[0001] 本发明涉及农作物播种技术领域，特别涉及一种农作物播种一体机、播种系统及工作方法。

[0002] 芋头在我国有着悠久的历史和重要的地位，是我国传统农作物之一，而以荔浦芋头为主的大芋头已经我国多个地区广泛种植，而以洛川芋为首的小芋头存在着播种种苗存
活率较低，人工播种耗时大，产量较低，市场价格较高的问题，不仅导致了小芋头的种植产
业难成规模，更加限制了其的市场竞争力和发展前景。

[0003] 现阶段兴农机械重点发展方向始终聚焦于大面积作物播种或收获工作，常适用于小麦、玉米、土豆等刚需杂粮种类，因为这些作物大多无特殊播种要求、生长环境适应性强
与存活率高、常常大面积大数量播种，国内外已存在成熟的自动化大型播种设备并应用于
实际的农业生产中；而面对小芋头、山药、莲藕等有着特殊的播种需求或不适用于密集播种
的作物，目前普遍由人工进行翻垄、播种、覆膜、收获等工作，同时也存在着种苗存活率低、
人工耗时大，并且难以进行作物全生命周期监测的问题。

[0004] 现阶段对于播种有特殊需求的作物进行播种时，常使用直筒式机构进行放种及使用传动齿轮使铲子上的齿条啮合蜗杆转动运动进行挖穴；但使用直筒式的机构在放种时难
以辨别农作物的芽苗的方向，并同时挖穴结构使用齿轮时是经过两次传动使得传动效率较
低，挖穴较慢，在直筒式的机构将芽苗方向不一的农作物传输而来时，挖穴工作没有完成，
通常会使得农作物以不同倾斜角度半埋于土壤中，难以实现优异的播种效果。

[0044] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发
明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不
违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

[0045] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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。

[0046] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0047] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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
部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员
而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0048] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0049] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以
是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平
的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施
方式。

[0050] 参见图1～图3，本发明实施例提供了一种农作物播种一体机、播种系统及工作方法，包括种箱模块、挖穴模块、放种模块、施肥模块、灌溉模块、覆膜模块；还包括管理机构，
管理机构分为通信模块与监测模块，通信模块通过蓝牙模块上传工作指令，由5G模块将监
测数据反馈至Onenet云平台，用户可通过手机app或电脑实时查看，机器人电控主要使用
Arduino程序进行编程控制。具体包括：

[0051] 一、种箱模块设计。

[0052] 1、种箱整体结构。

[0053] 种箱整体上下分为两层，每层可放10个小芋头，最多存放3*10个；各芋苗间通过隔板分离为存储仓，上下层间通过隔板四连杆抽拉结构，在下层完成播种后，可抽离隔板将上
层芋苗保持芽尖朝上的状态落至下层。种箱整体长宽高尺寸为590mm*300mm*200mm，各存储
仓尺寸为75mm*56mm*80mm。

[0054] 2、隔板抽拉机构。

[0055] 为了保证播种的有序性和便捷性，种箱的隔板抽拉结构使用了四连杆运动机构。在芋头无需落下时，隔板运动至最前端与种箱侧板紧贴，在需要落下时，电机驱动曲轴转
动，通过连杆传动带动隔板沿导轨向后移动，保证芋苗平稳落下；如图4和图5所示。

[0056] 四连杆机构由一个曲柄(由齿轮替代)，两个连杆组成。但因为机构的对称分布，共有四个连杆和两个齿轮(曲柄)组成，故简称为四连杆机构；其中，曲柄末端的滑块由齿轮上
的尼龙棒替代，穿过连杆的空心槽轨由齿轮带动沿连杆径向运动带动连杆旋转。而两侧连
杆头部的滑块固定在导轨上能使两侧同步运动，再将滑块连接在抽板上；齿轮由一个步进
电机进行驱动，从动齿轮传动比为1：1。齿轮随电机固定在电机架上，保证电机轴末端不会
干涉到连杆的运动。

