一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置

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一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置，适用于农作物搬运。\n背景技术\n[0002] 在农田作业过程中，很多操作都涉及到搬运，然而在传统的农田作业中，大部分都基于人工操作，农作物或肥料搬运作业过程的全程自动化并未得到良好实现，对劳动力需求较大，且这些作业过程大多是属于工作环境较差和劳动密集型，不适宜农民进行长期操作。\n[0003] 尽管市面上存在许多的多功能、多元化的农业机器人，然而其高额的价格，和不菲的维护费，都是一般农民难以承担的，所以一直以来我国要短时间实现农业上的全程机械化和自动化还相当漫长，所以在农田作业过程中，引入新型适宜农田生产的小型、廉价且又能满足需求的专业农田搬运机器人是必然趋势。\n[0004] 目前，大多数运用于农田作业过程中搬运机器人控制器主要有以下几类：首先是以PLC为控制核心的一类搬运机器人，该类机器人工作较稳定，能适应恶劣工作环境，然而搭建以PLC为控制器的控制系统，需要连接多种类型外围工作模块，且需要多PLC协同控制，从而加大了控制系统的成本和复杂程度；其次是以运动控制卡为核心的控制系统，该类搬运机器人的控制系统集成程度高，功能齐全，然后国产的运动控制卡性能不稳定，质量参差不齐，难以满足搬运机器人控制系统要求，然后国外生产的运动控制卡，编程入手较为复杂，成本高，给机器人控制系统设计人员带来一定难度，且一旦损坏后，难以维修，只能整体更换；最后一类为自主研发搬运机器人控制器，该类控制系统对于用户维修比较繁琐，很难进行二次开发，通用性较差。\n发明内容\n[0005] 鉴于现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置。\n[0006] 本发明的技术方案在于：\n[0007] 一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置，其特征在于：包括机械机构及控制电路两部分，所述机械机构包括机架，所述机架内的一侧纵向设有一根可相对机架转动的花键轴，所述机架的另一侧上纵向设有一根丝杆，所述丝杆上套置有一升降螺母，所述升降螺母上固连有一与花键轴滑动连接的升降台，位于花键轴侧的升降台下部设有一U形槽，所述花键轴的下部固连有一第二同步带轮，所述花键轴的中部经轴上花键滑动连接有一安设在U形槽内的第三同步带轮，所述的第三同步带轮经同步带驱动一与其水平设置且位于升降台底侧的第四同步带轮，所述第四同步带轮的输出轴上端固连有一位于升降台上侧的齿轮盘，所述齿轮盘的上端面上固连有一旋转臂，所述旋转臂上铰接有一伸缩机械臂，所述伸缩机械臂上铰接有一末端机械手臂，所述末端机械手臂上铰接有一用以搬运农作物的末端执行器，所述的旋转臂内设置有一输出轴纵向设置的第二电机，所述第二电机经第二减速器与伸缩机械臂的一侧端固连，所述伸缩机械臂内与减速器相连侧设有一第五同步带轮，另一侧设有经同步带与第五同步带轮连接的第六同步带轮，所述的第五同步带轮与旋转臂的上端固连，所述第六同步带轮与末端机械手臂的一侧端固连，所述末端机械手臂内与第六同步带轮相连侧设有一第七同步带轮，另一侧设有经同步带与第七同步带轮连接的第八同步带轮，所述第八同步带轮与末端执行器联动连接，所述第七同步带轮与伸缩机械臂的另一侧端固连，所述第二同步带轮由设于机架内旁侧上的第一同步带轮驱动，所述第一同步带轮由设于机架内的第一电机经第一减速器驱动，所述机架内的另一侧设有第三电机，所述第三电机的输出轴上连接有第九同步带轮，所述第九同步带轮经同步带与固连于丝杆下端的第十同步带轮驱动连接；所述控制电路包括Arduino控制器模块、驱动所述第一、第二、第三电机的三个电机驱动模块，所述Arduino控制器模块分别经三个电机驱动模块与第一、第二、第三电机电路连接，位于旋转臂、伸缩机械臂的执行路径上设置有三限位开关，其中，旋转臂处分别设置有用于对该旋转臂分别进行转动限位和升降限位的两种限位开关，所述的三限位开关分别经初始复位单元与Arduino控制器模块电路连接。