一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，包括機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制電路兩部分，所述機(jī)械機(jī)構(gòu)內(nèi)設(shè)有一機(jī)架，所述機(jī)架內(nèi)的一側(cè)縱向設(shè)有一根可相對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)的花鍵軸，所述機(jī)架的另一側(cè)上縱向設(shè)有一根絲桿，所述絲桿上套置有一升降螺母，所述升降螺母上固連有一可與花鍵軸滑動(dòng)連接的升降臺(tái)，所述升降臺(tái)上設(shè)有旋轉(zhuǎn)臂，所述旋轉(zhuǎn)臂上鉸接有一伸縮機(jī)械臂，所述伸縮機(jī)械臂上鉸接有一末端機(jī)械手臂，所述末端機(jī)械手臂上鉸接有一用以搬運(yùn)農(nóng)作物的末端執(zhí)行器。本發(fā)明操控便捷，降低了農(nóng)民搬運(yùn)農(nóng)作物的勞動(dòng)力，加快了農(nóng)田作業(yè)過程的工作效率，有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全程機(jī)械化和自動(dòng)化。
【專利說明】-種基于Ardu i no單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，適用于農(nóng)作物搬運(yùn)。

【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(yùn)，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(yùn)作業(yè)過程的全程自動(dòng)化并未得到良好實(shí)現(xiàn)，對(duì)勞動(dòng)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(dòng)密集型，不適宜農(nóng)民進(jìn)行長(zhǎng)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(jī)器人，然而其高額的價(jià)格，和不菲 的維護(hù)費(fèi)，都是一般農(nóng)民難以承擔(dān)的，所以一直以來我國(guó)要短時(shí)間實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)上的全程機(jī)械 化和自動(dòng)化還相當(dāng)漫長(zhǎng)，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(jià)且又 能滿足需求的專業(yè)農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人是必然趨勢(shì)。
[0004] 目前，大多數(shù)運(yùn)用于農(nóng)田作業(yè)過程中搬運(yùn)機(jī)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(yùn)機(jī)器人，該類機(jī)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(yùn)動(dòng)控制卡為核心的控制系統(tǒng)，該類 搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)集成程度高，功能齊全，然后國(guó)產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡性能不穩(wěn)定，質(zhì)量參 差不齊，難以滿足搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)要求，然后國(guó)外生產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)控制卡，編程入手較為復(fù) 雜，成本高，給機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yùn)機(jī)器人控制器，該類控制系統(tǒng)對(duì)于用戶維修比較繁瑣，很難 進(jìn)行二次開發(fā)，通用性較差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物 搬運(yùn)用裝置。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案在于： 一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在于：包括機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制電 路兩部分，所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括機(jī)架，所述機(jī)架內(nèi)的一側(cè)縱向設(shè)有一根可相對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)的花 鍵軸，所述機(jī)架的另一側(cè)上縱向設(shè)有一根絲桿，所述絲桿上套置有一升降螺母，所述升降螺 母上固連有一可與花鍵軸滑動(dòng)連接的升降臺(tái)，位于花鍵軸側(cè)的升降臺(tái)下部設(shè)有一 U形槽， 所述花鍵軸的下部固連有一第二同步帶輪，所述花鍵軸的中部經(jīng)軸上花鍵滑動(dòng)連接有一安 設(shè)在U形槽內(nèi)的第三同步帶輪，所述的第三同步帶輪經(jīng)同步帶驅(qū)動(dòng)一與其水平設(shè)置且位于 升降臺(tái)底側(cè)的第四同步帶輪，所述第四同步帶輪的輸出軸上端固連有一位于升降臺(tái)上側(cè)的 齒輪盤，所述齒輪盤的上端面上固連有一旋轉(zhuǎn)臂，所述旋轉(zhuǎn)臂上鉸接有一伸縮機(jī)械臂，所述 伸縮機(jī)械臂上鉸接有一末端機(jī)械手臂，所述末端機(jī)械手臂上鉸接有一用以搬運(yùn)農(nóng)作物的末 端執(zhí)行器，所述的旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)設(shè)置有一輸出軸縱向設(shè)置的第二電機(jī)，所述第二電機(jī)經(jīng)第二減 