电机与所述药液喷施部件控制器连接。 

优选地，所述支架的两侧设有一组用于约束所述风机升降运动的升降导轨，所述风机通过升降导轨滑块与所述升降导轨连接。 

优选地，所述药液管上安装有药液控制电磁阀和用于测定药液喷施剂量的流量传感器，所述流量传感器和药液控制电磁阀均与所述药液喷施部件控制器连接。 

（三）有益效果 

1、本发明提供的温室自动喷药机器人，以轨道轮为支撑，并行走于轨道上，只需在地面铺设轨道，不需要搭建支撑架，成本低适于在小型温室内使用。此外，这种轨道自动行走方式对温室内不平整路面的适应性较强，在凹凸地面也能很好地行驶，保证该机器人行走顺畅。 

2、本发明中药液喷施部件还包括纵向设置的丝杠和与丝杠连接的升降电机，风机与套设于丝杠上的滑动螺母连接并可随丝杠的转动进行升降运动，升降电机与药液喷施部件控制器连接。通过风机的升降控制可以实现对温室内不同高度的作物同时进行喷洒，并且可实现对作物全身的喷药。 

3、本发明的作业方式是逐行对作物进行喷药的，并可通过调整叶轮电机的转速实现对作物行横向不同深度进行喷药，因此大大提高了作业效率高。 

4、本发明的药液沿垂直于植物高度方向水平喷向作物，克服了 背景技术（2）从作物顶部喷向作物底部这种作业方式而引起的作物上面的枝叶阻挡药物喷洒到作物下部而无法实现对作物全身喷药的缺陷。 

附图说明

图1为本发明的前视结构示意图； 

图2为本发明的后视结构示意图； 

图3为本发明控制关系框图； 

图4为本发明温室自动喷药机器人使用工况示意图。 

图中，1：升降电机；2：丝杠；3：升降导轨滑块；4：超声传感器；5：限位挡板；6：光电传感器；7：轨道；8：电动后桥；9：主动轨道轮；10：控制面板；11：从动轨道轮；12：药液泵；13：药液箱；14：送风筒；15：离心雾化转盘；16：风机叶轮；17：支架；18：升降导轨；19：药液管；20：叶轮电机；21：风机连接板；22：滑动螺母；23：轴承座；24：温室后墙；25：作物行。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。 

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“中”、“横向”、“纵向”、“竖直”、“水平”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 

参见图1-图4，本发明提供一种温室自动喷药机器人，包括轨道行走部件、固定于轨道行走部件上的药液喷施部件以及分别与轨道行走部件和药液喷施部件连接的控制部件；轨道行走部件作为药液喷施部件的承载平台，保证该温室自动喷药机器人可以在温室内自主移动。轨道行走部件包括车架、驱动装置和轨道轮，轨道轮包括主动轨道轮9和从动轨道轮11，驱动装置包括驱动电机和与驱动电机连接的驱动桥，驱动电机通过驱动桥驱动轨道轮运动。轨道行走部件可采用遥控或手动方式启动，例如在轨道行走部件的控制面板10上设置若干按钮，如启动按钮，实现手动方式启动；或者设置遥控器，该遥控器与轨道行走部件控制器无线连接，以实现遥控方式启动。轨道轮行走于铺设于地面的一组轨道7上，轨道7可采用角钢制成，以充分发挥角钢高强度的优势，使本发明中轨道7的强度得到保证。本实施例中轨道行走部件采用电动后桥8作为驱动桥，实现轨道行走部件的自动行走。 

控制部件用于自动控制轨道行走部件的行走以及药液喷施部件的喷施。控制部件的功能主要包括喷药机器人限位探测、作物植株行超声探测、轨道行走部件电动后桥驱动控制、药液喷施启停控制、风机升降控制、药液剂量远程监控以及机器人遥控操作控制，主要由轨道行走控制器、药液喷施部件控制器以及相关输入输出部件构成。轨道行走部件控制器和药液喷施部件控制器分别设有若干个与其他元件连接的接口，道行走部件控制器和药液喷施部件控制器通过接线连接。 

轨道行走部件主要包括限位挡板5、电动后桥8、主动轨道轮9、从动轨道轮11以及光电传感器6。药液喷施部件主要包括升降电机1、丝杠2、风机、支架17、药液箱13、药液泵12、离心雾化转盘15、药液管19、药液控制电磁阀、流量传感器以及超声传感器4。 

