CN207833332U - 一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，包括主控模块，所述主控模块分别与循迹模块、喷射目标检测模块、平面定位模块、喷药控制模块、行走控制模块连接。所述喷药控制模块包括多个电磁阀、多个电磁继电器和左右伸缩机构；所述电磁阀与喷头一一对应连接，所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制相对应电磁阀以控制相对应喷头的流量；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制喷药系统中增压泵的启停；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制所述左右伸缩机构的左右伸缩，所述喷头通过喷板设置在所述左右伸缩机构上。本实用新型适合教学应用，学生可以快速上手，驱动喷药机器人完成设定任务，成本低，实用性强。

Description

一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统

技术领域

本实用新型属于教学用喷药机器人技术领域，具体涉及一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统。

背景技术

喷药机器人项目是中国服务机器人大赛的一项子项目。比赛场地，参见图1。在比赛过程中，机器人从起点区出发，经过A区、B区、C区、D区，自主完成喷药，不能被遥控。其中，A区为对靶喷药，B区为固定树形喷药，要求喷药时不能喷在树形外边，C区针对不同树龄的树进行喷药，每种树形的不同部位有不同的喷药要求，D区对变形树形喷药。在A区、B区的中心线上，有机器人行走引导线（白色亚光纸条），在喷药作业地点A1、A2、A3、B2、B3、B4、C2、C3、C4以及D1、D2，有喷药地点提示线（白色亚光纸条）。

根据比赛规则，比赛过程中，机器人需要能识别赛道导引线，在没有导引线的部分路段，能自主完成定位任务，并完成喷药任务。要想完成比赛任务，除了机械机构设计以外，还要根据比赛任务设计好控制系统，否则，机器人不能够自主完成任务。

目前的实验设备，尤其高等教育的实验设备，针对竞赛环节开发的实验设备较少，刚开始参加竞赛的学生，概念比较模糊，所以有必要开发相关的喷药机器人，对学生参赛进行引导。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，可实现机器人循迹、平面定位、喷头伸缩、定点喷药、精准喷药、变量喷药。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，包括主控模块，所述主控模块分别与循迹模块、喷射目标检测模块、平面定位模块、喷药控制模块、行走控制模块连接。

进一步，所述喷药控制模块包括多个电磁阀、多个电磁继电器和左右伸缩机构；所述电磁阀与喷头一一对应连接，所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制相对应电磁阀以控制相对应喷头的流量；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制喷药系统中增压泵的启停；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制所述左右伸缩机构的左右伸缩，所述喷头通过喷板设置在所述左右伸缩机构上。

进一步，所述左右伸缩机构包括一对左右对称设置的电动推杆，所述电动推杆的伸缩端与相对应的喷板连接；所述电动推杆的电源两极连接于相对应电磁继电器的电流输出端，所述电磁继电器信号控制端连接于所述主控模块相对应引脚。

进一步，所述电动推杆通过相对应的安装板和支撑板安装在所述底盘上，所述电动推杆远离伸缩端的另一端和相对应安装板上部固连，所述支撑板顶端支撑并限位相对应电动推杆的缸体。

进一步，所述安装板是L形板结构，L形板结构的横板与机器人底盘连接，L形板结构的竖板上部与相对应电动推杆连接；所述电磁阀设置在L形板结构的竖板下部。

进一步，所述支撑板是L形板结构，该L形板结构的横板与机器人底盘连接，该L形板结构的竖板顶端设置有半圆弧形凹槽。

进一步，所述循迹模块包括前循迹模块、后循迹模块、左循迹模块和右循迹模块；所述前循迹模块和所述后循迹模块分别包括七套循迹传感器；所述左循迹模块和所述右循迹模块分别包括一套循迹传感器。

进一步，所述循迹传感器采用灰度传感器。

进一步，所述喷射目标检测模块包括设置在机器人底盘左右两侧的光电开关。

进一步，所述行走控制模块包括设置在机器人底盘下的四个车轮，各个车轮分别由相对应的电机及电机驱动器驱动，各电机驱动器连接于所述主控模块相对应引脚。

进一步，所述车轮电机是直流电机。

进一步，所述主控模块的主控芯片是单片机。

工作时，所述主控模块发送电机控制信号给所述各电机驱动器，驱动各电机正转或反转，实现喷药机器人的前进、后退、左转、右转、停止等基本运动动作；所述主控模块根据各个循迹模块的不同检测信号，判断喷药机器人的行走方位，不断矫正，使机器人按照程序设计的流程，循着行走引导线行走；没有行走引导线时，所述主控模块可以调用所述平面定位模块，完成导航；所述主控模块依据左右光电开关检测到的喷靶信号，按程序执行喷药动作；所述主控模块可以驱动电磁继电器动作，从而接通电动推杆电源，使推杆伸缩。