速器與伸縮機(jī)械臂的一側(cè)端固連，所述伸縮機(jī)械臂內(nèi)與減速器相連側(cè)設(shè)有一第五同步帶 輪，另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第五同步帶輪連接的第六同步帶輪，所述的第五同步帶輪與旋 轉(zhuǎn)臂的上端固連，所述第六同步帶輪與末端機(jī)械手臂的一側(cè)端固連，所述末端機(jī)械手臂內(nèi) 與第六同步帶輪相連側(cè)設(shè)有一第七同步帶輪，另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第七同步帶輪連接的 第八同步帶輪，所述第八同步帶輪與末端執(zhí)行器聯(lián)動(dòng)連接，所述第七同步帶輪與伸縮機(jī)械 臂的另一側(cè)端固連，所述第二同步帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)旁側(cè)上的第一同步帶輪驅(qū)動(dòng)，所述第 一同步帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)的第一電機(jī)經(jīng)第一減速器驅(qū)動(dòng)，所述機(jī)架內(nèi)的另一側(cè)設(shè)有第三電 機(jī)，所述第三電機(jī)的輸出軸上連接有第九同步帶輪，所述第九同步帶輪經(jīng)同步帶與固連于 絲桿下端的第十同步帶輪驅(qū)動(dòng)連接；所述控制電路包括Arduino控制器模塊、驅(qū)動(dòng)所述第 一、第二、第三電機(jī)的三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模 塊與第一、第二、第三電機(jī)電路連接，位于旋轉(zhuǎn)臂、伸縮臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三限位開關(guān)， 其中，旋轉(zhuǎn)臂處分別設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)及升降的兩種限位開關(guān)，所述的三限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位 單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0007] 其中，所述的第一、第二、第三電機(jī)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(cè)單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0008] 還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及散熱模塊供電的 供電模塊。
[0009] 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。
[0010] 所述第一與第二同步帶輪的齒數(shù)比為1:1 ;所述第三與第四同步帶輪的齒數(shù)比為 1:2 ;所述第五與第六同步帶輪的齒數(shù)比為2:1 ;所述第七與第八同步帶輪的齒數(shù)比為1:2 ; 所述第九與第十同步帶輪的齒數(shù)比為5:4。
[0011] 所述機(jī)架底側(cè)設(shè)有萬向輪。
[0012] 所述機(jī)架內(nèi)的底部上還設(shè)有散熱風(fēng)扇。
[0013] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于： 1.采用五相步進(jìn)電機(jī)，具有步距角小，轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，加減速時(shí)間短，動(dòng)態(tài)慣性低等優(yōu)點(diǎn)， 從而達(dá)到無級(jí)調(diào)速和精確定位的目的。
[0014] 2.采用智能散熱單元，通過檢測(cè)農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人內(nèi)部溫度，來自動(dòng)控制散熱單元 的啟動(dòng)與關(guān)閉，在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)最大限度的降低機(jī)器人內(nèi)部溫度，維持機(jī)器人系統(tǒng)一個(gè) 安全可靠的環(huán)境。
[0015] 3.采用Arduino單片機(jī)作為控制系統(tǒng)核心，它是一種基于開放源代碼的，功能較 完整的開發(fā)平臺(tái)，具有包括代碼編輯器、編譯器、調(diào)試器和圖形用戶界面工具的集成開發(fā) 環(huán)境，兼容性強(qiáng)，支持ISP在線程序燒寫，支持多種互動(dòng)，且相比于用其它單片機(jī)開發(fā)該控 制系統(tǒng)，成本低、編程簡(jiǎn)潔，資源豐富，穩(wěn)定性及可靠性高。
[0016] 4.有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中機(jī)器人技術(shù)的推廣和運(yùn)用，具有十分鮮明的創(chuàng)新 性，在一定程度上，降低了農(nóng)民搬運(yùn)這些物品的勞動(dòng)力，加快了農(nóng)田作業(yè)過程的工作效率， 有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全程機(jī)械化和自動(dòng)化。
[0017] 5.整體結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量較輕，底座裝有萬向輪，使得整機(jī)可靈活移動(dòng)和定位，便于 不同位置的農(nóng)田搬運(yùn)操作。
[0018] 6.采用螺紋絲杠、同步帶、齒輪、帶輪等簡(jiǎn)易傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，通過這些機(jī)構(gòu)組成機(jī)器人 整體的三個(gè)運(yùn)動(dòng)：升降、收縮、旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田機(jī)器人的搬運(yùn)過程，該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、執(zhí)行迅 速、成本低廉、穩(wěn)定性高。
