机器人制作开源方案 | 自适应智能浇花机器人
本帖最后由 机器谱 于 2023-12-4 13:27 编辑作者：李月琪、李晓彤、鲁宇轩
单位：河海大学
指导老师：施敏虎、赵建华
近年来，人们越来越注重生活品质的提高，越来越多人喜欢在家庭、办公室内培养盆栽植物，但因差旅现象和养护经验不足等问题，很多人难以为盆栽植物提供适宜的生活环境。因此，自动化，智能化的养护变得尤为重要。智能浇花机器人是一种针对室内盆栽植物的浇灌养护问题的智能装置。我们通过总结市场上的浇花机器人的经验与缺点，制作了一款以增强机器人的普适性，科学用水为目的智能浇花机器人。该装置可以在无人监督、无人操作的条件下，自动为植物浇水，并且可以根据不同花盆的高度进行升降浇水，实现科学浇水、适用性广泛等功能，解决了现在都市人们爱养花，但无暇浇花的问题，提高人们的生活质量。
1.绪论
1.1 背景
随着社会现代化的发展，人们越来越注重生活品质的提高，越来越多的人喜欢在家庭、办公室内培养盆栽植物，包括花卉盆栽、蔬菜作物等各类植物。在室内培养盆栽植物具有陶冶情操、改善心情作用的同时，还具备净化空气、美化环境、减弱辐射的特点。养护这些盆栽植物，需要为它们提供适宜的生活环境，包括合适的温度、湿度、光照以及水分条件等。
但是由于社会节奏快，工作任务重，差旅现象比较明显，人们可能会无法及时为植物提供合理的浇灌，此外，一部分人们可能缺乏养护植物的经验而导致浇水频率过高或过低、浇水量不合理等问题出现，因此为植物提供长期而合理的水分条件便成为难题。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAght-1qgYo5KHMxwMw0gU4gAI.png.webp盆栽植物与枯萎植物图
1.2 现状
市面上常见的自动浇水装置按照原理来分，大致可以为电力驱动和重力作用两大类。插土式浇灌装置和点滴式浇灌装置利用重力提供动力的装置。
① 插土式浇灌装置（如下图所示）是将装有水的容器瓶口直接插入花盆土壤中，利用慢渗水的方式保持土壤的湿润，这类装置制造简易，不需要电源，但无法保证土壤均匀得到湿润，也无法控制浇水的水量与浇水时间，且储水量也较小。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg-d-1qgYovOrL7QMw7gM4hAI.png.webp插土式浇灌装置
② 点滴式浇灌装置通过将水箱置于高处，如下图所示，使水在重力的作用下通过流速阀，实现滴灌。其优点在于可以控制水的流速，并可同时浇灌多盆植物。但是许多家庭并不具备高处平台用以放置大型水箱，且水箱灌满水后的重量较重，很难将水箱抬至高处。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg1eD1qgYopdiI7AYw-wU4ogI.png.webp点滴式浇灌装置
利用电力提供动力的装置主要通过水泵供水，其最大的优点在于可精准控制浇水的时间、流量等。
在互联网迅速发展和单片机运用趋于成熟的社会背景下,目前也有不少学者设计了室内自动浇花机器人。其总体思路基本是以单片机为控制器，温湿度传感器为输入，同时连接WIFI，采用多种传感技术，以达到控制土壤湿度的目标。但目前大多数自动浇花机器人大多数都是以单盆栽培为对象，也有学者研究出移动自动浇水平台，但对机器人的路径规划研究大大增加了开发成本，并且移动平台储水量较小，移动的机器人若想实现长期的自动化，需要对应设计自动补水装置。此外现有浇花机器人的试验都是较为理想的环境下进行的，对植物的周围环境及花盆大小、高度缺乏考虑，同时存在浪费水资源等问题。
总结前人经验，针对出现的问题，我们提出了以增强机器人的普适性，科学用水为目的智能浇花机器人。
2. 作品介绍
2.1 设计思路
团队首先通过如何对植物进行合理养护进行资料查找分析，比较市面上已有浇花机器的优略，扬长避短，对浇花机器人应具有的功能进行分析总结，根据分析结果对浇花机器人的功能和结构进行设计，设计内容主要包括：整体结构设计，浇花机构设计，检测系统设计及控制系统设计等。
2.2 装置简述
本设计的目标是解决室内盆栽植物的浇灌养护问题，实际装置如下图所示：