\n[0008] 其中，所述的第一、第二、第三电机上还分别设置有一旋转编码器，所述旋转编码器经位置、速度检测单元与Arduino控制器模块电路连接。\n[0009] 还包括一用以向Arduino控制器模块、三个步进电机驱动模块及散热模块供电的供电模块。\n[0010] 还包括一与Arduino控制器模块连接的12864液晶显示及红外连接的红外遥控模块。\n[0011] 所述第一与第二同步带轮的齿数比为1:1；所述第三与第四同步带轮的齿数比为\n1:2；所述第五与第六同步带轮的齿数比为2:1；所述第七与第八同步带轮的齿数比为1:2；\n所述第九与第十同步带轮的齿数比为5:4。\n[0012] 所述机架底侧设有万向轮。\n[0013] 所述机架内的底部上还设有散热风扇。\n[0014] 本发明的优点在于：\n[0015] 1.采用五相步进电机，具有步距角小，转动力矩大，加减速时间短，动态惯性低等优点，从而达到无级调速和精确定位的目的。\n[0016] 2. 采用智能散热单元，通过检测农田搬运机器人内部温度，来自动控制散热单元的启动与关闭，在实现节能的同时最大限度的降低机器人内部温度，维持机器人系统一个安全可靠的环境。\n[0017] 3. 采用Arduino单片机作为控制系统核心，它是一种基于开放源代码的，功能较完整的开发平台， 具有包括代码编辑器、编译器、调试器和图形用户界面工具的集成开发环境，兼容性强，支持ISP在线程序烧写，支持多种互动，且相比于用其它单片机开发该控制系统，成本低、编程简洁，资源丰富，稳定性及可靠性高。\n[0018] 4. 有利于促进农业工程领域中机器人技术的推广和运用，具有十分鲜明的创新性，在一定程度上，降低了农民搬运这些物品的劳动力，加快了农田作业过程的工作效率，有利于推进农业生产的全程机械化和自动化。\n[0019] 5. 整体结构紧凑，质量较轻，底座装有万向轮，使得整机可灵活移动和定位，便于不同位置的农田搬运操作。\n[0020] 6. 采用螺纹丝杠、同步带、齿轮、带轮等简易传动机构，通过这些机构组成机器人整体的三个运动：升降、收缩、旋转，从而实现农田机器人的搬运过程，该结构简单、执行迅速、成本低廉、稳定性高。\n[0021] 7. 配置有位置、速度、温度监控系统及红外遥控系统，监控系统便于操作人员实时了解机器人整个运行过程状态，降低事故的发生。采用红外遥控控制实现操作人员远距离控制机器人，保护操作人员人身安全，且便捷操作。\n[0022] 8. 采用同步带轮及配套同步带结构，按已设计的传动比及协调配合运动，实现通过一个电机即可完成机械臂的整个伸缩运动，结构简单、紧凑，设计成本低。\n[0023] 9. 巧妙的设计一个圆筒形状的机械臂，通过相关配套的传动机构，利用一个机械臂可同时实现其旋转及升降两个自由度，减小机械结构的复杂度，整个机器人体积小，重量轻。\n[0024] 10. 底座装有万向轮，可灵活、方便的移动该机器人。\n附图说明\n[0025] 图1 为本发明的机械结构示意图。\n[0026] 图2 为本发明的电路结构示意图。\n[0027] 图3 为Arduino控制器的I/O接口的占用情况示意图。\n[0028] 图4 为Arduino控制器控制电机实例的示意图。\n[0029] 图5 为Arduino控制器与槽型限位开关的连接示意图。\n[0030] 图6 为Arduino控制器与旋转编码器的连接示意图。\n[0031] 图7 为散热单元电路原理示意图。