[0019] 7.配置有位置、速度、溫度監(jiān)控系統(tǒng)及紅外遙控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)便于操作人員實(shí) 時(shí)了解機(jī)器人整個(gè)運(yùn)行過程狀態(tài)，降低事故的發(fā)生。采用紅外遙控控制實(shí)現(xiàn)操作人員遠(yuǎn)距 離控制機(jī)器人，保護(hù)操作人員人身安全，且便捷操作。
[0020] 8.采用同步帶輪及配套同步帶結(jié)構(gòu)，按已設(shè)計(jì)的傳動(dòng)比及協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)通 過一個(gè)電機(jī)即可完成機(jī)械臂的整個(gè)伸縮運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，設(shè)計(jì)成本低。
[0021] 9.巧妙的設(shè)計(jì)一個(gè)圓筒形狀的機(jī)械臂，通過相關(guān)配套的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用一個(gè)機(jī)械 臂可同時(shí)實(shí)現(xiàn)其旋轉(zhuǎn)及升降兩個(gè)自由度，減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，整個(gè)機(jī)器人體積小，重量 輕。
[0022] 10.底座裝有萬向輪，可靈活、方便的移動(dòng)該機(jī)器人。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明的電路結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖3為Arduino控制器的I/O接口的占用情況示意圖。
[0026] 圖4為Arduino控制器控制電機(jī)實(shí)例的示意圖。
[0027] 圖5為Arduino控制器與槽型限位開關(guān)的連接示意圖。
[0028] 圖6為Arduino控制器與旋轉(zhuǎn)編碼器的連接示意圖。
[0029] 圖7為散熱單元電路原理示意圖。
[0030] 圖8為Arduino控制器與12864液晶的連接示意圖。
[0031] 圖9為末端執(zhí)行器直線運(yùn)動(dòng)原理圖。

【具體實(shí)施方式】
[0032] 為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉實(shí)施例，并配合附圖，作詳 細(xì)說明如下。
[0033] 參考圖1至圖9,本發(fā)明涉及一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，包括 機(jī)械機(jī)構(gòu)及控制電路兩部分，所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括機(jī)架1，所述機(jī)架內(nèi)的一側(cè)縱向設(shè)有一根可 相對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng)的花鍵軸2,所述機(jī)架的另一側(cè)上縱向設(shè)有一根絲桿3,所述絲桿上套置有一 升降螺母4,所述升降螺母上固連有一可與花鍵軸滑動(dòng)連接的升降臺(tái)5,位于花鍵軸側(cè)的升 降臺(tái)下部設(shè)有一 U形槽，所述花鍵軸的下部固連有一第二同步帶輪6,所述花鍵軸的中部經(jīng) 軸上花鍵滑動(dòng)連接有一安設(shè)在U形槽內(nèi)的第三同步帶輪7,所述的第三同步帶輪經(jīng)同步帶 驅(qū)動(dòng)一與其水平設(shè)置且位于升降臺(tái)底側(cè)的第四同步帶輪8,所述第四同步帶輪的輸出軸上 端固連有一位于升降臺(tái)上側(cè)的齒輪盤9,所述齒輪盤的上端面上固連有一旋轉(zhuǎn)臂10,所述 旋轉(zhuǎn)臂上鉸接有一伸縮機(jī)械臂11，所述伸縮機(jī)械臂上鉸接有一末端機(jī)械手臂12,所述末端 機(jī)械手臂上鉸接有一用以搬運(yùn)農(nóng)作物的末端執(zhí)行器13,所述的旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)設(shè)置有一輸出軸縱 向設(shè)置的第二電機(jī)14,所述第二電機(jī)經(jīng)第二減速器15與伸縮機(jī)械臂的一側(cè)端固連，所述伸 縮機(jī)械臂內(nèi)與減速器相連側(cè)設(shè)有一第五同步帶輪16,另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第五同步帶輪 連接的第六同步帶輪17,所述的第五同步帶輪與旋轉(zhuǎn)臂的上端固連，所述第六同步帶輪與 末端機(jī)械手臂的一側(cè)端固連，所述末端機(jī)械手臂內(nèi)與第六同步帶輪相連側(cè)設(shè)有一第七同步 帶輪18,另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第七同步帶輪連接的第八同步帶輪19,所述第八同步帶輪 與末端執(zhí)行器聯(lián)動(dòng)連接，所述第七同步帶輪與伸縮機(jī)械臂的另一側(cè)端固連，所述第二同步 帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)旁側(cè)上的第一同步帶輪20驅(qū)動(dòng)。
[0034] 上述第一同步帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)的第一電機(jī)21經(jīng)第一減速器22驅(qū)動(dòng)。
[0035] 上述機(jī)架內(nèi)的另一側(cè)設(shè)有第三電機(jī)23,所述第三電機(jī)的輸出軸上連接有第九同步 帶輪24,所述第九同步帶輪經(jīng)同步帶與固連于絲桿下端的第十同步帶輪25驅(qū)動(dòng)連接。
[0036] 上述第一與第二同步帶輪的齒數(shù)比為1:1 ;所述第三與第四同步帶輪的齒數(shù)比為 1:2 ;所述第五與第六同步帶輪的齒數(shù)比為2:1 ;所述第七與第八同步帶輪的齒數(shù)比為1:2 ; 所述第九與第十同步帶輪的齒數(shù)比為5:4。
