【正文】 ]。近期中國農(nóng)業(yè)大學(xué)發(fā)明的黃瓜采摘機器人,。我國機器人技術(shù)雖然起步較晚，但在改革開放的推動下發(fā)展迅速。它利用CCD攝像機和光電傳感器識別果實，從樹冠外部識別蘋果的識別率達85％，速度達5 s/個。（4）韓國的蘋果收獲機器人：韓國慶北大學(xué)的科研人員研制出蘋果果采摘機器人，它具有4個自由度，包括3個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和1個移動關(guān)節(jié)。（3）日本一家機器人公司研制出草莓采摘機器人。此款機器人的采摘準確率為70%，速度為15s/個果實[4]。、。（1）經(jīng)典的番茄采摘機器人是日本Kondo N等人研制的番茄采摘機器人。近30年來，采摘機器人的發(fā)展可謂是日新月異，日本和歐美等國家相繼立項研究采摘蘋果、柑桔、西紅柿、西瓜和葡萄等智能機器人。從1983年的第一臺西紅柿采摘機器人在美國誕生以來，采摘機器人的研究和發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了近30年[2]，但我國在該領(lǐng)域中的研究還處于起步階段，因此我們必須加快對采摘機器人的研究腳步以早日趕超國際水平，使其為我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大。運動控制系統(tǒng)作為采摘機器人控制系統(tǒng)中不可或缺的部分為機器人實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定的采摘工作提供了必要的保證。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,由于作業(yè)對象的復(fù)雜、多樣,以及當前我國正面臨人口老年化的趨勢[1]，使得新型農(nóng)業(yè)機械——農(nóng)業(yè)機器人的開發(fā)具有巨大經(jīng)濟效益和廣闊的市場前景,符合社會發(fā)展的需求。 sensors。ImplementationABSTRACTThis paper starts from the mechanical structure of robot to analyse and design the motion control system of Tomato Picking Robot .Firstly, with reference to the new research of the domestic and foreign picking robot, it analyses the tomato picking robot mechanical structure and design mechanical structure of the motion control system . Secondly, analysis and designs the motion control system. It is also based on the picking robot working environment, and bined the damand of picking robot self motion and the coordination of other mechanical to design. Mainly it prises a power supply module, motor control module and display module and so on.Thirdly, The sensor of the picking robot is analyzed and designing the obstacle avoidance of the motion control system , mainly including: the selection of sensor, obstacle avoidance module, alarm module designing. Picking robot sensor selection is based on the tomato picking robot working environment as well as the current market, which has several mon sensor performance, price and can plete the function chosen for parison. At last, it designs the obstacle avoidance system.Finally, the accuracy of the motion control system in this design is verified correctly by simulation. The obstacle avoidance function can realizing in the simulation .KEY WORD: mechanical structure。Motion Control System關(guān)鍵詞：機械結(jié)構(gòu)；避障；傳感器；運動控制Tomato采摘機器人的傳感器選擇依據(jù)的是番茄采摘機器人的工作環(huán)境以及目前市場上所具有的幾種常見傳感器的性能、價格和能完成的功能進行比較選擇，最終設(shè)計出避障系統(tǒng)。主要包括：電源模塊、電機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊等。其次，對運動控制系統(tǒng)進行了分析和設(shè)計。 學(xué)校代碼： 11059 學(xué) 號：0805070014Hefei University 畢業(yè)設(shè)計（論文）BACHELOR DISSERTATION論文題目： 番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué)位類別： 工 學(xué) 學(xué) 士年級專業(yè)（班級）：08級 自動化 （1）班作者姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成時間： 2012年 5 月 15 日49番茄采摘機器人運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)中文摘要本文從機器人機械結(jié)構(gòu)入手，對番茄采摘機器入的運動控制系統(tǒng)進行了研究。