一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，包括Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊、三個步進電機、旋轉(zhuǎn)升降臂、伸縮機械臂，其特征在于：所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個步進電機驅(qū)動模塊與三個步進電機電路連接，所述三步進電機經(jīng)各自的執(zhí)行機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂機械連接，位于旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三個限位開關(guān)，所述的三個限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位單元與Arduino控制器模塊電路連接。本實用新型電路連接關(guān)系明確、簡單、有效，從而能滿足設(shè)備的后續(xù)控制需求，保障生產(chǎn)順利進行。
【專利說明】—種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu),適用于農(nóng)田搬運機器人。

【背景技術(shù)】
[0002]在農(nóng)田作業(yè)過程中，很多操作都涉及到搬運，然而在傳統(tǒng)的農(nóng)田作業(yè)中，大部分都基于人工操作，農(nóng)作物或肥料搬運作業(yè)過程的全程自動化并未得到良好實現(xiàn)，對勞動力需求較大，且這些作業(yè)過程大多是屬于工作環(huán)境較差和勞動密集型，不適宜農(nóng)民進行長期操作。
[0003]盡管市面上存在許多的多功能、多元化的農(nóng)業(yè)機器人，然而其高額的價格，和不菲的維護費，都是一般農(nóng)民難以承擔(dān)的，所以一直以來我國要短時間實現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的全程機械化和自動化還相當(dāng)漫長，所以在農(nóng)田作業(yè)過程中，引入新型適宜農(nóng)田生產(chǎn)的小型、廉價且又能滿足需求的專業(yè)農(nóng)田搬運機器人是必然趨勢。
[0004]目前，大多數(shù)運用于農(nóng)田作業(yè)過程中搬運機器人控制器主要有以下幾類:首先是以PLC為控制核心的一類搬運機器人，該類機器人工作較穩(wěn)定，能適應(yīng)惡劣工作環(huán)境，然而搭建以PLC為控制器的控制系統(tǒng)，需要連接多種類型外圍工作模塊，且需要多PLC協(xié)同控制，從而加大了控制系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度；其次是以運動控制卡為核心的控制系統(tǒng)，該類搬運機器人的控制系統(tǒng)集成程度高，功能齊全，然而國產(chǎn)的運動控制卡性能不穩(wěn)定，質(zhì)量參差不齊，難以滿足搬運機器人控制系統(tǒng)要求，然后國外生產(chǎn)的運動控制卡，編程入手較為復(fù)雜，成本高，給機器人控制系統(tǒng)設(shè)計人員帶來一定難度，且一旦損壞后，難以維修，只能整體更換；最后一類為自主研發(fā)搬運機器人控制器，該類控制系統(tǒng)對于用戶維修比較繁瑣，很難進行二次開發(fā)，通用性較差。
實用新型內(nèi)容
[0005]鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)。
[0006]本實用新型的技術(shù)方案在于:
[0007]—種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu),包括Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊、三個步進電機、旋轉(zhuǎn)升降臂、伸縮機械臂，其特征在于:所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個步進電機驅(qū)動模塊與三個步進電機電路連接,所述三步進電機經(jīng)各自的執(zhí)行機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂機械連接，位于旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三個限位開關(guān)，所述的三個限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0008]其中，所述的三個步進電機上還分別設(shè)置有一旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)位置、速度檢測單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0009]還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊及散熱模塊供電的供電模塊。
[0010]還包括一與Arduino控制器模塊顯示連接的12864液晶顯示及紅外連接的紅外遙控豐吳塊。
[0011]本實用新型的優(yōu)點在于:本實用新型電路連接關(guān)系明確、簡單、有效，從而能滿足設(shè)備的后續(xù)控制需求，保障生產(chǎn)順利進行。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1本實用新型實施例的電路示意框圖。
[0013]圖2為Arduino控制器的I/O接口占用情況示意圖。

【具體實施方式】
