云梯打印式智培增收系统

一、创新背景

中国，东方大国，领土面积广阔，自然资源丰富。然而，中国的地形复杂多样，以山地和高原为主，平原相对较少且分散，尤其是中西部地区，这种地形特点在一定程度上影响了适合耕种的农田面积。

我国中西部地区多山地、高原和丘陵，耕地分布零散，不利于大规模机械化耕作。部分地区的土壤贫瘠，肥力水平低，导致农作物产量不高；同时，中西部地区水资源时空分布不均，干旱和半干旱地区面积大，农业灌溉用水紧张，制约了农业的发展。中西部地区耕地基础设施条件薄弱，灌溉设施不完善、效率低下，无法满足农作物生长的需求，导致农作物产量不稳定。另外，西部地区交通条件相对较差，农产品运输成本高，也影响了农产品的销售和农民的种植收益。

我国一直致力于土地资源的合理利用和保护，通过实施一系列的土地管理措施，努力确保粮食安全和生态环境的可持续发展。然而，只依赖政府的“三农”政策与农民的“辛勤劳作”无法改变固有的、不利的自然与地理条件，唯有依靠科技创新和技术进步，提高农业生产力，未来才有望进一步开发现有的土地资源，增加土地的利用率和产出效益。

二、创意方案

针对我国中西部耕地条件与农业现状，依靠农业科学、机械工程、生物工程、电子信息科学等现代技术，发明一种既能克服中西部不利的耕地条件，高效种植、养护，增产增收，又注重新系统实际应用的成本效益以及环境影响，是唯一的、可行的路径。

3D打印技术，是近年来被广泛推广的快速成型技术，根据数字化模型，通过逐层叠加材料来制造实体物品。在农业领域中，3D打印技术可以用于制造农业工具、设备或模型，甚至可用于打印种子、肥料等农业物资。

电扶梯式升降系统是一种结合了电梯和自动扶梯特点的升降设备，系统既具有电梯的垂直运输功能，又借鉴了自动扶梯的连续运输、往复运转特性，可实现机械装置往复连续作业。

智慧农业是新兴的农业模式，利用现代智能设备、信息技术实现农业生产的智能化、自动化和精细化。在智慧农业中，各种技术手段被广泛应用于种植与收割、作物生长管理、病虫害防治等，这些技术的应用可提高农业生产效率和质量，降低生产成本，并有助于实现农业可持续发展。

将3D打印、电扶梯等现代技术原理，与智慧农业理念相结合，发明一结构与电扶梯相同、可往复连续运转，播种、养护、收割与3D打印机相似，可精准种收，再结合计算机、通信、人工智能技术的现代农业机械，研制“云梯打印式智培增收系统”的自动化设备，为我国农耕提效、为农民减负，为农业增产增收，为美丽新农村提供“新质生产力方案”，意义重大而长远。

云梯打印式智培增收系统结合了电扶梯的连续运转功能和精准打印技术的高精度特点，用于增加种植面积、改善耕地条件、农田连续作业、精确施加农业物资等，提高农业生产效率，减少资源与物料浪费。

三、结构说明

设计云梯打印式智培增收系统，打造全新的智能装备。系统主要由构架基础、种植蓝、回转装置、打印执行系统、云视智控系统与太阳能矩阵模块等组成。

1.构架

构架是系统的安装与运转基础，主要由不锈钢材质的型钢焊接成框架结构。利用构架型材的中空结构特点，设置了集雨槽与聚雨池，可高效地收集并利用自然雨水浇灌农作物。
2.种植篮

种植篮由不锈钢板焊接成敞口容器，长梯形、上宽下窄。

种植篮外形尺寸：长21000mm，宽630mm，深600mm。单篮的种植面积即可达到0.02亩（市制）。

3.回转装置

梯式回转装置主要传送带、回转轮、伺服电机及控制装置组成。

4.执行机构

打印式执行机构是本系统的技术核心部件，主要由三爪抓手与切割镰刀、垂向丝杠螺母移动机构、流粒收注装置、横向丝杠螺母移动机构等组成。

1）横向丝杠螺母移动机构由驱动伺服电机、大螺母、横向导杆组成，电机旋转，控制螺母沿着导杆轴向实现水平横移、往复运动。

2）垂向丝杠螺母移动机构由伺服电机、螺母、垂向导杆组成，电机旋转，控制螺母沿着导杆实现垂向位移、上下运动。

3）三爪抓手由小电机按照指令，驱动丝杠螺母副、带动三套“手指形”杠杆机构实现拾取、抓握等动作。

4）切割镰刀由小电机按照指令，驱动丝杠带动刀头实现快速、准确切割等动作。

5）流体收集装置由“鹅颈形”收储舱、舱盖等组成。收集装置可收集、储存液体，如水、农药，还可盛装小颗粒物体，如种子、化肥等。

6）颗粒压注装置由小电机按照指令，驱动齿轮，带动齿条连同活塞，挤压锥形管，实现流体的灌注与颗粒的播撒。

5.云视智控系统

云视智控系统提供视觉监控，同时联网通讯系统，实时向种植户与种植基地传送农作物生长信息。同时，云视智控系统具备自学习功能，对比农作物与大数据标准的区别，为系统智能化种、养、护、收提供数据控制指引。