\n[0032] 图8 为Arduino控制器与12864液晶的连接示意图。\n[0033] 图9 为末端执行器直线运动原理图。\n具体实施方式\n[0034] 为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。\n[0035] 参考图1至图9，本发明涉及一种基于Arduino单片机的农作物搬运用装置，包括机械机构及控制电路两部分，所述机械机构包括机架1，所述机架内的一侧纵向设有一根可相对机架转动的花键轴2，所述机架的另一侧上纵向设有一根丝杆3，所述丝杆上套置有一升降螺母4，所述升降螺母上固连有一与花键轴滑动连接的升降台5，位于花键轴侧的升降台下部设有一U形槽，所述花键轴的下部固连有一第二同步带轮6，所述花键轴的中部经轴上花键滑动连接有一安设在U形槽内的第三同步带轮7，所述的第三同步带轮经同步带驱动一与其水平设置且位于升降台底侧的第四同步带轮8，所述第四同步带轮的输出轴上端固连有一位于升降台上侧的齿轮盘9，所述齿轮盘的上端面上固连有一旋转臂10，所述旋转臂上铰接有一伸缩机械臂11，所述伸缩机械臂上铰接有一末端机械手臂12，所述末端机械手臂上铰接有一用以搬运农作物的末端执行器13，所述的旋转臂内设置有一输出轴纵向设置的第二电机14，所述第二电机经第二减速器15与伸缩机械臂的一侧端固连，所述伸缩机械臂内与减速器相连侧设有一第五同步带轮16，另一侧设有经同步带与第五同步带轮连接的第六同步带轮17，所述的第五同步带轮与旋转臂的上端固连，所述第六同步带轮与末端机械手臂的一侧端固连，所述末端机械手臂内与第六同步带轮相连侧设有一第七同步带轮18，另一侧设有经同步带与第七同步带轮连接的第八同步带轮19，所述第八同步带轮与末端执行器联动连接，所述第七同步带轮与伸缩机械臂的另一侧端固连，所述第二同步带轮由设于机架内旁侧上的第一同步带轮20驱动。\n[0036] 上述第一同步带轮由设于机架内的第一电机21经第一减速器22驱动。\n[0037] 上述机架内的另一侧设有第三电机23，所述第三电机的输出轴上连接有第九同步带轮24，所述第九同步带轮经同步带与固连于丝杆下端的第十同步带轮25驱动连接。\n[0038] 上述第一与第二同步带轮的齿数比为1:1；所述第三与第四同步带轮的齿数比为\n1:2；所述第五与第六同步带轮的齿数比为2:1；所述第七与第八同步带轮的齿数比为1:2；\n所述第九与第十同步带轮的齿数比为5:4。\n[0039] 上述机架底侧设有万向轮26。\n[0040] 上述机架内的底部上还设有散热风扇27。\n[0041] 上述控制电路包括Arduino控制器模块、驱动所述第一、第二、第三电机的三个电机驱动模块，所述Arduino控制器模块分别经三电机驱动模块与第一、第二、第三电机电路连接，位于旋转臂、伸缩机械臂的执行路径上设置有三限位开关，其中，旋转臂处分别设置有用于对该旋转臂分别进行转动限位和升降限位的两种限位开关，所述的三限位开关分别经初始复位单元与Arduino控制器模块电路连接。\n[0042] 上述的第一、第二、第三电机上还分别设置有一旋转编码器，所述旋转编码器经位置、速度检测单元与Arduino控制器模块电路连接。\n[0043] 还包括一用以向Arduino控制器模块、三个步进电机驱动模块及散热模块供电的供电模块。\n[0044] 还包括一与Arduino控制器模块连接的12864液晶显示及红外连接的红外遥控模块。\n[0045] 实施过程中，该机械结构实现农田搬运机器人的原理如下：\n[0046] 第五同步带轮固接于旋转臂，于是第五同步带轮相对旋转臂固定，当第二电机带动伸缩机械臂转动时，第六同步带轮将形成相对于旋转臂的公转和自传，由于末端机械手臂固接于第六同步带轮，于是末端机械手臂与第六同步带轮的自转同步转动，则末端机械手臂相对与伸缩机械臂旋转，且旋转方向与伸缩机械臂相对旋转臂的旋转方向相反，转角值为伸缩机械臂转角的2倍（第五同步带轮与第六同步带轮的齿数比为Z5:Z6=2:1）。