本实施例中控制部件包括与轨道行走部件连接的用于控制轨道 行走部件行走的轨道行走部件控制器以及与药液喷施部件连接的用于控制药液喷施部件喷施的药液喷施部件控制器，轨道行走部件控制器与药液喷施部件控制器连接。轨道行走部件控制器设置于轨道行走部件上，药液喷施部件控制器设置于药液喷施部件上。本实施例中轨道行走部件与药液喷施部件分别具有独立的控制器，使得自动喷药机器人装置在将喷施部件拆除后，轨道行走部件可作为温室物料运输平台独立使用，从而大大增强了本发明的适用性。 

为了精确控制温室自动喷药机器人喷施农药的作业范围，以实现在预设作业区域内的自动作业，提高自动化程度，本实施例中，在轨道7上设有一个或多个限位挡板5，通常为两个，一前一后。轨道行走部件的前后两端分别设有用于探测限位挡板5的光电传感器6，光电传感器6与轨道行走部件控制器连接，同时轨道行走部件控制器与驱动装置（即驱动电机）连接。光电传感器6还可采用超声传感器或其他能实现相同功能的元件代替。光电传感器6是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，当光电传感器6前方有限位挡板时，光电传感器6前方的光强度发生变化，当光电传感器6将此变化转化成电信号后传送给轨道行走部件控制器。本发明优选光电传感器6，具有精度高、反应快、非接触的优点，能灵敏准确地探测限位挡板以迅速停车。可采用型号为EE-SX1070或GP1S50的光电传感器6。光电传感器6的结构属于现有技术，此处不在赘述。轨道行走部件控制器通过控制驱动电机的开闭控制轨道行走部件的启停。具体过程如下： 

参见图4，操作者根据温室自动喷药机器人的作业行走区间，在轨道7中间适当位置放置限位挡板5进行限制，当光电传感器检测到其正前方有限位挡板5存在时，将限位挡板5存在的信号发送给轨道行走部件控制器，轨道行走部件控制器接受该信号并对驱动装置（驱动电机）发送停止运动指令，则轨道行走部件自动停车。当光电传感器检测到其正前方没有限位挡板5存在时，将限位挡板5不存在的信号发送 给轨道行走部件控制器，轨道行走部件控制器接受该信号并控制驱动装置（驱动电机）继续工作，则轨道行走部件持续行走，从而精确保证温室自动喷药机器人的作业范围。 

本实施例中，药液喷施部件包括依次连接的药液箱13、药液泵12、药液管19、雾化装置和风机，风机包括送风筒14、设置于送风筒14内的风机叶轮16以及与风机叶轮16连接的叶轮电机20，雾化装置设置于送风筒14的前端，雾化装置连接雾化电机，叶轮电机20、药液泵12和雾化电机均与药液喷施部件控制器连接。如图1、图2和图4中所示，送风筒14的风口朝向作物，风机叶轮16的吹风方向垂直于作物高度方向，雾化装置雾化出的药液沿垂直于作物高度方向水平喷向作物。叶轮电机20驱动风机叶轮16旋转，雾化电机驱动雾化装置，雾化装置可为雾化喷头或离心雾化转盘15，离心雾化转盘15可在雾化电机的驱动下旋转以将药液雾化后变成雾状。本实施例提供的温室自动喷药机器人以轨道轮为支撑并行走于轨道7上，在行走过程中，通过药液喷施部件控制器控制叶轮电机20、雾化电机和药液泵12的开闭以控制喷药过程。具体如下：当需要喷药时，药液喷施部件控制器控制药液泵12、雾化电机和叶轮电机20开启，药液箱13内的药液经药液泵12加压，进入药液管19内，药液管19内的高压药液经离心雾化转盘15雾化之后成为雾滴，叶轮电机20驱动风机叶轮16旋转，雾滴随风机叶轮16旋转产生的空气推力喷洒在作物叶片；当不需要喷药时，药液喷施部件控制器控制药液泵12、雾化电机和叶轮电机20关闭，以停止喷药作业。 

本实施例中，轨道行走部件上固连有支架17，风机与支架17连接。图1、图2和图4中所示的支架17为矩形，当然也可以根据需要设置成其他形状（如框型），支架17用于固定支撑风机及相关有关器件，并且由于支架17具有一定的高度，因而该支架17方便药液喷施部件对较高作物进行喷施作业。 