[0037] 上述機(jī)架底側(cè)設(shè)有萬向輪26。
[0038] 上述機(jī)架內(nèi)的底部上還設(shè)有散熱風(fēng)扇27。
[0039] 上述控制電路包括Arduino控制器模塊、驅(qū)動(dòng)所述第一、第二、第三電機(jī)的三個(gè)電 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊與第一、第二、第三電機(jī)電路 連接，位于旋轉(zhuǎn)臂、伸縮臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三限位開關(guān)，其中，旋轉(zhuǎn)臂處分別設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng) 及升降的兩種限位開關(guān)，所述的三限位開關(guān)分別經(jīng)初始復(fù)位單元與Arduino控制器模塊電 路連接。
[0040] 上述的第一、第二、第三電機(jī)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(cè)單元與Arduino控制器模塊電路連接。
[0041] 還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及散熱模塊供電的 供電模塊。
[0042] 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。
[0043] 實(shí)施過程中，該機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人的原理如下： 第五同步帶輪固接于旋轉(zhuǎn)臂，于是第五同步帶輪相對(duì)旋轉(zhuǎn)臂固定，當(dāng)?shù)诙姍C(jī)帶動(dòng)伸 縮機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，第六同步帶輪將形成相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂的公轉(zhuǎn)和自傳，由于末端機(jī)械手臂固 接于第六同步帶輪，于是末端機(jī)械手臂與第六同步帶輪的自轉(zhuǎn)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，則末端機(jī)械手臂 相對(duì)與伸縮機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與伸縮機(jī)械臂相對(duì)旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)角值為 伸縮機(jī)械臂轉(zhuǎn)角的2倍(第五同步帶輪與第六同步帶輪的齒數(shù)比為Z5:Z6=2:1)。第七同步 帶輪固接于伸縮機(jī)械臂，當(dāng)末端機(jī)械手臂相對(duì)伸縮機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)時(shí)，第八同步帶輪將形成相 對(duì)于伸縮機(jī)械臂的公轉(zhuǎn)和自傳，由于末端執(zhí)行器固接于第八同步帶輪，則末端執(zhí)行器相對(duì) 末端機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與末端機(jī)械手臂相對(duì)伸縮機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)方向相反，轉(zhuǎn)角值 為末端機(jī)械手臂轉(zhuǎn)角的1/2 (第七同步帶輪與第八同步帶輪的齒數(shù)比為Z7:Z&1:2)。根據(jù) 轉(zhuǎn)角矢量和的計(jì)算，末端執(zhí)行器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)角β為伸縮機(jī)械臂轉(zhuǎn)角-、末端機(jī)械 手臂轉(zhuǎn)角2?和末端執(zhí)行器轉(zhuǎn)角-Cf的矢量和沒=-α+2α - α = 0,因此當(dāng)?shù)诙?機(jī)經(jīng)第二減速器帶動(dòng)伸縮機(jī)械臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，末端執(zhí)行器始終相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂不轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0044] 如圖9所示，從圖中可知C點(diǎn)始終沿直線AC邊移動(dòng)，且末端執(zhí)行器相對(duì)于旋轉(zhuǎn)臂 不存在轉(zhuǎn)動(dòng)，最終第二步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)牽引著末端執(zhí)行器在平面上始終沿著直線運(yùn)動(dòng)。第 一步進(jìn)電機(jī)帶著末端執(zhí)行器在水平面上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。第三步進(jìn)電機(jī)牽引著末端執(zhí)行器在垂 直平面上做升降運(yùn)動(dòng)，綜上所述，三者之間的運(yùn)動(dòng)相互協(xié)作配合，形成所需要的農(nóng)田搬運(yùn)機(jī) 器人運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0045] 綜上所述，本發(fā)明各實(shí)施例的農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)，由于包括多組同步帶傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)，減速機(jī)構(gòu)，三組五相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，絲杠機(jī)構(gòu)，末端機(jī)械手臂，伸縮機(jī)械臂和旋 轉(zhuǎn)臂，末端執(zhí)行器，萬向輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)。從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人的自動(dòng)化農(nóng)田搬運(yùn)作業(yè)，節(jié) 省人力，提高勞動(dòng)效率。