[0014]為讓本實用新型的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖，作詳細(xì)說明如下。
[0015]參考圖1，本實用新型涉及一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，包括Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊、三個步進電機、旋轉(zhuǎn)升降臂、伸縮機械臂，所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個步進電機驅(qū)動模塊與三個步進電機電路連接，所述三步進電機經(jīng)各自的執(zhí)行機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂機械連接，位于旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三個限位開關(guān)，所述的三個限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0016]上述的三個步進電機上還分別設(shè)置有一旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)位置、速度檢測單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0017]還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊及散熱模塊供電的供電模塊。
[0018]還包括一與Arduino控制器模塊顯示連接的12864液晶顯示及紅外連接的紅外遙控模塊。
[0019]實施過程中，本電路包括Arduino單片機主控單元、步進電機驅(qū)動單元、執(zhí)行單元、紅外遙控單元、位置、速度和溫度監(jiān)控單元、初始位置復(fù)位單元、供電單元、散熱單元等。機械結(jié)構(gòu)部分主要包括多組同步帶傳動機構(gòu)、減速機構(gòu)、三組五相步進電機、散熱機構(gòu)、絲杠導(dǎo)軌機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)升降臂、末端機械手臂、伸縮機械臂、齒輪機構(gòu)、末端執(zhí)行器和萬向輪等。
[0020]Arduino單片機主控單元,包括Arduino控制芯片、多路數(shù)字輸入輸出接口、模擬輸入接口、UART接口、晶振、USB接口以及電源接口等等，通過Arduino分別控制三個五相步進電機轉(zhuǎn)動、讀取農(nóng)田搬運機器人的各機械臂的位置、速度及溫度信息、實現(xiàn)機機器人近程紅外遙控、機器人初始位置復(fù)位和智能散熱。各數(shù)字輸入輸出口、模擬口、USB接口以及其他外圍電路和元器件為各外圍模塊的接入提供條件，組成農(nóng)田搬運機器人單片機控制系統(tǒng)。
[0021]步進電機驅(qū)動單元，包括五相混合式步進電機及其相應(yīng)的步進電機驅(qū)動器，該5相混合式步進電機步矩角小，加減速時間短，動態(tài)慣性低，具有較高的精度和轉(zhuǎn)矩，可實現(xiàn)單脈沖+方向或雙脈沖控制模式的切換，選擇單脈沖+方向控制方式時，通過單片機主控單元的相關(guān)I/O 口與步進電機驅(qū)動器的脈沖信號口、方向信號口和使能信號口相連接，脈沖信號端輸入的脈沖信號控制電機轉(zhuǎn)動，方向信號端輸入的高低電平信號控制電機轉(zhuǎn)向，使能信號端輸入的高低電平信號控制電機的自由狀態(tài)。通過控制各步進電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)升降機械臂升降、旋轉(zhuǎn)物體以及伸縮機械臂搬運物體的目的，達(dá)到農(nóng)田搬運機器人從拿取到放下全程一體化和自動化的作業(yè)過程。
[0022]執(zhí)行單元，包括同步帶傳動機構(gòu)、螺紋絲杠機構(gòu)、齒輪傳動機構(gòu)等，通過單片機主控單元的相關(guān)I/o 口與電機驅(qū)動器的信號接口相連接，控制電機的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，這些電機的轉(zhuǎn)動經(jīng)過該執(zhí)行單元，可有效的轉(zhuǎn)化為伸縮機械臂的伸縮運動、旋轉(zhuǎn)升降機械臂的旋轉(zhuǎn)、升降運動，它們相互配合使整個執(zhí)行機構(gòu)動作靈活，實現(xiàn)了該農(nóng)田搬運機器人快速搬運農(nóng)作物的目的。
[0023]如圖2所示，紅外遙控單元，與Arduino控制器的D2 I/O 口相連接，紅外遙控是一種無線且非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實現(xiàn)等顯著優(yōu)點，操作人員通過操作手持的遙控器實現(xiàn)近程的農(nóng)田搬運機器人控制。
[0024]位置、速度和溫度監(jiān)控單元，包括三個相應(yīng)機械臂的旋轉(zhuǎn)編碼器、DS18B20溫度傳感器和12864液晶等，編碼器與Arduino控制單元的D3、D4、D18、D19、D20和D21號I/O口相連接，DS18B20溫度傳感器與Arduino控制單元的D46 I/O 口相連接，12864液晶與主Arduino控制單元的D32-D42共11個I/O 口相連接，主要用于實時監(jiān)控農(nóng)田搬運機器人各機械臂所處的轉(zhuǎn)角位置、速度狀態(tài)及機器人溫度等，一定意義上實現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控，到達(dá)了良好的人機交互作用，保證作業(yè)過程有序、平穩(wěn)的進行。