[0057] 二、放种模块设计。

[0058] 1、放种模块整体结构。

[0059] 如图6所示，放种模块可以分为两个部分，上方为亚克力种箱2，将根据芽尖方向通过转动杆送到两侧对称的筒内，放种抓手将根据两侧筒内是否有待种芋苗进行抓取并送到
待放坑上方，再松开四爪完成放种工作；总体长宽高为：650mm*500mm*563mm。

[0060] 2、放种箱机构设计。

[0061] 亚克力种箱2四壁通过第一M6螺丝12固定在铝型材料上，保证了在实机运作时的稳定性；进入亚克力种箱2的芋苗可以沿斜壁滚入中心槽中，中心槽底部为尖端弧口，保证
芋苗落下时不会直接进入两侧筒中，而是先相位在中心处，等待旋转杆；工程图如图7、图8
及图9所示；当小芋头落入中心槽后，中心槽滑台3背部固定在电动丝杠的滑块上，丝杠步进
电机旋转，使中心槽滑台沿亚克力种箱2内部向下移动直到与两侧管道边缘相切，根据芽尖
朝向控制旋转杆的旋转方向；若芽尖朝左，即旋转杆需要顺时针转动，当运动到中心槽时推
动芋苗向右移动落入右侧筒中，并且最终保持了芽尖朝上落入圆柱型的放种抓手中；若芽
尖朝右，则旋转杆逆时针转动，推动芋苗落入左侧筒中，并由放种抓手送入待种的坑上方以
芽尖向上的方式落入；旋转杆使用步进电机驱动，并且可以使用识别视觉技术根据实际芽
尖朝向调整旋转方向。

[0062] 放种抓手可以分为旋转端和杯型抓手(取种杯10)两个运动机构；放种抓手机构前端为杯型抓手，后端固定在基座上，旋转端位于固定端前侧，由舵机7进行控制。

[0063] 放种机构的杯型抓手采用线驱动运动；当芋苗从放种箱筒种落至杯型抓手时，线驱动拨片5末端竖直向下，四线从缠绕末端到杯型缠绕孔的直线距离最短，在总线长不变的
情况下，抓手内部连接到四指的线更长，使四指收紧，对芋头进行抓取；在抓手手臂旋转运
动至中心的基座限位器上时，抓手已位于待放种土坑上方，同时线驱动拨片5可转末端与限
位器产生接触，末端头部沿限位器半圆柱切面移动从而不再保持头部竖直朝下，从缠绕末
端到杯型缠绕孔的直线距离变长，使四指在杯型内的线长变短，四指张开，芋头苗自然落入
坑内，完成放种。

[0064] 三、挖穴模块设计。

[0065] 1、挖穴模块整体结构。

[0066] 挖穴模块主要功能是在不同硬度的土壤条件下，均可以挖出符合小芋头播种大小需求的土坑，同时在放种时能够同时抬起挖出的土，在放种完成后将土覆回坑中完成填坑
工作，这样设计的优点在于不仅能在不同田地条件下进行挖坑与播种，更是将挖坑与覆土
功能通过同一模块实现；初步方案是使用步进电机控制中心蜗杆旋转带动四个啮合的齿轮
以1：3传动比进行转动，齿轮再与铲子上的齿条啮合带动四铲沿轨道向下或向上运动完成
挖穴操作或完成覆土操作，但在机构内部加入传动齿轮不仅使装配困难，更是通过两次传
动，使传动效率低下，并且导致铲子尖端在挖土时施加的下压力不足，很容易在硬质土地上
发生屈服形变导致机构损坏同时也无法完成挖穴任务；如图10所示，新设计的挖穴机构由
侧面为齿条组成的四个合金挖土铲24、直流电机控制的球形蜗杆25，整个挖穴机构固定在
两侧的传送带滑块，即同步带滑台组件22上，并可随滑块上下移动，相对于初版不仅加强四
个铲子的结构强度，更是去除了与蜗杆啮合的传动比为1：3的齿轮，让齿条与蜗杆直接啮合
提高了传动效率，增强了挖穴时对土壤表面施加的尖端下压力，结构轻量化的同时优化了
装配方案，同时不再使用电动推杆作为上升机构而使用丝杠保证了上升的稳定性。