[0046] 所述的多組同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括如下5組：1、第一同步帶輪和第二同步帶輪， 2、第三同步帶輪和第四同步帶輪，3、第五同步帶輪和第六同步帶輪，4、第七同步帶輪和 第八同步帶輪，5、第九同步帶輪和第十同步帶輪。第1組：把第一步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn) 換為花鍵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為Z1:Z2=1:1 ;第2組：把花鍵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)， 傳動(dòng)比為Z3:Z4=1:2 ;第3組：把伸縮機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為末端機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng) 比為Z5:Z6=2:1 ;第4組：把末端機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為 Z7:Z8=1:2 ;第5組：把第三步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)比為Z9:Z10=5:4 ;所 述的減速機(jī)構(gòu)包括：第一減速器和第二減速器，分別實(shí)現(xiàn)第一、第二步進(jìn)電機(jī)的減速和增大 力矩。所述的三組五相步進(jìn)電機(jī)包括：第一電機(jī)，第二電機(jī)，第三電機(jī)，分別帶動(dòng)機(jī)械臂做旋 轉(zhuǎn)、伸縮、升降運(yùn)動(dòng)。所述的散熱機(jī)構(gòu)為：散熱風(fēng)扇，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)，對(duì)其內(nèi)部進(jìn)行散熱。所 述的絲杠機(jī)構(gòu)包括：絲桿、絲杠螺母，把絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)臂的升降。所述的末端機(jī)械 手臂、伸縮機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)臂，它們運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)配合，共同完成農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)作業(yè)。所述的 末端執(zhí)行器為平鏟，托起農(nóng)作物。所述的齒輪機(jī)構(gòu)包括：第一齒輪和第二齒輪，把旋轉(zhuǎn)臂的 旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換為編碼器軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。所述的萬向輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：三個(gè)萬向輪，安裝在機(jī)器人底 部，方便機(jī)器人隨時(shí)移動(dòng)。
[0047] 本電路包括Arduino單片機(jī)主控單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要 包括多組同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、三組五相電機(jī)、散熱機(jī)構(gòu)、絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)臂、末 端機(jī)械手臂、伸縮機(jī)械臂和旋轉(zhuǎn)臂、齒輪機(jī)構(gòu)、末端執(zhí)行器和萬向輪等。
[0048] Arduino單片機(jī)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(gè)五相電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)、讀取農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人的各機(jī)械臂的位置、速度及溫度信息、實(shí)現(xiàn)機(jī)機(jī)器人近程紅外 遙控、機(jī)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(yùn)機(jī)器人單片機(jī)控制系統(tǒng)。
[0049] 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，包括五相混合式電機(jī)及其相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該5相混合式電機(jī) 步矩角小，加減速時(shí)間短，動(dòng)態(tài)慣性低，具有較高的精度和轉(zhuǎn)矩，可實(shí)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(shí)，通過單片機(jī)主控單元的相關(guān)I/O 口與 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的脈沖信號(hào)口、方向信號(hào)口和使能信號(hào)口相連接，脈沖信號(hào)端輸入的脈沖信號(hào) 控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，方向信號(hào)端輸入的高低電平信號(hào)控制電機(jī)轉(zhuǎn)向，使能信號(hào)端輸入的高低電 平信號(hào)控制電機(jī)的自由狀態(tài)。通過控制各電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂升降、 旋轉(zhuǎn)物體和伸縮機(jī)械臂搬運(yùn)物體的目的，達(dá)到農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人從拿取到放下全程一體化和 自動(dòng)化的作業(yè)過程。