6.太阳能矩阵模块

太阳能板按矩阵有序排列，吸收光能并转化为电能储存，为系统运转工作提供动力能源。

太阳能板由驱动电机带动、可绕着转轴旋转、调整受光角度，最大限度地吸光、储能。

四、创新特点与优势

云梯打印式智培增收系统作为高效、快速的农业种收系统，主要用于坡地、高原、丘陵地形、少雨、贫瘠山区的农作物种植、养护，也适用于平原、雨水丰沛地区的粮蔬花果增产增收，其特点和优势如下：

1.“云梯”式连续自动化作业

将云梯式连续往复作业的特性应用于农业领域，可为农作物自动化种植提供精细作业平台，连续化、往复循环的播种、施肥、除草、灌溉、收割，可降低劳动强度，节省劳作时间，提高生产效率。

2.增加可种植面积

本系统外形的设计尺寸（长×宽×高）为：22000mm×15000 mm×12000 mm，利用云梯式结构，可将占地330平米的土地扩展至666平米的可种植面积，达到市制一亩地的种植规模。

种植面积=单篮面积×运转数量=0.02×50=1（亩）

在现有的土地上实现耕种面积翻倍，以期达到增种、增产、增收的目标。

3.精准“打印”式种收

利用现代科技手段，尤其借鉴“3D打印”技术原理，实现农业生产的智能化、自动化和精细化种植管理。精准“打印”式农业技术可以精确控制作业时间、位置和方式，精准间隔播种、除草，精准控制施肥、农药实施剂量，精准无损灌溉、收割，从而提高农业生产精准度、养护质量和效率，减少物资浪费，同时减少人力成本和对环境的破坏。

4.高效利用新质能源、自然资源

采用太阳能吸能、储能、供电系统，以及雨水收集装置，就地取能取材，克服高原、丘陵、山区的交通不畅、供能不便的缺点。利用当地新能源与自然资源，实现“本地作物本土种，本地资源充分用”的本土化农业特点。

5.自然种植、绿色养护

采用开放式的作物种植方式，拒绝蓬养，充分利用自然环境的特点，使用自然光、自然水，通过实现精准作业，提高农产品的量和质，推动农业向现代化、智能化方向发展。

五、设计原理与关键技术

云梯打印式智培增收系统是融合了先进技术与创新理念的农业系统，其创意原理与关键技术：

(一)、设计原理

1.云梯结构

系统的运转机构采用云梯式设计，不仅能实现垂直空间的高效利用，还可通过精确控制光照、温度、湿度等环境因素，为植物提供理想的生长环境；巧妙构思与精心设计，便于农作物的种植、管理。

2.精细化种植

系统采用“打印“式种护技术，通过精确计算，将种子、肥料、农药按需分配到指定的位置。确保种、肥、药的均匀分布和充足的养分供应，从而提高农作物的生长速度和产量。同时，精准地除草与收割，确保作物的成活与收获。

3.增产增收

云梯结构打印式智慧种植系统通过种植环境优化、种植面积增倍，提高种植效率，实现农作物的增种增收。同时，系统还可以根据市场需求和农作物生长情况，灵活调整种植策略，为农户提供种植建议，进一步提高农业经济效益。

(二)、关键技术

1.云梯结构设计与优化

云梯结构的设计和优化是实现垂直空间高效利用的关键。通过合理的结构设计和材料选择，确保云梯结构的稳定性和耐用性。同时，通过优化云梯结构的布局和配置，可以实现更高效的种植和管理。

2.自动化种植技术

自动化种植技术包括精确的播种、灌溉、施肥、养护和采摘。系统通过精确的视觉器和执行器，实现农作物的自动化种植和管理。系统配备自动化种收设备，能够根据作物生长情况和成熟度，自动进行培植与收割作业。种收过程中，系统可实时监测播种与收割效率，减少作物损失，确保种收全过程作业的高效性和准确性。

3.智慧化管理

本系统通过物联网、大数据和人工智能等技术，实现对农作物生长环境的实时监测和智能调控。根据作物生长周期、土壤、环境条件，系统可自动调整种植计划和施肥方案，实现精准农业。通过收集和分析环境数据，可以预测农作物的生长趋势和病虫害风险，及时采取打药、驱虫措施进行干预，确保农作物的健康生长。