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg9_H1qgYo1pKnzQYw-wg4sQM!800x800.png.webp装置实物图
机械方面，主要由履带机构、剪式可伸缩连杆机构和齿轮机构组成。履带结构由舵机提供动力，履带上搭载剪式可伸缩连杆机构，实现将喷头移动到需浇水盆栽所在位置。剪式可伸缩连杆机构上装有喷头，主要用于控制出水喷头的升降，可适应于高度不一的盆栽。齿轮机构可实现遮阳板的打开与收缩。
控制方面，主要包括arduino开发板、舵机、水泵以及多种传感器。arduino开发板是控制中心，通过多个舵机的配合实现喷头的移动和伸缩、花盆转动和遮阳板的开启和闭合；通过水泵控制水的开合启动；通过多种传感器感知周围环境，并对此做出反应，做到对不同环境的自适应性。
在制作过程中，主要采用了探索者套件进行设计与制作，同时辅助采用了3D打印技术对特殊零件进行加工制作，通过这些初步搭建了机器人的模型，然后通过arduino开发板进行程序编写与调试，最终使机器人样机实现了预期的功能，验证了机器人的可靠性和实用性。
3. 装置原理设计
3.1 整体结构设计
如下图所示，整体装置由框架，转盘，移动轨道和遮阳板组成。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAgieP1qgYomqLubDCeBDihBA!400x400.png.webp整体模型图 框架整体采用半包围结构，可以根据实际空间的大小铺设轨道，可以节省材料与空间；在框架的前部装有放置花盆的转盘，转盘的数量可以根据实际盆栽数量设置；在框架的后方是喷头的移动轨道，隐藏在花盆之后，保证了装置整体的美观性；在框架的上方装有遮阳机构，该机构与框架之间采用“人”字形支撑，既保证了遮阳板机构的稳定性，又节省了材料。
3.2 浇花机构设计
如下图所示，装置主要分为转盘、出水装置、履带机构和剪式可伸缩机构组成。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg-eP1qgYogpr96gQwowU41gI.png.webp移动机构的模型示意图
转盘用于放置花盆，每隔一段时间，舵机带动转盘转动，保证植物均匀接受光照；出水装置由水泵带动出水；履带机构依靠舵机带动履带转动，将喷头移动到需要浇水的花盆后方；剪式可伸缩机构底部与舵机相连，舵机转动带动连杆转动，实现喷头的升降，同时为了防止水浇到花盆之外，剪式可伸缩机构向前倾斜。
3.3 遮阳机构设计
如下图所示，遮阳板机构主要由齿轮、滑块和连杆机构组成。机构依靠舵机带动齿轮转动，通过齿轮啮合带动同侧的滑块和齿轮的移动，同时连杆机构进行转动伸缩，带动另一块板上的齿轮和滑块的移动。
为了固定滑块的运动轨迹，保证移动的精确性，在板子上开设轨道，通过螺丝钉和轴套的结合保证滑块可以顺利的移动。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg8OT1qgYonpibZzDfBTiLBA!600x600.png.webp遮阳机构模型图
3.4 检测系统设计
本装置采用土壤湿度传感器、温度传感器、光照传感器、超声波传感器等多种传感器，用于对盆栽环境的检测以及装置的精确移动，实现对不同环境的自适应性。
如下图所示，土壤湿度传感器检测土壤的湿度值，当湿度值低于设定值时，启动继电器吸合，装置进行移动浇水；高于设定值时，继电器断开，装置归位。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg6eX1qgYo8uSS3AIw1wI4xwE.png.webp土壤湿度传感器 如下图所示，温度传感器采用DS18B20芯片，用于检测环境温度，当温度高于设定值时，装置不会进行浇花工作。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg3ub1qgYojrih4AEwlQI4mQE.png.webp温度传感器 如下图所示，光照传感器用于检测光照强度，当光照过强时，遮阳板将打开。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAgwuf1qgYop_fBjgcwqwE4pAE.png.webp光强传感器 如下图所示，超声波传感器可以测量2cm-450cm的非接触式距离，测量精度可达3mm,装置喷头的伸缩机构通过该传感器对于不同高度的花盆进行高度的伸缩定位。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAg7ev1qgYogJCS2AcwhQI4yAE.png.webp超声波传感器
