一種自動割膠機器人的控制系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自動割膠機器人的控制系統，屬于特種機器人控制領域。其特征包括:主控制器、旋轉編碼器、電流繼電器模塊、電源模塊。主控制器主要用于接收各種操作指令并控制自動割膠機器人的各機構協調運動，旋轉編碼器主要用于檢測步進電機的運動狀況和位置，并將相關信息反饋至主控制器進行處理，電流繼電器模塊主要用于割膠機器人在一次割膠開始時控制刀具切割的深度，電源模塊為一個小型太陽能發電系統，用于對控制系統提供電源。該清潔機器人控制系統通過控制板中的程序首先配合電流繼電器模塊控制割膠的切割深度，采集并處理步進電機旋轉編碼器反饋的信息，發送指令實時精確的控制步進電機協調進行切割，一次切割結束，主控制器控制刀具按原路返回，延時后下移1.1mm進行下一次切割。該控制系統設計簡單，易于操作。
【專利說明】
一種自動割膠機器人的控制系統
技術領域
[0001]本發明涉及一種農業加工機器人技術領域的控制系統，尤其是涉及一種涉及橡膠樹自動割膠機器人的控制系統。
【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的迅速發展，農業和工業領域機器人應用越來越廣泛，從經濟角度和安全角度及可靠性和實用性上，控制系統的設計都應更加完善。目前橡膠切割機器人系統的設計更重視整體的設計，往往忽略了機器人刀具在切割中的穩定性檢測和控制以及多次切割準確度，并且對于機器人執行機構的協調控制沒有給出具體的控制方案。
[0003]申請號為201420358369.5的中國實用新型專利，記載一種自動割膠機器人的系統及其控制方法，所述割膠機器人包括切割架，設置兩個支撐臂，中間有刀具及機械部分和電機部分。刀具及機械包括刀臂、刀柄、定位器、調節桿，刀臂中設有刀槽、刀柄推動器等。電機部分包括電機架及固定的電機、上下托板、電機控制端、輸出端、控制結構和刀軌跡定位器。該割膠機器人的控制系統及其控制方法，可以實現人為割膠機器人進行工作，使割膠更加輕松方便，安全可靠，并且能夠提高割膠的效率。但是，該專利的控制系統過于復雜，各個部件穩定性不高，容易出現故障等問題。
[0004]目前自動割膠機器人控制系統的專利有申請號為201280011835.6的中國發明專利，【公開日】為2013-11-27，記載了一種自動割膠機器人的控制系統，該系統包括控制機器人運動的自動割膠器和供應動力以操作所述割膠器的動力源。自動割膠器包括導軌、縱向、斜向滑塊、切割工具、旋轉刀具、控制單元，動力源。具體為縱向滑塊通過螺杠傳動帶動刀具沿導軌切割，斜滑塊可調節角度，PLC和微型控制器配合繼電器控制，動力源來自太陽能。但是該控制系統刀具易發生滑動，切割精確度不高，缺少準確的定位控制。

【發明內容】

[0005]為了解決【背景技術】中提到的諸多問題，本發明提供一種自動割膠機器人的控制系統。
[0006]為了實現上述目的，本發明為一考慮到切割深度和軌跡等實際問題，并設計了相應的編碼器、繼電器及控制操作指令，保證了機器人的穩定切割。
[0007]所述獨立的電源模塊，主要用于實時提供機器人的電能，為機器人提供5/24V電會K。
[0008]所述刀具控制，步進電機z轉動通過螺母絲杠帶動刀具實現刀具進入橡膠樹2mm，一次切割完成后步進電機x，y帶動刀具按原軌跡返回，并使刀具位置下降1.1mm延時等待下次切割。
[0009]所述控制器，主控制板是ArduinoDue，控制機器人的執行機構和接收傳感器集合的信號所需的控制板外設有輸出脈沖口、數字輸入I/O口、I2C總線接口、外部中斷和其他經過編程的輸入輸出I/O 口。用于執行機器人刀具運動螺母絲杠和連桿機構的兩個步進電機由兩路以脈沖頻率為8000Hz的脈沖輸出控制，并采用反饋執行的方法聯動控制。