第七同步带轮固接于伸缩机械臂，当末端机械手臂相对伸缩机械臂旋转时，第八同步带轮将形成相对于伸缩机械臂的公转和自传，由于末端执行器固接于第八同步带轮，则末端执行器相对末端机械手臂旋转，且旋转方向与末端机械手臂相对伸缩机械臂的旋转方向相反，转角值为末端机械手臂转角的1/2（第七同步带轮与第八同步带轮的齿数比为Z7:Z8=1:2)。\n根据转角矢量和的计算，末端执行器相对于旋转臂的转角 为伸缩机械臂转角 、末端机械手臂转角 和末端执行器转角 的矢量和 ，因此当第二电机经第\n二减速器带动伸缩机械臂转动时，末端执行器始终相对于旋转臂不转动。\n[0047] 如图9所示，从图中可知C点始终沿直线AC边移动，且末端执行器相对于旋转臂不存在转动，最终第二步进电机转动时牵引着末端执行器在平面上始终沿着直线运动。第一步进电机带着末端执行器在水平面上做旋转运动。第三步进电机牵引着末端执行器在垂直平面上做升降运动，综上所述，三者之间的运动相互协作配合，形成所需要的农田搬运机器人运动轨迹。\n[0048] 综上所述，本发明各实施例的农田搬运机器人机械结构，由于包括多组同步带传动机构，减速机构，三组五相步进电机及驱动器，丝杠机构，末端机械手臂，伸缩机械臂和旋转臂，末端执行器，万向轮移动机构。从而实现农田搬运机器人的自动化农田搬运作业，节省人力，提高劳动效率。\n[0049] 所述的多组同步带传动机构包括如下5组：1、第一同步带轮和第二同步带轮，\n2、第三同步带轮和第四同步带轮，3、第五同步带轮和第六同步带轮，4、第七同步带轮和第八同步带轮，5、第九同步带轮和第十同步带轮。第1组：把第一步进电机轴的转动转换为花键轴的转动，传动比为Z1:Z2=1:1；第2组：把花键轴的转动转换为旋转臂旋转，传动比为Z3:Z4=1:2；第3组：把伸缩机械臂的转动转换为末端机械手臂的转动，传动比为Z5:Z6=2:1；第4组：把末端机械手臂的转动转换为末端执行器的转动，传动比为Z7:Z8=1:2；第5组：把第三步进电机的转动转换为丝杆的转动，传动比为Z9:Z10=5:4；所述的减速机构包括：第一减速器和第二减速器，分别实现第一、第二步进电机的减速和增大力矩。所述的三组五相步进电机包括：第一电机，第二电机，第三电机，分别带动机械臂做旋转、伸缩、升降运动。所述的散热机构为：散热风扇，机器人运行时，对其内部进行散热。所述的丝杠机构包括：丝杆、丝杠螺母，把丝杆的转动转换为旋转臂的升降。所述的末端机械手臂、伸缩机械臂、旋转臂，它们运动协调配合，共同完成农田搬运机器人搬运作业。所述的末端执行器为平铲，托起农作物。所述的齿轮机构包括：第一齿轮和第二齿轮，把旋转臂的旋转转换为编码器轴的转动。所述的万向轮移动机构包括：三个万向轮，安装在机器人底部，方便机器人随时移动。\n[0050] 本电路包括Arduino单片机主控单元、电机驱动单元、执行单元、红外遥控单元、位置、速度和温度监控单元、初始位置复位单元、供电单元、散热单元等。机械结构部分主要包括多组同步带传动机构、减速机构、三组五相电机、散热机构、丝杠导轨机构、旋转臂、末端机械手臂、伸缩机械臂和旋转臂、齿轮机构、末端执行器和万向轮等。\n[0051] Arduino单片机主控单元，包括Arduino控制芯片、多路数字输入输出接口、模拟输入接口、UART接口、晶振、USB接口以及电源接口等等，通过Arduino分别控制三个五相电机转动、读取农田搬运机器人的各机械臂的位置、速度及温度信息、实现机机器人近程红外遥控、机器人初始位置复位和智能散热。各数字输入输出口、模拟口、USB接口以及其他外围电路和元器件为各外围模块的接入提供条件，组成农田搬运机器人单片机控制系统。