【正文】 制系統(tǒng)中不可或缺的部分為機(jī) 器人實(shí)現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的采摘工作提供了必要的保證。 近 30 年來， 采摘機(jī)器人的發(fā)展可謂是日新月異， 日本和歐美等國家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機(jī)器人 。圖 、圖 是其發(fā)明的 7 自由度采摘機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和實(shí)物 圖。 2 （ 3） 日本 一家 機(jī)器人公司 研制出草莓采摘機(jī)器人，如圖 所示 。它利用 CCD 攝像機(jī)和光電傳感器識(shí)別果實(shí)，從樹冠外部識(shí)別蘋果的識(shí)別率達(dá) 85％，速度達(dá) 5 s/個(gè)。近期 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的黃瓜采摘機(jī)器人 ,如圖 所示。要想讓采摘機(jī)器人真正造福于人，必須 進(jìn)行更深入廣泛的研究，改進(jìn)目前采摘機(jī)器人存在的問題與不足，完善采摘機(jī)器人的新功能、新特點(diǎn)，確保機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。 果實(shí)采摘機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展現(xiàn)狀 果實(shí)采摘機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)該包括以下幾個(gè)方面： （ 1）要具有精確度高的視覺識(shí)別系統(tǒng)，能夠區(qū)分出果實(shí)和植物的枝蔓，準(zhǔn)確識(shí)別出成熟果實(shí)和非成熟果實(shí)，提高準(zhǔn)確率和成功率。 （ 4）考慮到使用機(jī)器人采摘的果實(shí)的初衷是用機(jī)械代替人工從而提高工作效率。 視覺識(shí)別方面，得益于數(shù)學(xué)模型及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，果實(shí)采摘機(jī)器人已經(jīng)能夠完成果實(shí)識(shí)別、果實(shí)成熟度識(shí)別以及精確快速處理等功能 [15]。機(jī)械臂機(jī)、械末端 4 方面，由于自由度選擇和傳感器技術(shù)的進(jìn)步、以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)。 5 第二章 機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計(jì) 根據(jù)番茄采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)出番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并完成了車體載荷的估算和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇。以日本 Kondo N 等人研制的番茄采摘機(jī)器人為例，如圖 、圖 所示。采用 5 個(gè)電機(jī)控制，使機(jī)器人能夠多自由度工作。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 為此本設(shè)計(jì)的番茄采摘機(jī)器人采用的是四輪式底盤結(jié)構(gòu)。圖 是俯視的布局圖。 小車線速度為 2ｍ /s(一般以最高速度加上一定的余量來 以此我們通過計(jì)算力矩、輸出功率方面來選擇執(zhí)行器即驅(qū)動(dòng)電機(jī) ) 輪半徑為 。 根據(jù)力矩方面進(jìn)行選擇 1 計(jì)算力矩 M M＝軸上的力矩 /(減速比 *減速箱效率 ) （ 1） ＝靜態(tài)摩擦力 *輪半徑 /(減速比 *減速箱效率 ) ＝靜態(tài)摩擦系數(shù) 小車質(zhì)量 *g*輪半徑 /(減速比 *減速箱效率 ) 2 計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速 n ｎ =(線速度 *60*減速比 )/(2*pi*軸半徑 ) （ 2） 3 計(jì)算功率 P0 602nMP0 ???? （ 3） 4 根據(jù)最選擇功率合適的電機(jī)，要求電機(jī)的輸出功率滿足 Pmax≥P0,一般選擇 2 P0≥Pmax≥ P0 5 進(jìn)一步驗(yàn)證電機(jī)選擇是否合適，驗(yàn)證方法： 2M2n H0 ?? Mn ， （ 4） 從 力矩的角度來為機(jī)器人選擇驅(qū)動(dòng)電機(jī) ： M＝ 15**(14*80)= n=(2*60*14)/(2*pi*)=3600rpm P0=*3600*2pi/60=73W 因此，所選擇的電機(jī)輸出功率最 好 應(yīng)在 ~146Ｗ之間。 ?v —— 工作機(jī)的線速度， m／ s。 電動(dòng)機(jī)的輸出功率按下式計(jì)算： 10 )(KWPP ??? （ 9） ~?? 故 )w(75 )( ??? KWPP ?? 因載荷平穩(wěn)，電動(dòng)機(jī)的額定功率 mP 只需要略大于 P 即可 。 （ 2）前輪的電機(jī)選擇 前輪的電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，可以使小車轉(zhuǎn)向更加靈活 ，本設(shè)計(jì)中前后輪的電機(jī)功率及力矩應(yīng)該相當(dāng)。 總體方案設(shè)計(jì)思路 鑒于番茄采摘機(jī)器人的本職工作是順利完成采摘工作，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)處于輔助的地位而并不需要像 搶險(xiǎn)救災(zāi)機(jī)器人等機(jī)器人精于路況處理的智能機(jī)器人那樣處理復(fù)雜的實(shí)時(shí)環(huán)境問題。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng) 用廣泛。在設(shè)計(jì)中，我用一個(gè)直流電源（ 24V，10A）為機(jī)器人系統(tǒng)供電，其中，控制電路需要的 5V 電壓也是由 24V 電源提供的。在本電路設(shè)計(jì)中，我選擇開關(guān)型穩(wěn)壓電源 LM25765 作為電壓轉(zhuǎn)換模塊： 根據(jù)分析可以知道機(jī)器人底盤控制系統(tǒng)正常工作時(shí)，需要電源提供不同大小的穩(wěn) 壓 電壓。因此，開關(guān)穩(wěn)壓電源可大大減少散熱片體積和 PCB 板的面積，甚至在大多數(shù)情況下不需要加裝散熱片，從而減少了對(duì) MCU 工作環(huán)境的有害影響。小功率直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方法是將電動(dòng)機(jī)電源接通一段時(shí)間，然后切斷電源，再次接通電源，改變電動(dòng)機(jī)通斷時(shí)間的比列，即可達(dá)到調(diào)速的目的。 