[0010]所述旋轉編碼器，機器人在切割運動過程中需時刻檢測其刀具運行狀況，通過兩個步進電機同時安裝旋轉編碼器，并且同時向主控制器反饋運行狀況，主控制器通過比較旋轉編碼器反饋信息發出控制指令，控制對兩臺步進電機發出脈沖的數量和頻率，使得兩臺步進電機協調運行，進行精確的切割位置和軌跡控制。
[0011 ]所述協調控制，用于配合機器人割膠運動時的步進電機采用經過算法編程過的兩路分別表示方向，輸出脈沖和使能的I/o口輸出給定要求的一系列脈沖來控制DVR8825步進電機驅動來控制步進電機工作。每個編碼器通過兩個外部中斷來檢測步進電機裝過的角度反饋給系統來精確地完成割膠工作。
[0012]所述切割控制，當主控制器接收指令后，控制步進電機的轉動角度，利用旋轉編碼器反饋至大小，從而控制機器人的上下兩個步進電機旋轉帶動刀具在保證機器人固定切割深度的前提下實現切割軌跡為理想化傾斜直線。
[0013]所述整體控制流程，首先操作人員通過PC機與控制板通訊修改操作程序，主控制器接受并處理控制相應的電機元件或編碼器，步進電機z使刀具切入橡膠樹2mm，控制步進電機x，y帶動刀具按預定軌跡進行切割運動，并通過旋轉編碼器檢測并反饋，切割結束控制刀具離開按原運行軌跡返回，延時后控制步進電機x，y使刀具下移I.Imm進行下一次切割。
[0014]本發明一種自動割膠機器人的控制系統的有益技術效果為:實用、控制簡單，具有較好的推廣和使用價值。
【附圖說明】
[0015]圖1是一種自動割膠機器人的控制系統的總體控制框圖。
[0016]圖2是機器人控制系統結構圖。
[0017]圖3是該機器人控制方案和外設圖。
[0018]圖4是該機器人總體控制程序流程圖。
[0019]圖5是該機器人切割操作圖。
[0020]圖6是該機器人進刀退刀控制圖。
【具體實施方式】
[0021 ]結合圖1一6對本發明做出進一步的詳細說明。
[0022]圖1是一種可越障的壁面清潔機器人的控制系統的總體控制框圖，其特征包括:整個控制系統包括用于接收各種操作指令并控制割膠機器人的各機構協調運動的控制器(1)、用于檢測割膠機器人的步進電機x，y運行情況的旋轉編碼器(2)、用于帶動割膠機器人刀具進行切割運動的步進電機x，y(3)、用于提供割膠機器人控制系統電能供應的電源模塊
(4)、用于割膠機器人在一次割膠開始時控制刀具切割的深度的電流傳感器(5)、用于帶動刀具切進橡膠樹的步進電機z(6)。其中，操作人員通過主控制器(I)寫入控制程序，控制板接受指令后對其進行翻譯，電流傳感器(5)配合電源模塊(4)控制步進電機z(6)運行，使刀具切入橡膠樹2mm，然后主控制器采集旋轉編碼器(2)反饋信息，指導步進電機x，y(3)經由減速器帶動割膠機器人刀具按預定軌跡進行切割運動，同時旋轉編碼器可將機器人運動狀態實時反饋到主控制器，進行精確的切割位置和軌跡控制。
[0023]圖2是機器人控制系統結構圖，首先操作人通過PC機與控制板通訊修改操作程序，主控制器(I)接受指令，并根據相應的指令控制相應的電機元件或編碼器，主要包括控制步進電機z(6)運行使刀具切入橡膠樹，控制步進電機X，y(3)帶動割膠刀具按預定軌跡進行切割運動，并通過旋轉編碼器(2)進行檢測并反饋，一次切割結束控制刀具離開橡膠樹并返回，延時后控制步進電機x，y(3)帶動螺母絲杠使刀具下移進行下一次切割。