该教学和竞赛用喷药机器人的控制系统具有以下有益效果：

（1）本实用新型可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别行走引导线，在没有导引线的部分路段，自主完成任务，完成定点喷药任务。

（2）本实用新型适合教学应用，学生可以快速上手，驱动喷药机器人完成设定任务，成本低，实用性强。

（3）本实用新型中，喷头可伸缩，既可实现定点精准喷药，又可以使该机器人在不喷药时结构紧凑、占地面积小。而且，本实用新型中，各喷头单独控制，竖直排列，操作灵活，喷射范围广，可避免不必要的浪费。

附图说明

图1：本实用新型中竞赛场地示意图；

图2：本实用新型实施方式中教学和竞赛用喷药机器人控制系统的模块化结构示意图；

图3：本实用新型实施方式中喷药系统的结构示意图；

图4：本实用新型实施方式中底盘布局结构示意图；

图5：本实用新型实施方式中主控制程序流程图；

图6：本实用新型实施方式中前后循迹程序流程图；

图7：本实用新型实施方式中平面定位模块程序流程图；

图8：本实用新型实施方式中喷药系统程序流程图。

附图标记说明：

1—主控模块；2—循迹模块；21—左循迹模块；22—前循迹模块；23—右循迹模块；24—后循迹模块；3—平面定位模块；4—喷射目标检测模块；41—左光电开关；42—右光电开关；5—喷药系统；51—喷药控制模块； 511—电磁阀；512—电磁继电器；513—电动推杆；52—增压泵；53—药箱； 54—喷头；55—喷板；56—安装板；57—支撑板；58—喷头连接件；6—行走控制模块；61—电机；62—电机驱动器；63—车轮；7—底盘。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图2至图8示出了本实用新型教学和竞赛用喷药机器人的控制系统的一种实施方式。图2是本实施方式中教学和竞赛用喷药机器人控制系统的模块化结构示意图。

如图2所示， 本实施方式中教学和竞赛用喷药机器人控制系统，包括主控模块1，主控模块1分别与循迹模块2、喷射目标检测模块4、平面定位模块3、喷药控制模块5、行走控制模块6连接。

如图2和图3所示，图3是本实施方式中喷药系统的结构示意图，喷药控制模块51包括多个电磁阀511、多个电磁继电器512和左右伸缩机构；电磁阀511与喷头54一一对应连接，主控模块1通过相对应的电磁继电器512控制相对应电磁阀511以控制相对应喷头54的流量；主控模块1通过相对应的电磁继电器512控制喷药系统5中增压泵52的启停；主控模块1通过相对应的电磁继电器512控制左右伸缩机构的左右伸缩，喷头54通过喷板55设置在左右伸缩机构上。

优选地，左右伸缩机构包括一对左右对称设置的电动推杆513，电动推杆513的伸缩端与相对应的喷板55连接；电动推杆513的电源两极连接于相对应电磁继电器512的电流输出端，电磁继电器512信号控制端连接于主控模块1相对应引脚。

如图3所示，电动推杆513通过相对应的安装板56和支撑板57安装在机器人的底盘7上，电动推杆513远离伸缩端的另一端和相对应的安装板56上部固连，支撑板57顶端支撑并限位相对应电动推杆513的缸体。

本实施例中，安装板56是L形板结构，L形板结构的横板与底盘7连接，L形板结构的竖板上部与相对应电动推杆513连接；电磁阀511设置在L形板结构的竖板下部。

本实施例中，支撑板57是L形板结构，该L形板结构的横板与底盘7连接，该L形板结构的竖板顶端设置有半圆弧形凹槽以限制电动推杆513的前后、上下自由度。

本实施方式中，喷药系统还包括增压泵52和药箱53，各喷头分别通过相对应的水管、电磁阀511和增压泵52的出水口连接，增压泵52的进水口与药箱53的出水口连接；各电磁阀511的电源两极连接到相对应电磁继电器512的电流输出端，增压泵52的电源两极连接到相对应电磁继电器512的电流输出端，电磁继电器512信号控制端通过信号线连接到主控模块1对应的引脚上。

多个喷头54分为两组，两组喷头54左右对称的分别均布在相对应的喷板55上。本实施例中，两组喷头54分别竖向排列设置在相对应的喷板55上，喷头54通过相对应的喷头连接件58和相对应的喷板55连接。喷板55设置有连接凸台，以与左右伸缩机构的电动推杆513连接。本实施例中，喷板55的本体是一矩形板结构，连接凸台设置在矩形板结构的中部，这样能保证喷药机器人的稳定性。

