一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，按如下步骤进行：初始化；检测各信号；启动信号发出后，升降臂开始工作，直至上升至指定位置后停止工作；在升降臂到位后，开启驱动伸缩臂工作，直至伸长到指定位置后才停止工作；在伸长到位后，驱动升降臂再上升并搬起物品；物品搬起后，驱动伸缩臂工作，使其回缩；在上一步骤的回缩过程中，旋转臂工作，直至转到指定位置；步骤6）中的伸缩臂工作至指定位置后，驱动升降臂开始工作，使其下降并放下物品；伸缩臂回缩，旋转臂反转复位，并等待下一搬运。本发明方法简单，易于操控，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。
【专利说明】-种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，适用于农作物搬 运。
【背景技术】
[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。
[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。
[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，然而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。
【发明内容】
[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 搬运的控制方法。
[0006] 本发明的技术方案在于： 一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，包括搬运用装置，所述搬运用装 置包括升降臂、伸缩臂、旋转臂执行部件，其特征在于，按如下步骤进行： 1) 初始化，参数设定，并启动监控系统、红外遥控通信方式； 2) 检测复位信号、停机信号、启动信号是否处于正常状态，其中复位信号用以驱动各执 行机械臂复位； 3) 启动信号发出后，升降臂开始工作，直至上升至指定位置后停止工作； 4) 在升降臂到位后，开启驱动伸缩臂工作，直至伸长到指定位置后才停止工作； 5) 在伸长到位后，驱动升降臂再上升并搬起物品； 6) 物品搬起后，驱动伸缩臂工作，使其回缩； 7) 在上一步骤的回缩过程中，旋转臂工作，直至转到指定位置； 8) 步骤6)中的伸缩臂工作至指定位置后，驱动升降臂开始工作，使其下降并放下物 品； 9) 伸缩臂回缩，旋转臂反转复位，并等待下一搬运。
[0007] 其中，所述搬运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，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可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，旋转臂处分别设置转动及升降 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。
[0008] 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。
[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。
[0010] 还包括一与Arduino控制器模块显示连接的12864液晶显示及红外连接的红外遥 控丰吴块。
[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 1:2 ;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 ; 所述第九与第十同步带轮的齿数比为5:4。
[0012] 所述机架底侧设有万向轮。
[0013] 所述机架内的底部上还设有散热风扇。
[0014] 本发明的优点在于： 1.采用五相步进电机，具有步矩角小，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。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 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。
[0019] 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。
[0020] 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。
[0021] 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 过一个步进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。
[0022] 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。
[0023] 10.底座装有万向轮，可灵活、方便的移动该机器人。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1为本发明的流程示意图。
[0025] 图2为本发明的机械结构示意图。
[0026] 图3为本发明的电路结构示意图。
[0027] 图4为Arduino控制器的I/O接口的占用情况示意图。
[0028] 图5为Arduino控制器控制步进电机实例的示意图。
[0029] 图6为Arduino控制器与槽型限位开关的连接示意图。
[0030] 图7为Arduino控制器与旋转编码器的连接示意图。
[0031] 图8为散热单元电路原理示意图。
[0032] 图9为Arduino控制器与12864液晶的连接示意图。
[0033] 图10为末端执行器直线运动原理图。
【具体实施方式】
[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。
[0035] 参考图1至图10,本发明涉及一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方 法，包括搬运用装置，所述搬运用装置包括升降臂、伸缩臂、旋转臂执行部件，按如下步骤进 行： 1) 初始化，参数设定，并启动监控系统、红外遥控通信方式； 2) 检测复位信号、停机信号、启动信号是否处于正常状态，其中复位信号用以驱动各执 行机械臂复位； 3) 启动信号发出后，升降臂开始工作，直至上升至指定位置后停止工作； 4) 在升降臂到位后，开启驱动伸缩臂工作，直至伸长到指定位置后才停止工作； 5) 在伸长到位后，驱动升降臂再上升并搬起物品； 6) 物品搬起后，驱动伸缩臂工作，使其回缩； 7) 在上一步骤的回缩过程中，旋转臂工作，直至转到指定位置； 8) 步骤6)中的伸缩臂工作至指定位置后，驱动升降臂开始工作，使其下降并放下物 品； 9) 伸缩臂回缩，旋转臂反转复位，并等待下一搬运。
[0036] 其中，所述搬运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可与花键轴滑动 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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 1:2 ;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 ; 所述第九与第十同步带轮的齿数比为5:4。
[0040]上述机架底侧设有万向轮26。
[0041]上述机架内的底部上还设有散热风扇27。
[0042]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，旋转臂处分别设置转动 及升降的两种限位开关，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。
[0043]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。
[0044] 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。还包括一与Arduino控制器模块显示连接的12864液晶显示及红外连接的红外 遥控模块。
[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： 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)。根据 转角矢量和的计算，末端执行器相对于旋转臂的转角6为伸缩机械臂转角、末端机械 手臂转角2汉和末端执行器转角-汉的矢量和
【权利要求】
1. 一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，包括搬运用装置，所述搬运用 装置包括升降臂、伸缩臂、旋转臂执行部件，其特征在于，按如下步骤进行： 1) 初始化，参数设定，并启动监控系统、红外遥控通信方式； 2) 检测复位信号、停机信号、启动信号是否处于正常状态，其中复位信号用以驱动各执 行机械臂复位； 3) 启动信号发出后，升降臂开始工作，直至上升至指定位置后停止工作； 4) 在升降臂到位后，开启驱动伸缩臂工作，直至伸长到指定位置后才停止工作； 5) 在伸长到位后，驱动升降臂再上升并搬起物品； 6) 物品搬起后，驱动伸缩臂工作，使其回缩； 7) 在上一步骤的回缩过程中，旋转臂工作，直至转到指定位置； 8) 步骤6)中的伸缩臂工作至指定位置后，驱动升降臂开始工作，使其下降并放下物 品； 9) 伸缩臂回缩，旋转臂反转复位，并等待下一搬运。
2. 根据权利要求1所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特 征在于：所述搬运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，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可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，旋转臂处分别设置转动及升降的两种限 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。
3. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特征 在于：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。
4. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特征 在于：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。
5. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特征 在于：还包括一与Arduino控制器模块显示连接的12864液晶显示及红外连接的红外遥控 模块。
6. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特 征在于：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 1:2 ;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 ; 所述第九与第十同步带轮的齿数比为5:4。
7. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法，其特征 在于：所述机架底侧设有万向轮。
8. 根据权利要求2所述的一种基于Arduino单片机的农作物搬运的控制方法：所述机 架内的底部上还设有散热风扇。
【文档编号】B25J9/10GK104400778SQ201410499087
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月26日 优先权日:2014年9月26日
【发明者】叶大鹏, 胡洪钧, 童向亚, 谢立敏, 方兵, 肖利良 申请人:福建农林大学