[0024]圖3是該機器人控制方案和外設圖，主控板是Arduino Due，控制機器人的執行機構和接收傳感器集合的信號所需的控制板外設有數字輸入I/0 口、USB通訊接口、外部中斷和其他經過編程的輸入輸出I/O口。用于執行機器人刀具行走連桿機構的兩個步進電機采用經過算法編程規劃的方法聯動控制輸出脈沖;第三臺步進電機由繼電器控制;使能的I/O 口輸出給定要求的一系列脈沖來控制DVR8825步進電機驅動來控制步進電機工作;數字I/O 口接收繼電器信號；每個旋轉編碼器通過兩個外部中斷來檢測步進電機裝過的角度反饋給系統來精確地完成清掃和越障工作。
[0025]圖4是該機器人總體控制程序流程圖，首先操作人員通過主控制器寫入控制程序，控制板運行程序初始化，步進電機z運行進刀2mm，指導步進電機X，y經由減速器帶動割膠機器人刀具按預定軌跡進行切割運動，同時旋轉編碼器可將機器人運動狀態實時反饋到主控制器，當旋轉編碼器反饋值到達給定值時切割停止，并運行返回，刀具下移1.1_，延時等待下次切割。
[0026]圖5是該機器人切割操作圖，完成步進電機的統一指令控制，實現運動執行規劃與指令接受的統一指令集。具體控制實現為，初始化后步進電機y運動割刀次數*1.Imm，電機z運動，刀具進入橡膠樹2mm;判斷電流繼電器是否動作，如果動作X和y同時運行，X負責刀具在切向導軌方向上的運動，帶動車輪旋轉切向運動，y負責刀具在垂直方向上的運動，旋轉帶動絲杠螺母使刀具垂直向下運動，兩步進電機帶動刀尖割到指定位置;讀編碼器判斷是否實際到達(此處編碼器要減掉y軸偏移割刀次數*1.1mm)預定的位置:是，繼續，否則計算差值繼續到達指定位置;到達后電機z控制收刀;步進電機X，y回到起始位置;切割次數計數加I;延時三天，結束。刀具下的撞塊頂到橡膠樹，z停止，電流增大，這時z中安裝的電流繼電器動作切斷步進電機電源，剎車自動抱死，刀具位置確定并固定。
[0027]圖6是該機器人進刀退刀控制圖，當控制器接收指令后，控制步進電機z的轉動，利用電流繼電器動作信號，從而控制機器人的進刀退刀。
[0028]本發明也可用于控制其他樹木的自動切割。
[0029]上述應用實例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此項技術的人士能夠了解本發明的內容并加以實施，并不能限制本發明的保護范圍，凡根據本發明精神實質所做出的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種自動割膠機器人的控制系統，其特征包括:整個控制系統包括用于接收各種操作指令并控制割膠機器人的各機構協調運動的控制器(I)、用于檢測割膠機器人的步進電機x，y運行情況的旋轉編碼器(2)、用于帶動割膠機器人刀具進行切割運動的步進電機x，y(3)、用于提供割膠機器人控制系統電能供應的電源模塊(4)、用于割膠機器人在一次割膠開始時控制刀具切割的深度的電流傳感器(5)、用于帶動刀具切進橡膠樹的步進電機z(6);其中，操作人員通過主控制器(I)寫入控制程序，控制板接受指令后對其進行翻譯，電流傳感器(5)配合電源模塊(4)控制步進電機z(6)運行，使刀具切入橡膠樹2mm，然后主控制器采集旋轉編碼器(2)反饋信息，指導步進電機x，y(3)經由減速器帶動割膠機器人刀具按預定軌跡進行切割運動，同時旋轉編碼器可將機器人運動狀態實時反饋到主控制器，進行精確的切割位置和軌跡控制;操作人通過PC機與控制板通訊修改操作程序，主控制器(I)接受指令，并根據相應的指令控制相應的電機元件或編碼器，主要包括控制步進電機z(6)運行使刀具切入橡膠樹2mm，控制步進電機X，y(3)帶動割膠刀具按預定軌跡進行切割運動，并通過旋轉編碼器(2)進行檢測并反饋，一次切割結束控制刀具離開橡膠樹，并按原運行軌跡返回，延時后控制步進電機x，y(3)帶動螺母絲杠使刀具下移1.1mm進行下一次切割。