如图2和图4所示，图4是本实施方式中底盘布局结构示意图，循迹模块2包括左循迹模块21、前循迹模块22、右循迹模块23和后循迹模块24。前循迹模块22和后循迹模块24分别包括七套循迹传感器；左循迹模块21和右循迹模块23分别包括一套循迹传感器。本实施例中，循迹传感器采用灰度传感器。前循迹模块22、后循迹模块24、左循迹模块21和右循迹模块23，可以检测到喷药机器人的行走引导线，主控模块1依据前循迹模块22、后循迹模块24、左循迹模块21和右循迹模块23的不同检测信号，判断喷药机器人的行走方位，不断矫正，使机器人能按程序设计的流程，循着引导线行走。当遇到右（或左）转直角白线时，右（或左）侧循迹传感器首先扫到，然后触发外部中断0，控制机器人右转（或左转）约90度。

如图2、图3和图4所示，喷射目标检测模块4包括设置在底盘7左右两侧的左光电开关41和右光电开关42。左光电开关41和右光电开关42，可以检测前方障碍物，检测距离可以由左光电开关41、右光电开关42的调节电路设定。在机器人喷药任务完成过程中，如图1所示，机器人在B区没有喷药作业提示点，所以，在这一过程中机器人需要判断是否到达预定地点，通过左光电开关41和右光电开关42是否检测到障碍物（喷靶）来判别。主控模块1在接收到左光电开关41或右光电开关42检测到前方障碍物（喷靶）的信号后，控制机器人停止行走，并驱动左右伸缩机构，电动推杆513伸出，使喷板55移动到预定的距离，然后执行喷药任务。

如图2和图4所示，行走控制模块6包括设置在机器人底盘7下的四个车轮63，各个车轮63分别由相对应的电机61及电机驱动器62驱动，各电机驱动器62连接于主控模块1相对应引脚。

本实施例中，电机61是直流电机。每一个电机61需要3个控制信号EN1、IN1、IN2，EN1是使能信号，选用一路PWM连接EN1引脚，调整PWM的占空比，可以调整电机61的转速，通过两位数字信号控制IN1、IN2，即可控制电机61正、反转。本实施例中，电机61的两个电极IN1、IN2，是电机转动方向控制信号，分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。因此，主控模块1发送电机控制信号给相对应的电机驱动器62，可控制相对应电机61的正转、反转和速度调节，实现喷药机器人的前进、后退、左转、右转、速度调节和停止等基本运动动作。

本实施方式中，主控模块1的主控芯片是单片机，主控模块1相对应的IO口分别与循迹模块、喷射目标检测模块、平面定位模块、喷药控制模块、行走控制模块连接。平面定位模块实时传回机器人的位置数据，通过与单片机设定的数值进行比较，做出判断命令，实现定位。

本实施例中，底盘7由铝板构成，底盘7的本体是矩形板结构或近似椭圆的板结构。

该喷药机器人参加中国机器人大赛的子项目，该喷药机器人规定动作的比赛场地，如图1所示，地面为绿色地毯，长4000mm，宽3300mm。机器人行走的引导线，为宽度24mm放入白色亚光纸条（双面胶），虚线引导线在比赛中不存在。比赛中，机器人需要完成喷药任务。根据比赛规则，比赛过程中，机器人需要能识别起跑线、停止线，和赛道引导线，在没有导引线的部分路段，能自主完成任务。机器人从起点区出发，经过A区、B区、C区、D区，分别进行对靶喷药、固定树形喷药，变树形喷药。其中，喷药的靶标，模拟树形等喷药目标，打印在A３纸（297mm×420mm）上。其中，A、B区有引导线，A、C、D区有作业地点提示线。喷药机器人的赛场中，按喷药的难易度区分，依次为A区、B区、C区、D区，比赛成绩以分数高低计算。

参见图1，由于比赛使用深绿色地毯，地毯上贴有白色胶带线，循迹模块采用灰度传感器，灰度传感器的发射管，发射光线到路面，遇到白底被反射，灰度传感器的接收管，接收到反射光，经施密特触发器整形后，输出低电平；当光遇到深绿色地毯时，则被吸收，接收管没有接收到反射光，经施密特触发器整形后，输出高电平。在小车前部设置七路循迹传感器，左、右两侧各设置一路循迹传感器，尾部设置七路循迹传感器。检测地面的白胶带，使主控模块1对应的IO管脚产生相关电平变化，从而得知小车运行方向与白色轨迹线的关系。前方七路循迹传感器的标号，从左到右分别是L1、L2、L3、M1、R3、R2、R1；后方七路循迹传感器的标号，从左到右分别是L4、L5、L6、M2、R6、R5、R4。前、后循迹流程，如图6所示。当循迹传感器检测到白色线后，会将低电平信号返回主控模块1。当M1检测到白线时，如果M2也检测到白线，则机器人直行；如果M1检测到白线，M2未检测到白线，则依据后循迹模块判断机器人动作，L4、L5、L6检测到白线，会使小车向右运动，R4、R5、R6检测到白线，会使小车向左运动；如果M1未检测到白线，则依据前循迹模块判断机器人的动作，L1、L2、L3检测到白线，会使小车向左运动，R1、R2、R3检测到白线，会使小车向右运动。从而实现白线始终位于小车底盘中轴线位置。

