【導讀】題目:基于圖像處理的番茄采摘機器人的設計

　　

【正文】 器人的 手動控制； 6．實時檢測碰撞傳感器的觸點閉合信息，并能對外界的信息做出反應，如：在滑臺到達頂點時，及時停止相應的滑臺運動。 本設計所用到 MSP430F149 單片機的 I/O 多達 40 多個，每個 I/O 口都著自己的功能。具體 的各個引腳功能分配如表 22 所示 ， MSP430F149 總體方案 電路 圖 設計如圖 29 所示。 表 22 MSP430F149 引腳分配 I / O 口 名 稱功 能 分 配I / O 口 名 稱 功 能 分 配R S T復 位 引 腳X T 2 I N晶 振X T 2 O U T晶 振P 4 . 0 / T B 0X 滑 臺 脈 沖 產(chǎn) 生P 4 . 1 / T B 1X 滑 臺 使 能 控 制P 3 . 0 / S T E 0P 4 . 2 / T B 2Y 滑 臺 脈 沖 產(chǎn) 生P 4 . 3 / T B 3Y 滑 臺 使 能 控 制X 滑 臺 方 向 控 制P 3 . 1 / S I M O 0Y 滑 臺 方 向 控 制P 4 . 4 / T B 2Z 滑 臺 脈 沖 產(chǎn) 生P 4 . 5 / T B 3Z 滑 臺 使 能 控 制P 3 . 2 / S O M I 0Z 滑 臺 方 向 控 制P 4 . 5 / T B 5P 4 . 6 / T B 6P 4 . 7 / T B 6P 5 . 0 / S T E 1P 5 . 1 / S I M O 1P 5 . 2 / S O M I 1P 5 . 3 / U C L K 14 4 按 鍵 行 44 4 按 鍵 行 34 4 按 鍵 行 24 4 按 鍵 行 14 4 按 鍵 列 14 4 按 鍵 列 24 4 按 鍵 列 3P 3 . 6 / U T X D 1P 3 . 7 / U R X D 1D M 6 4 2 串 口 接 收D M 6 4 2 串 口 發(fā) 送P 1 . 0 / T A C L KP 1 . 1 / T A 0P 1 . 2 / T A 1P 1 . 3 / T A 2P 1 . 4 / S M C L KP 2 . 0 / A 0P 2 . 1 / A 1P 2 . 2 / A 2P 2 . 3 / A 3P 2 . 4 / A 4P 2 . 5 / A 5P 2 . 6 / A 6P 2 . 7 / A 7液 晶 指 令 / 數(shù) 據(jù) R / S液 晶 讀 / 寫 R / W液 晶 使 能 E液 晶 通 訊 方 式 P S B液 晶 復 位 R S T液 晶 數(shù) 據(jù) D B 0液 晶 數(shù) 據(jù) D B 1液 晶 數(shù) 據(jù) D B 2液 晶 數(shù) 據(jù) D B 3液 晶 數(shù) 據(jù) D B 4液 晶 數(shù) 據(jù) D B 5液 晶 數(shù) 據(jù) D B 6液 晶 數(shù) 據(jù) D B 7P 5 . 4 / M C L K4 4 按 鍵 列 4P 3 . 4 / U T X D 0采 摘 手 串 口 接 收采 摘 手 串 口 發(fā) 送P 3 . 5 / U R X D 0P 3 . 0X 滑 臺 最 左 側 傳 感 器P 3 . 1X 滑 臺 最 右 側 傳 感 器P 3 . 2Y 滑 臺 最 上 側 傳 感 器P 3 . 3Y 滑 臺 最 下 側 傳 感 器P 6 . 0Z 滑 臺 最 前 側 傳 感 器P 6 . 1Z 滑 臺 最 后 側 傳 感 器P 6 . 