2.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:在對橡膠樹切割過程中，機器人的主要運動狀態為刀具沿橡膠樹表皮以一定角度直線切割過程，因此該控制系統的設計考慮到由步進電機帶動刀具運動協調等實際問題，并設計了相應的旋轉編碼器及控制操作指令，在保證機器人固定切割深度的前提下實現切割軌跡為理想化傾斜直線。3.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:主控制板是Arduino Due，控制機器人的執行機構和接收傳感器集合的信號所需的控制板外設有輸出脈沖口、數字輸入I/0 口、12C總線接口、外部中斷和其他經過編程的輸入輸出I/0 口；用于執行機器人刀具運動螺母絲杠和連桿機構的兩個步進電機由兩路以脈沖頻率為8000Hz的脈沖輸出控制，并采用反饋執行的方法聯動控制。4.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:用于配合機器人割膠運動時的步進電機采用經過算法編程過的兩路分別表示方向，輸出脈沖和使能的I/O 口輸出給定要求的一系列脈沖來控$ijDVR8825步進電機驅動來控制步進電機工作;每個編碼器通過兩個外部中斷來檢測步進電機裝過的角度反饋給系統來精確地完成割膠工作。5.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:兩個步進電機同時安裝旋轉編碼器，并且同時向主控制器反饋運行狀況，主控制器通過比較旋轉編碼器反饋信息發出控制指令，控制對兩臺步進電機發出脈沖的數量和頻率，使得兩臺步進電機協調運行，進行精確的切割位置和軌跡控制。6.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:兩臺步進電機同時安裝旋轉編碼器，具體為增量式光電旋轉編碼器360脈沖/線，AB兩相，5-24V，通過A相與B相之間的90°相的產生可識別正反轉方向來完成加減計數脈沖信號。7.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:步進電機z通過電流繼電器接入電源模塊，步進電機z經螺母絲杠帶動刀具切入橡膠樹，當深度為2mm時刀具下面的凸起塊頂住橡膠樹，步進電機被迫停止且電流增大，電流繼電器切斷電源，這樣刀具切入橡膠樹2_。8.根據權利要求1所述的一種自動割膠機器人的控制系統，其特征在于:一次完整的切割過程中，兩臺步進電機的協調配合通過統一指令控制，實現運動執行規劃與指令接受的統一指令集，控制層程序分為運動執行，運動規劃和指令接收。9.根據權利要求1所述的一種自動切割機器人的控制系統，其特征在于:切割一次后，主控制器運行中斷程序，控制絲杠使刀具下移1.1mm，并進行軟件延時等待下次切割進行。10.根據權利要求1所述的一種自動切割機器人的控制系統，其特征在于:執行機構控制的具體實現為運動執行為后臺任務，在中斷中執行，從運動隊列中獲取運動塊并完成;指令接收模塊作用是翻譯字符串格式的指令，使運動規劃模塊能夠理解，并處理指令等待。
【文檔編號】A01G23/10GK105961139SQ201610549564
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年7月13日
【發明人】柯文, 李喜艷, 李超, 黃彬, 方凡濤, 蔣亞杰, 屈春雷, 藺欣欣
【申請人】武漢市享昱科技有限公司