平面定位模块的流程图，参见图7。平面定位模块可以实时传回数据，包括机器人平面位置x、y坐标和角度，通过与程序设定的数值进行比较，做出判断命令，若x、y、角度值与设定值不同，则进行算法设计，使机器人通过前进、后退、转弯进行位置校正，当传回的数值与设定值相等时，机器人停止，接着进行下一步的动作。

喷药任务的流程图，参见图8。主控模块1在接收到前循迹模块22检测到喷药作业提示点、左光电开关41或右光电开关42检测到前方障碍物的信号后，主控模块1发送指令给相应的电磁继电器512，控制电动推杆513的伸缩端伸出，然后主控模块1通过控制相对应电磁继电器的通断，来控制增压泵52的启闭，主控模块1通过控制相对应电磁阀511来控制喷药的流量。

喷药机器人工作的主控制流程，参见图5。机器人主控模块1与电机驱动器、各循迹传感器、直流电机结合，控制机器人的循迹、定位、喷药。机器人从起点出发，采用前、后循迹模块使机器人依次经过A1、A2、A3，并完成喷药任务。然后，采用前、后循迹模块和左、右光电开关依次经过B区，并完成喷药。由于从B5点之后，场地无引导线，所以采用平面定位模块来完成C区的喷药任务。

本实用新型可以在设定的比赛场景，按照比赛规则，自动识别行走引导线，在没有引导线的部分路段，自主完成任务，完成定点喷药任务。

本实用新型适合教学应用，学生可以快速上手，驱动喷药机器人完成设定任务。

本实用新型中，喷头可伸缩，既可实现定点精准喷药，又可以使该机器人在不喷药时结构紧凑、占地面积小。而且，本实用新型中，各喷头单独控制，竖直排列，操作灵活，喷射范围广，可避免不必要的浪费。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，包括主控模块，所述主控模块分别与循迹模块、喷射目标检测模块、平面定位模块、喷药控制模块、行走控制模块连接；

所述喷药控制模块包括多个电磁阀、多个电磁继电器和左右伸缩机构；所述电磁阀与喷头一一对应连接，所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制相对应电磁阀以控制相对应喷头的流量；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制喷药系统中增压泵的启停；所述主控模块通过相对应的电磁继电器控制所述左右伸缩机构的左右伸缩，所述喷头通过喷板设置在所述左右伸缩机构上。

2.根据权利要求1所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述左右伸缩机构包括一对左右对称设置的电动推杆，所述电动推杆的伸缩端与相对应的喷板连接；所述电动推杆的电源两极连接于相对应电磁继电器的电流输出端，所述电磁继电器信号控制端连接于所述主控模块相对应引脚。

3.根据权利要求2所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述电动推杆通过相对应的安装板和支撑板安装在底盘上，所述电动推杆远离伸缩端的另一端和相对应安装板上部固连，所述支撑板顶端支撑并限位相对应电动推杆的缸体。

4.根据权利要求3所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述安装板是L形板结构，L形板结构的横板与机器人底盘连接，L形板结构的竖板上部与相对应电动推杆连接；所述电磁阀设置在L形板结构的竖板下部。

5.根据权利要求3所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述支撑板是L形板结构，该L形板结构的横板与机器人底盘连接，该L形板结构的竖板顶端设置有半圆弧形凹槽。

6.根据权利要求1至5任一所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述循迹模块包括前循迹模块、后循迹模块、左循迹模块和右循迹模块；所述前循迹模块和所述后循迹模块分别包括七套循迹传感器；所述左循迹模块和所述右循迹模块分别包括一套循迹传感器。

7.根据权利要求6所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述循迹传感器采用灰度传感器。

8.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述喷射目标检测模块包括设置在机器人底盘左右两侧的光电开关。

9.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述行走控制模块包括设置在机器人底盘下的四个车轮，各个车轮分别由相对应的电机及电机驱动器驱动，各电机驱动器连接于所述主控模块相对应引脚。

10.根据权利要求1、2、3、4、5或7所述的教学和竞赛用喷药机器人的控制系统，其特征在于，所述主控模块的主控芯片是单片机。