4. 工作过程
下面简要介绍该机器人的工作过程，重点介绍一下环境检测过程和浇水过程。
4.1 环境检测过程
环境检测：装置上装有土壤湿度传感器和温度传感器，两种传感器实时感应土壤的湿度值和温度值，当实际的温度值满足设定要求，并且土壤湿度值低于设定值时，装置启动；当实际的温度值不满足设定要求时，装置不会启动；
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAgoO31qgYo4N6Krwcw8wI4tAI.png.webp环境检测的流程图4.2 浇水过程
浇水转置：装置启动后，喷头随着履带到达需要浇水的盆栽前，喷头通过超声波传感器感应进行升降，当感应到前方无障碍物时，喷头停止升降，水泵打开进行浇水，浇水结束后，喷头自动回到初始位置。
https://28846868.s21i.faiusr.com/4/ABUIABAEGAAgg_71qgYo-uSb-AYw8QI4hAQ.png.webp浇水过程的流程图
4.3 遮阳过程
遮阳过程：在装置顶部装有光强传感器，当光照过强时，舵机带动齿轮转动，通过齿轮啮合使连杆机构展开，进行遮阳工作，当光照消失后，舵机反向转动，带动整个机构收缩，将遮阳板收回。
4.4 旋转过程
花盆旋转：花盆每隔一段时间，便会依次旋转一定的角度，保证了植物可以均匀受到光的照射，更好的生长。
5. 装置创新点
① 喷头设计：机器人的浇水喷头可以依靠超声波传感器进行自动升降功能，以实现对不同样式、高度的盆栽进行浇水的功能。
② 轨道设计：轨道单元化设计和半包围结构，可根据实际需求铺设支架，节省空间，喷头通过履带上移动，可以实现快速且精准定位。
③ 遮阳机构：通过光照传感器感应光强，能自动开合遮阳板。
④ 浇水装置：机器人会实时检测土壤的温湿度值，当土壤温度值满足所设定的值，并且当前湿度值低于最低湿度值时，机器人自动移动到花盆面前，进行浇水，当土壤湿度值达到最高湿度值时，停止浇水。
⑤ 在遮阳板下方采用“人”字形支架进行支撑，既可以节省材料，又可以增强结构的稳定性。
6. 总结与分析
6.1 作品应用前景
本装置主要用于浇灌盆栽植物，解决了人们由于工作任务、差旅现象等情况下，无法照顾植物的问题，此外，该装置可以根据所处环境的温度、光照等因素进行实时检测，实现对植物进行专门化看护，具有对环境的自适应性。
随着人们对于高品质的生活的追求，盆栽植物深受人们的喜爱，它不仅可以美化环境，也可以净化空气，给人们营造轻松愉悦的氛围，因此，本装置解决了室内盆栽植物的养护问题，可以对多盆盆栽植物的浇灌和养护，实现了智能化、科学的用水，同时转置便于安装，可以根据不同的空间大小，进行组装，尽可能的解决对空间的浪费和占用，有利于在家居环境的使用。
6.2 成本分析
本装置的设计初衷就是为了让浇花机器人走进千家万户，是人人都可以负担起并使用的机器人，因此设计时，我们充分考虑了成本问题。装置主体与遮阳板间采用“人”字形支架等机构，可以做到既节省材料，又节约成本，可以满足一个普通家庭的使用。
参考文献 侯鸣. 从实际出发养护盆景. 花木盆景(盆景赏石), 2008(05): 68-69
闫扶扬. 基于用户体验的自动浇水花盆设计. 黑龙江省：哈尔滨理工大学，2019
居银刚, 郑再象, 方剑宇, 顾友霖. 巡检机器人新型剪式自动伸缩机构的设计研究. 机械工程师, 2021(12): 30-32.
赵英杰. 完美图解 Arduino互动设计入门. 北京: 科学出版社, 2014.
*更多详情请见：【S030】自适应智能浇花机器人【https://www.robotway.com/h-col-293.html】
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