[0067] 新设计的挖穴模块不仅有着更稳定的结构强度，更是使用了钣金件进行底盘的安装，相较于亚克力板装配方案更不容易出现在挖穴机构整体上升时出现前后晃动导致挖出
的土撒出的情况；挖穴机构最大可下降的距离(相较于挖穴模块底座)为200mm，机构整体可
上升的最高高度为传送带的行程为550mm，挖穴模块整体尺寸(正常工作范围内)为：222mm*
364mm*627mm。

[0068] 2、挖穴模块机构设计。

[0069] 如图11所示，新设计的挖穴模块主要由一个电机控制固定在传送带滑块，即同步带滑台组件22上的机架内部的球形蜗杆25转动，同时四个挖土铲24内侧齿条均与球形蜗杆
25啮合受蜗杆传动，传动比为1：1，即球形蜗杆25每旋转一圈，齿条根据转动方向向上或向
下运动一个齿数；各个挖土铲24通过使用倒边内六角对敲对锁螺丝与添加隔离垫片的方式
能够光滑地连接在机架上的轨道上随齿条运动进行下降或上升；四个亚克力支架23通过四
角连接件保持相对固定，并通过连接件固定在滑块上。

[0070] 3、挖穴功能实现的具体流程如下。

[0071] 电控系统下达指令开始挖穴，传送带步进电机正转，整体机架随传送带滑台下降，在到达待挖穴土壤表面时，传送带停止，电机控制球形蜗杆25开始转动，带动四个挖土铲24
沿机架圆弧形轨道下降，同时四个挖土铲24随齿条下降，铲头尖端逐渐合拢，完成挖穴工
作。

[0072] 此后四挖土铲24保持合拢状态，传送带电机翻转带动整体机架上升，在到达指定高度后，等待放种模块放种抓手将芋苗送至已挖好的坑穴上方，释放芋苗后，球形蜗杆25反
转使四个铲子因齿条带动上升并逐渐分开，此时挖出的土从正上方直接落入坑穴内完成覆
土操作。

[0073] 在完成一次完整的挖穴工作后，传送带电机和球形蜗杆25同时运动使机架和挖土铲24回到初始位置。

[0074] 本发明所设计的挖穴模块运作稳定高效，四铲机构可以对不同硬度的土壤进行挖穴工作，并且可以在托举起挖出的土壤的同时稳定上升且没有出现流失土壤的情况；特别
是球形蜗杆25与齿条传动的创新设计，球形结构保证了与圆弧形齿条相切，能够更好地啮
合的同时不会产生运动干涉，提高了机构的传动效率，增大了铲头尖端对土壤的下压力，使
挖出的坑穴形状稳定，每次挖穴的位置精确，没有出现土壤塌陷的情况，同时铲子也没有因
受到较大阻力产生屈服形变的情况，在覆土时能够准确地将土壤放回坑内完成对芋苗的填
埋，不会出现因覆土位置偏离导致芋苗外露的情况。

[0075] 四、施肥与灌溉模块设计。

[0076] 1、施肥与灌溉模块整体设计。

[0077] 如图12所示，施肥与灌溉机构可以分为肥料箱、水箱和送料器三个部分，水箱与肥料箱通过铝型材直接固定在车架上，送料器通过钣金电机架连接在肥料箱下端。施肥机构
与水箱的整体尺寸为：216mm*206mm*400mm、290mm*130mm*240mm。