本实施例中，支架17上设有用于实时探测轨道行走部件当前是否 处于两行作物中间的超声传感器4，超声传感器4与轨道行走部件控制器连接。超声传感器4设置于支架17与作物相对的一侧。当超声传感器4探测到其正面有物体存在，则认为该温室自动喷药机器人当前正对作物行25，并将该位置信号发送给轨道行走部件控制器，轨道行走部件控制器经处理控制驱动装置继续工作，从而继续向前行走不进行喷药操作；当两组超声传感器4都没有探测到其正面有物体遮挡时，则认为该温室自动喷药机器人当前处于两行作物中间，此时轨道行走部件控制器控制驱动电机关闭以实现停车，并向药液喷施部件发送喷药信号，则药液喷施部件控制器控制开启药液泵12和叶轮电机20，以对作物行25间空隙进行喷药。 

本实施例中，药液喷施部件还包括纵向设置的丝杠2和与丝杠2连接的升降电机1，丝杠2固定在支架17上，风机与设置在丝杠2上的滑动螺母22连接，风机可随丝杠2的转动进行升降运动，升降电机1与药液喷施部件控制器连接，药液喷施部件控制器可控制升降电机1的开闭。为了保证风机上下升降运动时受力平衡，优选丝杠2设置在支架17中央。具体的，升降电机1轴通过联轴器与丝杠2连接，丝杠2上下两端分别通过轴承座23与支架17固定连接，丝杠2上套设有滑动螺母22，风机通过上下两组风机连接板21与滑动螺母22固定。当药液喷施部件控制器控制升降电机1的开启时，升降电机1驱动丝杠2旋转，使得风机和与风机连接的离心雾化转盘15纵向升降移动，从而满足作物不同高度作物叶片药液喷施需要。 

为了便于风机及离心雾化转盘15纵向升降移动，在本实施例中，支架17的两侧设有一组用于约束风机升降运动的升降导轨18，风机左右两侧通过升降导轨滑块3与升降导轨18连接。该升降导轨18为风机和离心雾化转盘15的升降运动进行导向，并为风机左右两侧提供支撑力，使升降过程平稳。 

为了定量控制药液喷洒剂量，本实施例中，药液管19上安装有药 液控制电磁阀和用于测定药液喷施剂量的流量传感器，流量传感器和药液控制电磁阀均与药液喷施部件控制器连接。药液喷施部件控制器接受流量传感器数据并控制调整药液控制电磁阀的开启。具体的，当升降电机1驱动丝杠2旋转，随丝杠2上滑动螺母22的移动，风机沿升降导轨18进行上下升降运动，药液箱13内的液体由药液泵12加压后经药液管19、药液控制电磁阀以及流量传感器到达旋转的离心雾化转盘15，在离心力作用下药液雾化后随风机叶轮16旋转产生的气流洒到作物叶片，流量传感器用于测定药液施用剂量，药液喷施部件控制器通过PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）控制信号调整药液控制电磁阀的开启状态，实现对药液喷洒剂量的实时控制。当药液喷洒剂量达到预设值时，药液喷施部件控制器控制药液控制电磁阀关闭。风机叶轮16由叶轮电机20驱动，通过调节叶轮电机20的转速可以对药液雾滴喷洒距离进行调节。 

本实施例中，药液喷施部件控制器连接远程操作终端，用于实时监视该温室自动喷药机器人的喷药剂量，以进行远程流量控制。具体的，药液喷施部件控制器与远程操作终端之间进行实时流量数据远程传输，并通过远程操作调节药液控制电磁阀的开闭状态，进行实时无线远程流量控制，从而根据实际需要设置喷药剂量。 

参见图3，轨道行走部件控制器接收前后光电传感器6信号、超声传感器4信号以及遥控（手动）操作指令，输出对电动后桥8启停控制信号、对药液喷施部件控制器发送喷药信号；药液喷施部件控制器接收轨道行走部件控制器发送的开启喷药信号后，输出对药液泵12、药液控制电磁阀、雾化电机、叶轮电机20的和升降电机1的开始喷药信号，根据流量传感器测量数据与喷药时间确定喷施药量体积，达到预期药量后，对升降电机1、药液泵12、药液控制电磁阀、雾化电机、叶轮电机20以及行走部件控制器输出停止喷药信号。同时流量传感器将测量结果发送给药液喷施部件控制器，药液喷施部件控制器通过无 线传输模块发送至与药液喷施部件控制器连接的用户远程操作终端，并通过远程操作调节药液控制电磁阀的开闭状态，进行实时无线远程流量控制，从而根据实际需要设置喷药剂量。轨道行走部件控制器接收到药液喷施部件停止喷药信号，则驱动电动后桥8，使得机器人继续行走到达下一个作物行25间隙进行喷药，若此时收到光电传感器6限位信号，则控制部件认为机器人到达预期喷药作业区域边界，即结束喷药，直至通过遥控或手动方式控制机器人移动至初始位置。 