[0050] 執(zhí)行單元，包括同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、螺紋絲杠機(jī)構(gòu)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，通過單片機(jī)主 控單元的相關(guān)I/O 口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的信號(hào)接口相連接，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，這些 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過該執(zhí)行單元，可有效的轉(zhuǎn)化為伸縮機(jī)械臂的伸縮運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 以及旋轉(zhuǎn)臂的升降運(yùn)動(dòng)，它們相互配合使整個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作靈活，實(shí)現(xiàn)了該農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器 人快速搬運(yùn)農(nóng)作物的目的。
[0051] 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(qiáng)，信息傳輸可靠，功耗低，成本低，易實(shí)現(xiàn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，操 作人員通過操作手持的遙控器實(shí)現(xiàn)近程的農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人控制。
[0052] 位置、速度和溫度監(jiān)控單元，包括三個(gè)相應(yīng)機(jī)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(hào)I/O 口相連接，DS18B20溫度傳感器與Arduino控制單元的D46I/0 口相連接，12864液晶與主 Arduino控制單元的D32-D42共11個(gè)I/O 口相連接，主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器人各 機(jī)械臂所處的轉(zhuǎn)角位置、速度狀態(tài)及機(jī)器人溫度等，一定意義上實(shí)現(xiàn)了該控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí) 監(jiān)控，到達(dá)了良好的人機(jī)交互作用，保證作業(yè)過程有序、平穩(wěn)的進(jìn)行。
[0053] 初始位置復(fù)位單元，包括三個(gè)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(hào)，控制器接收信號(hào)后驅(qū)動(dòng)各機(jī)械臂運(yùn)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(hào)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元將驅(qū)動(dòng)機(jī)械執(zhí)行單元，使得農(nóng) 田搬運(yùn)機(jī)器回到初始位置。
[0054] 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、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、散熱單元等供電，作為整個(gè)農(nóng)田搬 運(yùn)機(jī)器人的能源供應(yīng)模塊。
[0055] 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D46I/0 口相連接，通過檢測(cè)機(jī)器人內(nèi)部溫度是否到達(dá)系統(tǒng)設(shè)定 的溫度來自動(dòng)控制散熱風(fēng)扇的啟動(dòng)與關(guān)閉，利用散熱風(fēng)扇帶來的強(qiáng)制對(duì)流對(duì)機(jī)器人進(jìn)行多 層散熱，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上也有相應(yīng)的散熱片，也能起到將熱量散失的作用。
[0056] 多組同步帶傳動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)把第一電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為導(dǎo)軌的轉(zhuǎn)動(dòng)；第三、第四同步帶輪實(shí)現(xiàn)把導(dǎo)軌的轉(zhuǎn) 動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)；第五、第六同步帶輪實(shí)現(xiàn)把伸縮機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為末端機(jī)械手臂 的轉(zhuǎn)動(dòng)；第七、第八同步帶輪實(shí)現(xiàn)把末端機(jī)械手臂的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為末端執(zhí)行器的轉(zhuǎn)動(dòng)；第九、 第十同步帶輪實(shí)現(xiàn)把第三電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0057] 旋轉(zhuǎn)臂通過帶動(dòng)末端執(zhí)行器沿垂直平面做升降運(yùn)動(dòng)。末端執(zhí)行器的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由旋 轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)過程來實(shí)現(xiàn)。通過兩組同步帶輪及末端機(jī)械手臂運(yùn)動(dòng)的傳遞，伸縮機(jī)械臂將帶 動(dòng)末端執(zhí)行器沿水平面做直線運(yùn)動(dòng)。最終，通過他們協(xié)調(diào)配合運(yùn)動(dòng)，共同完成農(nóng)田搬運(yùn)機(jī)器 人搬運(yùn)作業(yè)。