[0025]初始位置復(fù)位單元，包括三個槽型限位開關(guān)和遙控器，他們分別與Arduino控制器的D29、D30、D31和D2數(shù)字口相連接，先通過遙控器上的復(fù)位鍵向Arduino控制單元發(fā)出復(fù)位信號，控制器接收信號后驅(qū)動各機械臂運轉(zhuǎn)到極限位置觸發(fā)槽型限位開關(guān)，隨后槽型限位開關(guān)將向Arduino控制器單元發(fā)送信號，步進電機驅(qū)動單元將驅(qū)動機械執(zhí)行單元，使得農(nóng)田搬運機器回到初始位置。
[0026]供電單元，包括開關(guān)電源、空氣開關(guān)和繼電器等，通過將家用電轉(zhuǎn)化為24V和5V兩種低壓供電，分別給Arduino控制單元、步進電機驅(qū)動單元、散熱單元等供電,作為整個農(nóng)田搬運機器人的能源供應(yīng)模塊。
[0027]散熱單元，包括散熱片、散熱風(fēng)扇、DS18B20以及繼電器等，繼電器、DS18B20分別與Arduino控制單元D45和D46 I/O 口相連接，通過檢測機器人內(nèi)部溫度是否到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定的溫度來自動控制散熱風(fēng)扇的啟動與關(guān)閉，利用散熱風(fēng)扇帶來的強制對流對機器人進行多層散熱，電機驅(qū)動器上也有相應(yīng)的散熱片，也能起到將熱量散失的作用。
[0028]多組同步帶傳動機構(gòu)包括第一至第十的同步帶輪。及配套的同步帶，第一、第二同步帶輪實現(xiàn)把第一步進電機軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動；第三、第四同步帶輪實現(xiàn)把導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械臂旋轉(zhuǎn)；第五、第六同步帶輪實現(xiàn)把伸縮機械臂的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為末端機械手臂的轉(zhuǎn)動；第七、第八同步帶輪實現(xiàn)把末端機械手臂的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動；第九、第十同步帶輪實現(xiàn)把第三步進電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為絲桿的轉(zhuǎn)動。
[0029]末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運動由旋轉(zhuǎn)升降機械臂的旋轉(zhuǎn)過程來實現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)升降機械臂的升降運動帶動末端執(zhí)行器沿垂直平面做升降運動，通過兩組同步帶輪及末端機械手臂運動的傳遞，伸縮機械臂將帶動末端執(zhí)行器沿水平面做直線運動。最終，通過他們協(xié)調(diào)配合運動，共同完成農(nóng)田搬運機器人搬運作業(yè)。
[0030]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，凡依本實用新型申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應(yīng)屬本實用新型的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，包括Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊、三個步進電機、旋轉(zhuǎn)升降臂、伸縮機械臂，其特征在于:所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個步進電機驅(qū)動模塊與三個步進電機電路連接,所述三步進電機經(jīng)各自的執(zhí)行機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂機械連接，位于旋轉(zhuǎn)升降臂的旋轉(zhuǎn)部件、旋轉(zhuǎn)升降臂的升降部件、伸縮機械臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三個限位開關(guān)，所述的三個限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位單元與Arduino控制器模塊電路連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的三個步進電機上還分別設(shè)置有一旋轉(zhuǎn)編碼器，所述旋轉(zhuǎn)編碼器經(jīng)位置、速度檢測單元與Arduino控制器模塊電路連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個步進電機驅(qū)動模塊及散熱模塊供電的供電模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機的農(nóng)作物搬運智能控制電路結(jié)構(gòu)，其特征在于:還包括一與Arduino控制器模塊顯示連接的12864液晶顯示及紅外連接的紅外遙控模塊。
【文檔編號】B65G43/08GK204150635SQ201420556752
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】葉大鵬, 胡洪鈞, 童向亞, 何智鵬, 游文清 申請人:福建農(nóng)林大學(xué)