本发明的使用方法如下： 

如图4所示，将轨道7固定于靠近温室后墙24的地面，温室自动喷药机器人沿轨道7行走，行走方向垂直于温室作物种植行方向。对温室自动机器人的药箱加灌药液，通过在轨道7中间放置的限位挡板5，设定温室自动机器人预期作业区域后，开启电源开关，操作人员通过遥控或手动方式启动机器人作业后，则可以离开温室大棚。该温室自动喷药机器人自动行走至作物行25间隙后（图4中温室自动喷药机器人恰好处于两作物行25之间的间隙处），开始喷药，开启药液泵12、风机、雾化电机以及升降电机1。喷药过程中风机上下移动对作物不同高度叶片进行喷洒，风机转速由慢变快以对作物行25纵向不同深度作物进行喷洒。操作人员可以通过远程操作终端观察药液喷施部件控制器发送的流量数据，并可以根据实际需要修改预期药液喷施剂量，经流量传感器测量和喷洒时间确定喷洒剂量达到喷施剂量要求后，则系统自动停止喷药，机器人继续行走，到达另一作物行25间隙进行喷施作业。当光电传感器6通过限位挡板5探测到达预期喷药作业区域边界后，则机器人对该区域喷药作业结束。 

另，本发明未叙述内容均为现有技术，故不再赘述。 

本发明提供的温室自动喷药机器人，基于预期作业区域自动探测、作物行间隙超声探测、喷洒流量探测、自动行走移动以及电动雾化喷洒等关键技术，支持遥控操作，远程监控喷药剂量，从而实现了 在温室内按照预定区域、预定剂量、预定效率的全自动无人化农药喷洒作业，保障了温室农药喷洒作业的安全性，防止农药对人体伤害，同时可适应中国小型温室大棚作业工况，有利于减低自动喷药设备成本并提高作业效率。 

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。 

Claims (8)

1.一种温室自动喷药机器人，其特征在于，包括轨道行走部件、固定于所述轨道行走部件上的药液喷施部件以及分别与所述轨道行走部件和药液喷施部件连接的控制部件；所述轨道行走部件包括驱动装置和轨道轮，所述轨道轮行走于一组轨道上，所述控制部件用于自动控制所述轨道行走部件的行走以及药液喷施部件的喷施，所述控制部件包括与所述轨道行走部件连接的用于控制轨道行走部件行走的轨道行走部件控制器以及与所述药液喷施部件连接的用于控制所述药液喷施部件喷施的药液喷施部件控制器，所述轨道行走部件控制器与所述药液喷施部件控制器连接，所述轨道行走部件上固连有支架，所述支架上设有用于实时探测所述轨道行走部件当前是否处于两行作物中间的超声传感器，所述超声传感器设置于所述支架与作物相对的一侧，所述超声传感器与所述轨道行走部件控制器连接。

2.如权利要求1所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述轨道上设有一个或多个限位挡板，所述轨道行走部件的前后两端分别设有用于探测所述限位挡板的光电传感器，所述光电传感器与轨道行走部件控制器连接；所述轨道行走部件控制器与所述驱动装置连接。

3.如权利要求2所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述药液喷施部件包括依次连接的药液箱、药液泵、药液管、雾化装置和风机，所述风机包括送风筒、设置于送风筒内的风机叶轮以及与风机叶轮连接的叶轮电机，所述雾化装置设置于所述送风筒的前端，所述雾化装置连接雾化电机，所述叶轮电机、药液泵和雾化电机均与所述药液喷施部件控制器连接。

4.如权利要求3所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述雾化装置为雾化喷头或离心雾化转盘。

5.如权利要求4所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述风机与所述支架连接。

6.如权利要求5所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述药液喷施部件还包括纵向设置的丝杠和与所述丝杠连接的升降电机，所述丝杠固定在所述支架上，所述风机与套设于所述丝杠上的滑动螺母连接，所述风机随丝杠的转动进行升降运动，所述升降电机与所述药液喷施部件控制器连接。

7.如权利要求6所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述支架的两侧设有一组用于约束所述风机升降运动的升降导轨，所述风机通过升降导轨滑块与所述升降导轨连接。

8.如权利要求7所述的温室自动喷药机器人，其特征在于，所述药液管上安装有药液控制电磁阀和用于测定药液喷施剂量的流量传感器，所述流量传感器和药液控制电磁阀均与所述药液喷施部件控制器连接。