盆栽智能底座的設(shè)計(jì)與制作

江 潔，張 森，劉云瑞，閔 潔，郭德偉，張文斌

(1.紅河學(xué)院：a.工學(xué)院，b.云南省高校高原農(nóng)機(jī)機(jī)電一體化技術(shù)研究與應(yīng)用工程研究中心，云南蒙自 661199；2.昆明理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明 650031）

盆栽極大地豐富了人類的精神生活，在生活節(jié)奏飛快、人們壓力激增的當(dāng)下，盆栽越來(lái)越多地進(jìn)入到人類日常生活中，成為生活的日常所需。目前盆栽培育優(yōu)劣程度，過(guò)度依賴于栽種者的養(yǎng)殖護(hù)理經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，特別是對(duì)于植物至關(guān)重要的光照因素，一旦掌握不好會(huì)造成植物死亡[1]。這些都給普通盆栽愛好者栽種盆栽帶來(lái)了極大的不便。依靠智能化的手段輔助種好盆栽無(wú)疑成為研究的熱點(diǎn)[2-4]。2015年，李武云等設(shè)計(jì)了一種能夠適時(shí)檢測(cè)土壤濕度、環(huán)境溫度的智能花盆。2019年逯文杰等設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能花盆機(jī)器人，主要基于MDK5.25軟件開發(fā)平臺(tái)檢測(cè)了尋光、避障、澆水、防跌落、蜂鳴提示等功能[5]。2017年，舒方強(qiáng)對(duì)智能家居中的盆景控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用Arduino單片機(jī)作為主控制器,將盆景的植物層和動(dòng)物層有機(jī)結(jié)合在一起,并通過(guò)樂聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控。目前此類產(chǎn)品的研究多集中在控制算法的設(shè)計(jì)，花盆本身的智慧功能方面，存在多種盆栽適應(yīng)性差，缺少實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)等問題。

為此本文提出一種智能盆栽底座的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，能夠解決陽(yáng)臺(tái)型綠植的養(yǎng)護(hù)問題。能夠監(jiān)測(cè)盆內(nèi)的土壤濕度，環(huán)境溫度，通過(guò)內(nèi)部控制對(duì)比溫濕度來(lái)提示人們是否澆水。檢測(cè)光照強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)追光運(yùn)動(dòng)。

1.設(shè)計(jì)方案的選擇

根據(jù)全向輪的布局方式，本文初步擬定了兩種方案，選擇較為合理的方案運(yùn)用在盆栽智能底座中。

1.1 三輪移動(dòng)平臺(tái)布局方案

三輪配置驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[6]，主要是一個(gè)全向輪和獨(dú)立平行雙輪驅(qū)動(dòng)的三角布局方式，其轉(zhuǎn)向原理是靠?jī)蓚€(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電機(jī)的差速轉(zhuǎn)動(dòng)或者反向轉(zhuǎn)動(dòng)，但是這種方式只適用于平坦路面，因?yàn)槿蜉喿杂啥容^多，所以運(yùn)動(dòng)方向不固定[7]，轉(zhuǎn)向不精確。采用三輪配置的移動(dòng)平臺(tái)對(duì)于地面有三個(gè)接觸點(diǎn)，可以保障其約束在世界坐標(biāo)系X-Y平面上無(wú)晃動(dòng)。但在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，尤其考慮到本次設(shè)計(jì)盆栽底座的通用性，放置多個(gè)盆栽或盆栽放置不在底座質(zhì)心時(shí)，更加容易側(cè)翻。三輪布局如圖1所示。

圖1 三輪布局方案

三輪移動(dòng)平臺(tái)中，結(jié)構(gòu)、控制動(dòng)力簡(jiǎn)單。三點(diǎn)確定一個(gè)平面，即便在不平地面，也能夠?qū)崟r(shí)保持與地面的可靠接觸。但通過(guò)差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向不精確，前進(jìn)行程過(guò)大。并且在轉(zhuǎn)向過(guò)程中，又因?yàn)槿齻€(gè)支撐點(diǎn)造成的質(zhì)心問題，容易發(fā)生側(cè)翻。

1.2 全向四輪移動(dòng)平臺(tái)布局方案

在車輪布局上，常見的有車輪左右對(duì)稱分布，交叉對(duì)稱分布和十字對(duì)稱分布；驅(qū)動(dòng)方式有獨(dú)立四輪驅(qū)動(dòng)、兩輪驅(qū)動(dòng)。后兩種車輪布局方式一般應(yīng)用于全向輪四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)方案，最終以實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)的能力。兩者都可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向的功能，且彌補(bǔ)普通移動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)向前進(jìn)行程過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的缺陷。具體如表1所示。