\n[0052] 电机驱动单元，包括五相混合式电机及其相应的电机驱动器，该5相混合式电机步矩角小，加减速时间短，动态惯性低，具有较高的精度和转矩，可实现单脉冲+方向或双脉冲控制模式的切换，选择单脉冲+方向控制方式时，通过单片机主控单元的相关I/O口与电机驱动器的脉冲信号口、方向信号口和使能信号口相连接，脉冲信号端输入的脉冲信号控制电机转动，方向信号端输入的高低电平信号控制电机转向，使能信号端输入的高低电平信号控制电机的自由状态。通过控制各电机的转角、转速和转向，从而实现旋转臂升降、旋转物体和伸缩机械臂搬运物体的目的，达到农田搬运机器人从拿取到放下全程一体化和自动化的作业过程。\n[0053] 执行单元，包括同步带传动机构、螺纹丝杠机构、齿轮传动机构等，通过单片机主控单元的相关I/O口与电机驱动器的信号接口相连接，控制电机的转角、转速和转向，这些电机的转动经过该执行单元，可有效的转化为伸缩机械臂的伸缩运动、旋转臂的旋转运动以及旋转臂的升降运动，它们相互配合使整个执行机构动作灵活，实现了该农田搬运机器人快速搬运农作物的目的。\n[0054] 红外遥控单元，与Arduino控制器的D2 I/O口相连接，红外遥控是一种无线且非接触控制技术，具有抗干扰能力强，信息传输可靠，功耗低，成本低，易实现等显著优点，操作人员通过操作手持的遥控器实现近程的农田搬运机器人控制。\n[0055] 位置、速度和温度监控单元，包括三个相应机械臂的旋转编码器、DS18B20温度传感器和12864液晶等，编码器与Arduino控制单元的D3、D4、D18、D19、D20和D21号I/O 口相连接，DS18B20温度传感器与Arduino控制单元的D46I/O口相连接，12864液晶与主Arduino控制单元的D32-D42共11个I/O口相连接，主要用于实时监控农田搬运机器人各机械臂所处的转角位置、速度状态及机器人温度等，一定意义上实现了该控制系统的实时监控，到达了良好的人机交互作用，保证作业过程有序、平稳的进行。\n[0056] 初始位置复位单元，包括三个槽型限位开关和遥控器，他们分别与Arduino控制器的D29、D30、D31和D2数字口相连接，先通过遥控器上的复位键向Arduino控制单元发出复位信号，控制器接收信号后驱动各机械臂运转到极限位置触发槽型限位开关，随后槽型限位开关将向Arduino控制器单元发送信号，电机驱动单元将驱动机械执行单元，使得农田搬运机器回到初始位置。\n[0057] 供电单元，包括开关电源、空气开关和继电器等，通过将家用电转化为24V和5V两种低压供电，分别给Arduino控制单元、电机驱动单元、散热单元等供电，作为整个农田搬运机器人的能源供应模块。\n[0058] 散热单元，包括散热片、散热风扇、DS18B20以及继电器等，继电器、DS18B20分别与Arduino控制单元D45和D46I/O口相连接，通过检测机器人内部温度是否到达系统设定的温度来自动控制散热风扇的启动与关闭，利用散热风扇带来的强制对流对机器人进行多层散热，电机驱动器上也有相应的散热片，也能起到将热量散失的作用。\n[0059] 多组同步带传动机构包括第一至第十的同步带轮。及配套的同步带，第一、第二同步带轮实现把第一电机轴的转动转换为导轨的转动；第三、第四同步带轮实现把导轨的转动转换为旋转臂旋转；第五、第六同步带轮实现把伸缩机械臂的转动转换为末端机械手臂的转动；第七、第八同步带轮实现把末端机械手臂的转动转换为末端执行器的转动；第九、第十同步带轮实现把第三电机的转动转换为丝杆的转动。\n[0060] 旋转臂通过带动末端执行器沿垂直平面做升降运动。末端执行器的旋转运动由旋转臂的旋转过程来实现。通过两组同步带轮及末端机械手臂运动的传递，伸缩机械臂将带动末端执行器沿水平面做直线运动。最终，通过他们协调配合运动，共同完成农田搬运机器人搬运作业。\n[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。