2采 摘 手 觸 碰 傳 感 器 青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 15 C110uHL112Y11 2Y2C2C310KR1C4D11N4148SWS1 S4 S7 S10S2 S5 S8 S11S3 S6 S9 S12S13 S14 S15 S16R10R11R12R131J11234567891011121314151617181920LCD12864D/IR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7PSBNCRSTNC VODVCC10KR14BLABLK液晶顯示模塊UART_TXD0UART_TXD1UART_RXD0UART_RXD1594837261VB6594837261VB5C1+1V+2C13C2+4C25V6DOUT27RIN28ROUT29DIN210DIN111ROUT112RIN113DOUT114GND15VCC16U21MAX3232104C110104C108104C111104C109104C107采摘手驅動器串口TMS320DM642 串口串口通訊模塊123P2123P3123P4按鍵模塊X 方向滑臺驅動器Y 方向滑臺驅動器Z 方向滑臺驅動器1718192021222324252627282930313233343536373839404142434445464748DVcc123456NC7XIN8XOUT/TCLK9NC10NC111213141516495051XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI55TMS56TCK57RST/NMI58596061AVss62DVss63AVcc64U1MSP430F149VCCGNDOUTSensor1VCCGNDOUTSensor2VCCGNDOUTSensor3VCCGNDOUTSensor4VCCGNDOUTSensor5VCCGNDOUTSensor6VCCGNDOUTSensor7傳感器模塊1234567P5MSP430F149 主控模塊 三維滑臺驅動模塊 圖 29 MSP430F149 總體方案電路圖 下位機 串行通訊電路設計 在本設計中， 使用 了 MSP430F149 其中的 兩路串行通訊功能，第一路主要用于MSP430F149 與上位機 TMS320DM642 的通訊，主要接收來自上位機的番茄果實的三維坐標信息 并用于為采摘機械手對果實的精確定位和抓??；第二路主要用于 控制 采摘機械手上的兩個舵機，以便實現(xiàn)采摘機械手對果實的抓取和采摘。 在 本 設計中，我們選 用了 MAX3232 芯片作為 MSP430F149 的串行通訊芯片， MAX3232芯片 具有 兩路接收器和兩 路驅動器， 也就是可以同時接受兩路數(shù)據(jù)，同時可以發(fā)送兩路數(shù)據(jù)。另外，它還 提供 了 1uA 的 關斷模式，有效 地 降低 了系統(tǒng)的 功耗。 MAX232 串行通訊電路 圖 如圖 210 所示。 青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 16 UART_TXD0UART_TXD1UART_RXD0UART_RXD1594837261VB1SUBD 9594837261VB2SUBD 9C1+1V+2C13C2+4C25V6DOUT27RIN28ROUT29DIN210DIN111ROUT112RIN113DOUT114GND15VCC16U8MAX3232104C35104C37104C36104C38104C39 圖 210 MAX232 串行通訊電路圖 44 矩陣鍵盤電路設計 在本設計的初期，當番茄采摘機器人處于死區(qū)或者番茄機器人因為某些故障而發(fā)生停止或失控行為時，為了 實現(xiàn) 對三維滑臺、采摘機械手等 的手動 調整， 也 為 后期工作人員 操作提供 方便，我們設計了 44 矩陣鍵盤 。 這樣系統(tǒng)不僅可以通過自動控制，而且具有手動微調等功能， 提高 了系統(tǒng)的實用性和安全性。本設計中的 44 矩陣鍵盤電路圖設計如圖 211所示。 