[0058] 以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，凡依本發(fā)明申請(qǐng)專利范圍所做的均等變化與 修飾，皆應(yīng)屬本發(fā)明的涵蓋范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在于：包括機(jī)械機(jī)構(gòu)及控 制電路兩部分，所述機(jī)械機(jī)構(gòu)包括機(jī)架，所述機(jī)架內(nèi)的一側(cè)縱向設(shè)有一根可相對(duì)機(jī)架轉(zhuǎn)動(dòng) 的花鍵軸，所述機(jī)架的另一側(cè)上縱向設(shè)有一根絲桿，所述絲桿上套置有一升降螺母，所述升 降螺母上固連有一可與花鍵軸滑動(dòng)連接的升降臺(tái)，位于花鍵軸側(cè)的升降臺(tái)下部設(shè)有一 U形 槽，所述花鍵軸的下部固連有一第二同步帶輪，所述花鍵軸的中部經(jīng)軸上花鍵滑動(dòng)連接有 一安設(shè)在U形槽內(nèi)的第三同步帶輪，所述的第三同步帶輪經(jīng)同步帶驅(qū)動(dòng)一與其水平設(shè)置且 位于升降臺(tái)底側(cè)的第四同步帶輪，所述第四同步帶輪的輸出軸上端固連有一位于升降臺(tái)上 側(cè)的齒輪盤，所述齒輪盤的上端面上固連有一旋轉(zhuǎn)臂，所述旋轉(zhuǎn)臂上鉸接有一伸縮機(jī)械臂， 所述伸縮機(jī)械臂上鉸接有一末端機(jī)械手臂，所述末端機(jī)械手臂上鉸接有一用以搬運(yùn)農(nóng)作物 的末端執(zhí)行器，所述的旋轉(zhuǎn)臂內(nèi)設(shè)置有一輸出軸縱向設(shè)置的第二電機(jī)，所述第二電機(jī)經(jīng)第 二減速器與伸縮機(jī)械臂的一側(cè)端固連，所述伸縮機(jī)械臂內(nèi)與減速器相連側(cè)設(shè)有一第五同步 帶輪，另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第五同步帶輪連接的第六同步帶輪，所述的第五同步帶輪與 旋轉(zhuǎn)臂的上端固連，所述第六同步帶輪與末端機(jī)械手臂的一側(cè)端固連，所述末端機(jī)械手臂 內(nèi)與第六同步帶輪相連側(cè)設(shè)有一第七同步帶輪，另一側(cè)設(shè)有經(jīng)同步帶與第七同步帶輪連接 的第八同步帶輪，所述第八同步帶輪與末端執(zhí)行器聯(lián)動(dòng)連接，所述第七同步帶輪與伸縮機(jī) 械臂的另一側(cè)端固連，所述第二同步帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)旁側(cè)上的第一同步帶輪驅(qū)動(dòng)，所述 第一同步帶輪由設(shè)于機(jī)架內(nèi)的第一電機(jī)經(jīng)第一減速器驅(qū)動(dòng)，所述機(jī)架內(nèi)的另一側(cè)設(shè)有第三 電機(jī)，所述第三電機(jī)的輸出軸上連接有第九同步帶輪，所述第九同步帶輪經(jīng)同步帶與固連 于絲桿下端的第十同步帶輪驅(qū)動(dòng)連接；所述控制電路包括Arduino控制器模塊、驅(qū)動(dòng)所述 第一、第二、第三電機(jī)的三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，所述Arduino控制器模塊分別經(jīng)三個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊與第一、第二、第三電機(jī)電路連接，位于旋轉(zhuǎn)臂、伸縮臂的執(zhí)行路徑上設(shè)置有三限位開 關(guān)，其中，旋轉(zhuǎn)臂處分別設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)及升降的兩種限位開關(guān)，所述的三限位開關(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(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在于： 所述的第一、第二、第三電機(jī)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(cè)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(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在 于：還包括一用以向Arduino控制器模塊、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，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。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在于： 所述第一與第二同步帶輪的齒數(shù)比為1:1 ;所述第三與第四同步帶輪的齒數(shù)比為1:2 ;所述 第五與第六同步帶輪的齒數(shù)比為2:1 ;所述第七與第八同步帶輪的齒數(shù)比為1:2;所述第九 與第十同步帶輪的齒數(shù)比為5:4。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置，其特征在于： 所述機(jī)架底側(cè)設(shè)有萬向輪。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于Arduino單片機(jī)的農(nóng)作物搬運(yùn)用裝置其特征在于： 所述機(jī)架內(nèi)的底部上還設(shè)有散熱風(fēng)扇。
【文檔編號(hào)】B25J9/16GK104227713SQ201410499090
【公開日】2014年12月24日 申請(qǐng)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, 謝立敏, 許偉, 吳睿 申請(qǐng)人:福建農(nóng)林大學(xué)