[0078] 2、施肥与灌溉机构设计。

[0079] 施肥与灌溉机构主要分为施肥机构与灌溉机构，灌溉机构主要由水箱与水管组成原理相对简单，但是最终都将与施肥机构的输出管连接到一个三通接口，再使用直流电机
隔膜泵控制流速实现施肥与灌溉功能；施肥机构上方为肥料箱，肥料箱输出口连接着送料
器；送料器可以比作一个4齿的齿轮，两齿间是每次施肥肥料的输送仓，送料器中心轴通过
联轴器与固定在电机架上的步进电机输出轴连接，步进电机带动送料器转动，每转动45°完
成一次送料，以此往复；送料器的设计不仅保证每次输送的肥料量是相同的，更是可以随时
停止送料；送料器输出口与连接到水箱的水管输出端都连接在一个三通接口上，三通接口
输出端通过管道与直流电机隔膜泵连接，隔膜泵可以通过控制产生的吸力大小来改变流体
流速，对水流和肥料进行输送，泵的输出端连接到管子上，最终可以直接将肥料与水分输送
到放种后的坑穴内，实现实时精确施肥与灌溉功能。

[0080] 五、覆膜模块设计。

[0081] 对于小芋头等芋类作物，覆膜减少了土壤水分蒸发，还起到蓄水保墒的效果；在地膜的保护下施入土壤的肥料不会因风吹、日晒、雨淋而损失，也有效地控制杂草的生长。

[0082] 覆膜机构主要由辊轮、三角形刀片、基座组成；滚轮通过钣金连接件连接在车身铝型材上，可以根据车底面距离需要覆膜田地的高度进行调整，保证辊轮能够紧贴土壤表面
对覆上的膜进行按压；同时，将切膜机构的三角形刀片连接在电动推杆上，电动推杆可以提
供足够的下压力实现自动切膜；如图13所示。

[0083] 本发明主要由种箱模块、放种模块、挖穴模块、施肥与灌溉模块和覆膜模块组成；整体三维图如图14所示；其中挖穴模块将面对不同硬度与高度的土壤的挖穴工作，在初版
挖穴机构的实地实验中，因为使用了传动比3：1的齿轮降低了传动效率，在面对硬质土壤
时，有铲头出现了因阻力过大产生了屈服应变的弯折或直接从齿条处产生了断裂的现象；
新设计的挖穴机构稳定性高；其中放种模块的杯型抓手因为通过增加了基座加强了机械臂
抗重力矩形变的能力。

[0084] 本发明采用模块化设计，各个功能通过模块化设计，在进行播种工作时又能系统性协调运作；若需要添加新的功能模块，各模块可以根据工作需要灵活拆卸拼装，保证了在
进行不同工作时，机器人的轻量性和专业性。

[0085] 本发明功能集成化，在目前实际农业活动中，现有农机有着功能单一、耗费人力、智能化程度低和运作精度低的缺点；本发明将小芋头播种与管理所需的所有功能集中于一
车上，并且各功能不仅运作精度高、结构稳定、更是高自动化与协调化，可以系统整体持续
稳定运作。

[0086] 本发明在传动机构进行创新，在挖穴机构中，设计了球形蜗杆25与圆弧形齿条的传动结构，只需要控制一个电机，便可以带动铲子向下挖取挖穴，更是可以完成放种后的覆
土工作，在提高传动效率的同时保证了机构的精确性、稳定性和简便性；同时，在放种结构
中设计了线驱动的杯型放种抓手，通过加入限位器控制抓手对芋苗的自动抓放，简化了电
控布局的同时，体现了欠驱动抓手的前沿设计。

[0087] 本发明通过加入智能、数字和5G通信技术等先进技术，不仅可以保证播种和管理工作的准确性，更是为隔空进行农作物状态检测管理提供了技术支持；具体地，本发明使用
了5G技术、北斗导航技术与工业互联网云平台技术；使用5G技术与北斗厘米级精度定位技
术，实时采集北斗定位数据，并通过HTTP协议实时上传到中国移动Onenet云平台上，让使用
者可以在多平台实时查看工作位置，不仅是GPS定位数据；同样结合目前快速发展的智能传
感器技术，我们可以对作物的生长环境信息进行采集，并实时上传到云平台上，本作品已采
用湿度温度传感器对车辆环境进行实时监测；本发明搭载摄像系统，定期在农田里进行作
物生长状态记录，同时使用先进的神经网络技术YOLOV8架构训练洛川芋遭受病虫害的识别
库，图片上传后进行对比，对出现病虫害的植株进行报警。

[0088] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来
说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护
范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。