用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖寬度調(diào)制是很容易的，只要改變電機(jī)定子繞組電壓的通、斷電時(shí)間，即可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。 ULN2020A 是一個(gè)單片高電壓、高電流的達(dá)林頓晶體管陣列集成電路。 ULN2020A 的極限參數(shù)如表 所示。如圖 所示， H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4 個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。如所示，當(dāng)Q1 管和 Q4 管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng) Q1 從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4 回到電源負(fù)極。當(dāng)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）?？梢燥@示 8 4行 16 16點(diǎn)陣的漢字 . 也可完成圖形顯示 .低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。 傳感器選擇與避障系統(tǒng)設(shè)計(jì) 采摘機(jī)器人中傳感器主要應(yīng)用于果實(shí)的識(shí)別、系統(tǒng)的導(dǎo)航、以及避障。 識(shí)別障礙的首要問題是傳感器的選擇，下面對(duì)幾種傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行說明 如表 所示 。 不受 溫度 、天氣影響。 （ 2）避障系統(tǒng)傳感器的選擇 方案一：紅外傳感器廣泛應(yīng)用于門控系統(tǒng)，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格合理使用方便。 缺點(diǎn)是 算法復(fù)雜，處理速度慢。 相比較而言本系統(tǒng)選擇方案三即用超聲波傳感器作為避障部分的傳感器。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。它 是一個(gè)低電壓，高性能 CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲(chǔ)單元，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制。 RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。時(shí)鐘電路內(nèi)部時(shí)鐘的晶振頻率可以在 到 12MHz 之間選擇， C C2 電容值取 530pF，電容的大小可以起頻率微調(diào)作用，外部時(shí)鐘電路的 XTAL1 接地，XTAL2 接外部振蕩器，一般頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。 圖 最小系統(tǒng)電路原理圖 電機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中電機(jī)的控制方式是 PWM 波控制方式。 圖 前輪步進(jìn)電機(jī)的電路圖 （ 2）后輪控制車體的前進(jìn)后退的電機(jī)的電路設(shè)計(jì) 圖 直流電機(jī)用Ｈ橋驅(qū)動(dòng)的電路圖 20 報(bào)警模塊電路設(shè)計(jì) 本模塊硬件分為 兩個(gè)部分：光報(bào)警如圖 所示，聲報(bào)警如圖 所示。當(dāng)機(jī)器人正常運(yùn)行時(shí)，報(bào)警模塊不產(chǎn)生動(dòng)作；當(dāng)檢測系統(tǒng)檢測到障礙物時(shí)，報(bào)警模塊動(dòng)作， LED 等閃光，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警，起到提示作用。為了增加超聲波的探測距離，就需要增加超聲波換能器的功率。 超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。Q10 的作用是提高單片機(jī) I/O 口的輸出電壓，目的也是提高超聲波發(fā)射的功率。如圖 所示為 CX20206A 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及電路連接圖。 2 腳：該腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻 率特性。 5 腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 F0，阻值越大，中心頻率越低。 8 腳：電源正極， ～ 5V。圖 為系統(tǒng)總程序流程圖。在室溫下測試聲速為 344m/s，超聲波每發(fā)射，接收一 次所走距離為被測距離 L 的 2 倍， L 便是被測物體和超聲波傳感器之間的距離， L 式中 t 為計(jì)數(shù)器 T0 中的計(jì)數(shù)值。 是否有 障礙物 入口 停止前進(jìn) 聲光報(bào)警 等候 返回 Y 26 圖 避障系統(tǒng)程序流程圖 電機(jī)控制模塊 本設(shè)計(jì)用了兩 個(gè)電機(jī)：前輪控制車體轉(zhuǎn)向的步進(jìn)電機(jī)；后輪控制車體前進(jìn)的直流電機(jī)。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩小。 正序： 0x01， 0x03， 0x02， 0x06， 0x04， 0x0c， 0x08， 0x09； 反序： 0x09， 0x08， 0x0c， 0x04， 0x06， 0x02， 0x03， 0x01。 第五章 系統(tǒng)仿真 本設(shè)計(jì)是最后借助于仿真，完成的。前輪電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，也是通過按鍵來模擬采摘機(jī)構(gòu)提 供的信號(hào)來完成。此時(shí)無采摘任務(wù)，且前方無障礙物番茄采摘，機(jī)器人處于前進(jìn)狀態(tài)。畢業(yè)設(shè)計(jì) 是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較完整的系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 感受到實(shí)踐結(jié)合理論的重要性。 31 參考文獻(xiàn) [1] IllWoo Park, JungYup Kim, Jungho Lee, JunHo Oh. 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