12345678P1S1 S4 S7 S10S2 S5 S8 S11S3 S6 S9 S12S13 S14 S15 S16R1010kR1110kR1210kR1310k1J1 圖 211 44 矩陣鍵盤電路圖 該 44 矩 陣鍵盤 的盤上一共 16 個數(shù)字和字母等，每個按鍵 都有自己的功能，具體的功能分配如表 23 所示。 青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 17 表 23 44 矩陣鍵盤功能分配表 鍵 盤 序 號 功 能 分 配S 1X 方 向 滑 臺 左 移S 2X 方 向 滑 臺 右 移S 3X 方 向 滑 臺 停 止S 4采 摘 機 械 手 張 開S 5Y 方 向 滑 臺 上 移S 6S 7Y 方 向 滑 臺 下 移S 8Z 方 向 滑 臺 后 移Y 方 向 滑 臺 停 止采 摘 機 械 手 閉 合鍵 碼123A456B鍵 盤 序 號 鍵 碼Z 方 向 滑 臺 前 移S 9S 1 0S 1 1S 1 2S 1 3S 1 4S 1 5S 1 6789C*0DZ 方 向 滑 臺 停 止執(zhí) 行 一 次 采 摘 動 作X Y 滑 臺 工 進X Y 滑 臺 工 退關 閉 串 行 通 訊打 開 串 行 通 訊功 能 分 配 LCD12864 液晶顯示模塊電路設計 在本設計 中 ，為 了 使人機信息互換更加人性化， 讓開發(fā)人員在程序調試過程中更加方便。我們在控制柜上安裝了一塊 LCD12864 液晶顯示屏。在 系統(tǒng)運行 中 ， 通過 12864 液晶來顯示 MSP430F149 接收到的三維坐標信息、采摘區(qū)域等參數(shù) ，提高了系統(tǒng) 參數(shù) 的可讀性。在本設計中 ，我們 將 LCD12864 液晶安裝在 控制柜的 正面，方便用戶 察看和 讀取數(shù)據(jù)。 本設計中的 LCD12864 液晶 電路圖如圖 212 所示， LCD12864 液晶工作時的圖像如圖213 所示。 1234567891011121314151617181920LCD12864D/IR/WEDB0DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7PSBNCRSTNC VODVCC10KR14BLABLK 圖 212 LCD12864 液晶 電路圖 圖 213 LCD12864 液晶工作時的圖像 青島農(nóng)業(yè)大學機電工程學院本科畢業(yè)設計（論文） 18 采摘機械手 自由度的降維方案 和驅動設計 采摘機械手自由度的降維方案設計 采摘機械手在進行對番茄果實進行準確抓取時 ， 如果要定位空間中的 某一個 三維坐標點，實現(xiàn)采摘機械手在空間中的任意 變換 姿態(tài)，則需要至少六個自由度才能完成，即：采摘機 械手 的旋轉（基座）、大臂的轉動（肩關節(jié)）、小臂的轉動（肘關 節(jié)）、手腕的上下擺動（腕擺動關節(jié)）和左右旋轉（腕旋轉關節(jié)）、采摘手 的張合（手爪關節(jié)）。 當然 在數(shù)學建模和仿真時，只需對前四個關節(jié)進行分析即可。即使這樣， 由于自由度的數(shù)目問題，在進行數(shù)學建模時仍然比較困難， 仍需要一系列的正運動學方程、連桿變換、矩陣變換 以及逆運動學位姿的求解等知識。 為了降低求解和設計難度，本設計提出了一種降維方法 ，即利用三維滑臺的方式代替六自由度的采摘機械手， 由于三維滑臺中的每一維滑臺決定了采摘手在三維空間中的位置，即： X 方向滑臺決定了 采摘手在三維空間中的 x 的坐標值大小， Y 方向滑臺決定了采摘手在三維空間中的 y 的坐標值大小， Z 方向滑臺決定了采摘手在三維空間中的 z 的坐標值大小。只要能夠確定三維滑臺的每一維滑臺運動的增量大小，就可以很容易的計算出采摘手在三維空間中的位置 變換關系 。 三維 滑臺 選型 、 受力方向 分析 和 措施 滑臺具有 重量輕、精度高、精度可逆性等優(yōu) 點， 現(xiàn)在被廣泛的應用在 PCB 雕刻機、打印機、 ATM、印刷機 等 設備中， 它 們在其中承擔了非常重要的角色