云梯打印式智培增收系统通过融合精准种植和自动化养护等先进技术，实现了农作物的高效种收和管理，其关键技术为农业生产的可持续发展提供了有力的支持。

（三）、应用前景

云梯结构打印式智慧培植种收系统具有广泛的应用前景，特别是在现代农业、精准农业和智能农业领域。通过智能化管理、精准化种植和自动化养护等功能，该系统可显著提高农业生产效率和经济效益，降低农业生产成本和环境影响。同时，该系统还可为农业生产提供科学依据和智能化决策，推动农业向更加高效、可持续和智能化的方向发展。

六、使用说明

云梯打印式智培增收系统采用全自动智能运转以及控制模式，即系统的耕、种、灌、养、护、收，均由联网的智控系统集中控制，并通过机械、电气、电子、通信、算法等执行装置完成作业。

1.耕

利用三爪抓手与切割镰刀，由智控系统通过执行装置，驱动电机带动丝杠螺母，并与回转装置配合，共同完成种植篮中土壤的翻犁作业。

2.种

使用云视智控系统全程监控种植作业，采用流粒收注装置自动化播种，以提高种子的成活率。

3.雨水收集与储存

巧妙利用构架结构，收集、储存自然水，以备作物需要灌溉时取水。

4.无损灌溉与精准施肥注药

使用流粒压注装置实施水、化肥、农药的精准加注；节约水的使用，并最大程度地减少农药与化肥的施用。

5.无损收割与精准除草

利用切割镰刀与三爪抓手，由电机带动丝杠螺母，并与回转装置配合，实现作物的无损收割与精准除草。

6.智能化功能扩展

利用先进的智控系统和算法，对系统运行进行精确计算和调度，以实现最优的耕种效率和养护效果。

系统还可提供实时运行信息和特定农作物定制种植，以便能够实现个性化的种植需求。

通过信息网络将系统接入物联网，将可实现系统的远程控制与私人需求的实时变更调整服务。

七、系统可行性

云梯打印式智培增收系统是结合了现代科技与农业的创新模式，系统从技术、经济、社会以及环境可行性四个方面进行分析。

（一）、技术可行性

云梯打印式智培增收系统是独居创意的、全新的农业模式，结合了现代科技与传统农业的优势，提高农业生产效率、降低资源消耗，技术先进可行。

1.云梯结构的设计充分利用垂直空间，提高土地利用率。现代机械钢结构设计稳定、坚固耐用，完成能承受作物生长和养护设备的重量，同时具有抗强风、暴雨、地震等自然灾害的能力。

2.打印式种植技术，精确的种收和养护系统能够确保种子、水、肥的均匀分布和充足的养分供应，提高种植、养护、收割等农业全寿命周期的全效率。自动化种植技术，如精确的播种、灌溉、施肥系统，以及病虫害的有效防治措施，已经广泛应用于现代农业中。

3.智慧养护系统，结合物联网，实现实时监测作物的生长环境和状态。大数据和人工智能技术能够分析数据，提供智能决策支持。现代物联网和视觉技术已经相对成熟，能够实现对农作物生长过程科学地养护。

（二）、经济可行性

1.成本

本系统初期投资包括设备购置、系统建设和安装调试费用等。运营成本包括设备维护、能耗和人力成本等。通过对自然资源的充分利用、因地制宜的取能取材，智慧化的种护管理，精细化的种收全过程，都可提高本系统的生产效率，降低资源消耗，节约人工，降低单位产品的成本。

2.收益

通过耕种面积增倍，精准种植和养护，提高作物的产量和质量，从而增加单位土地的使用率，同时使农民获得农业收入的逐渐增长。

3.节约资源

减少水资源的浪费，减少化肥、农药的注入，降低生产成本。同时，通过智能化管理和品牌化运营，也可提高农产品的附加值和市场竞争力。

云梯结构打印式智慧种植系统的初期投资可能稍高，然而，随着技术成熟和规模化应用，投资回报期会逐渐缩短，成本效益比会逐渐提高。相较于传统农业，智慧农业系统的运营成本会大大降低；同时，通过精准种植和智能管理，系统可显著提高农作物的产量和质量，从而增加经济收益。

随着消费者对食品安全和质量的关注度的提高，市场对高质量农产品的需求也在不断增加。云梯结构打印式智慧种植养护收割系统能够提供安全、健康、可追溯的农产品，满足市场需求，具有广阔的发展前景。

（三）、社会可行性

当今时代，自动化和智能化技术已证实，科技完全可减轻农民的劳动强度，增加农民收入。智慧农业系统可带动相关产业发展，如农业装备、农业信息服务、农业旅游等，有助于促进农村经济的多元化发展，解决农村地区人口流失和农业劳动力短缺的问题。通过培训和指导，提高农民的科技素养和操作技能，培养新时代、新质生成力的农民，推动农业现代化进程、农村产业升级和中国乡村振兴。

（四）、环境可行性

减少环境污染：精准施肥、注药和灌溉能够减少化肥和农药的使用，节约农业用水，高效利用农业物资，能够减少环境污染，为子孙后代留下更多的“绿水