表1 全向四輪移動(dòng)平臺(tái)布局方案

綜上分析，選擇四輪交叉對(duì)稱配置的四輪驅(qū)動(dòng)方式，控制方法相對(duì)簡(jiǎn)單，不用速度合成矢量計(jì)算。由于應(yīng)用環(huán)境地面的光滑，四輪機(jī)構(gòu)能夠均勻著地，不會(huì)出現(xiàn)晃動(dòng)，移動(dòng)過(guò)程能保證平穩(wěn)性。即便搭載的盆栽偏質(zhì)心放置也不會(huì)出現(xiàn)三輪平臺(tái)所出現(xiàn)的側(cè)翻狀況。采用全向輪可實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎，彌補(bǔ)轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)需要一定前進(jìn)行程的缺點(diǎn)。由于本次設(shè)計(jì)對(duì)尺寸要求不高，在陽(yáng)臺(tái)平滑環(huán)境運(yùn)動(dòng)，載重不大，采用四軸直流電機(jī)傳動(dòng)，四軸十字對(duì)稱分布配置結(jié)構(gòu)方案。

2.系統(tǒng)關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選擇

對(duì)于移動(dòng)平臺(tái)，其工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑是不確定的，針對(duì)運(yùn)動(dòng)條件及環(huán)境，以鋰電池來(lái)為其提供能源，是考慮到設(shè)計(jì)盆栽底座載重不大，運(yùn)行要求不高。選用直流有刷電機(jī)。它的優(yōu)點(diǎn)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，啟動(dòng)快、制動(dòng)及時(shí)、控制電路相對(duì)簡(jiǎn)單；使用成本低等方面。電機(jī)參數(shù)如表2所示。

表2 電機(jī)參數(shù)

2.2 電機(jī)支座的設(shè)計(jì)

電機(jī)作為整個(gè)底座的傳動(dòng)部分，有一個(gè)穩(wěn)固的支座是必須的，根據(jù)選擇電機(jī)的具體尺寸和安裝預(yù)留孔位置，設(shè)計(jì)的電機(jī)支座尺寸如圖2所示：

2.3 底座機(jī)架的設(shè)計(jì)

底座根據(jù)需要搭載的托盤具體尺寸，電機(jī)支架預(yù)留孔位置，考慮到該機(jī)器于室外運(yùn)動(dòng)，不封裝電子器件和電池會(huì)損害其使用壽命，所以直接選用市面上現(xiàn)有的花盆托盤作為底座基體，進(jìn)行打孔加工制作。

2.4 全向輪的設(shè)計(jì)

建模設(shè)計(jì)出全向輪[8-9]，在底座運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，地面對(duì)全向輪的反作用力會(huì)施加于滾輪上，錯(cuò)開的輪轂[10]能保證每個(gè)全向輪在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都有一個(gè)滾輪支撐，具有足夠的承載力。選用M2的螺栓作為每個(gè)滾子的支撐桿。

2.5 整機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

該盆栽智能底座主要由機(jī)架、托盤、全向輪和電機(jī)等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 盆栽智能底座結(jié)構(gòu)圖

3.實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

按照上述理論，本研究設(shè)計(jì)的盆栽智能底座如圖3所示。

圖3 盆栽智能底座實(shí)物圖

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，對(duì)樣機(jī)進(jìn)行搭載盆栽追光實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：采用全向四輪十字對(duì)稱布局的智能底座進(jìn)行工作，能夠?qū)崿F(xiàn)光照強(qiáng)度對(duì)比、實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度濕度以及避障的要求。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文完成了盆栽智能底座的設(shè)計(jì)，具有新穎性和移植互通性。結(jié)果表明：在其開機(jī)工作后，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)搭載二到三盆盆栽在陽(yáng)臺(tái)上自動(dòng)追光。實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度、濕度以及移動(dòng)過(guò)程中避障。該盆栽底座具有如下特點(diǎn)：

（1）選擇了全向輪移動(dòng)平臺(tái)盆栽底座的結(jié)合，控制相對(duì)簡(jiǎn)單的方案。

（2）相較智能花盆而言，智能底座可實(shí)現(xiàn)搭載多個(gè)花盆或多個(gè)盆栽，通用性較強(qiáng)。