首先，參照國內(nèi)外的采摘機器人的研究現(xiàn)狀，分析了番茄采摘機器人機械結(jié)構(gòu)并完成運動控制系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。運動控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計部分立足于采摘機器人的工作環(huán)境，并結(jié)合采摘機器人自身運動方面的需求和其它機械部分的需求來設(shè)計。第三，對采摘機器人的傳感器部分進行了分析并對運動控制系統(tǒng)的避障部分進行了設(shè)計。最后，通過仿真驗證了運動控制系統(tǒng)設(shè)計的準確性，實現(xiàn)了避障功能。Harvesting RobotDesign And obstacle avoidance。 motion control目 錄中文摘要 IABSTRACT II第一章 前言 1 1 1 1 3 4第二章 機械結(jié)構(gòu)的分析與設(shè)計 5 5 6 6 6 7 執(zhí)行器選擇依據(jù) 7 執(zhí)行機構(gòu)電機的介紹 10第三章 運動控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計 12 12 12 12 13 13 14 15 15 17 17 18 報警模塊電路設(shè)計 20 21 21第四章 運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 24 24 25 25 26 27第五章 系統(tǒng)仿真 28結(jié)束語 30參考文獻 31致謝 33附件 34第一章 前言隨著電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,智能機器人已在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。番茄采摘機器人是基于人工采摘果實作業(yè)中耗時、費力等因素而應(yīng)運而生的智能農(nóng)業(yè)裝備。國際上，日本、美國等發(fā)達國家，已經(jīng)從20世紀80年代開始研究采摘機器人，并取得很多成果。采摘機器人是針對水果和蔬菜，可以通過編程來完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運、打包等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動化機械收獲系統(tǒng)，是集機械、電子、信息、智能技術(shù)、計算機科學(xué)、農(nóng)業(yè)和生物等學(xué)科于一體的交叉邊緣性科學(xué)[3]。和國內(nèi)相比國外一直處于技術(shù)前沿。其結(jié)構(gòu)由機械手臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、運動行走機構(gòu)、視覺識別裝置、控制模塊、能源組塊組成。采用具有冗余度的7自由度機械手是為了能夠靈活避開障礙物。（2）美國研究人員在美國航空航天局資助下研制成番茄采摘機器人能在草和葉子之間確定西紅柿的位置，挑選出已成熟的西紅柿并進行采摘，其采摘準確度可達到85%～95%[5]。其內(nèi)置有能夠感應(yīng)色彩的攝像頭，可以準確分辨出草莓和綠葉，利用事先設(shè)定的色彩值，再配合獨特的機械結(jié)構(gòu)，它就可以判斷出草莓的成熟度，并將符合要求的草莓采摘下來，速度達到10s/個[6]。采用三指夾持器作為末端執(zhí)行器，其手心裝有壓力傳感器，可以起到避免蘋果損傷的作用。該機器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實收集袋，縮短了從采摘到放置的時問，提高了采摘速度[7]。尤其在不少大專院校、研究所都在迸行采摘機器人和智能農(nóng)業(yè)機械方面的研究，已有很多研究成果披露，比較有代表性的有：東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球果采摘機器人[8]；吉林工大學(xué)的周云山等人研究了蘑菇采摘機器人[9]；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對我國常見的溫室罩壟作栽培的草莓設(shè)計了3種采摘機器人[10]；南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長英等人研制了番茄采摘機器人[11]。經(jīng)教育部認定，是國內(nèi)第一臺黃瓜采摘機器人，獲得多項國家專利。從國內(nèi)外果實采摘機器人的研究現(xiàn)狀來看，目前果實采摘機器人的研究正處于由試驗階段向?qū)嵱猛茝V階段的過渡時期，我國在這方面的研究只處于起步階段。未來的采摘機器人將真正做到一機多用，不僅可以采摘多種果實還可以實現(xiàn)多種用途[13]。相信在廣大工程技術(shù)人員的不斷探索和努力下，在不久的將來，采摘機器人技術(shù)會越來越成熟，采摘機器人會越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并最終實現(xiàn)[14]。（2）具有靈活的機械臂和較為輕便柔軟的機械末端，且能夠在工作時避開枝蔓的阻撓。（3）具有較為穩(wěn)定的運動控制系統(tǒng)，能夠及時配合機械臂、機械末端的工作，確保采摘工作的順利完成。所以要求系統(tǒng)的實時性要好。運動控制系統(tǒng)方面，技術(shù)已經(jīng)相對來講比較成熟，其技術(shù)關(guān)鍵之處是能夠控制電機的起轉(zhuǎn)停，并且具有適當?shù)谋苷瞎δ芎蛨缶δ堋１热?，最初的日本研制的番茄采摘機器人采用傳統(tǒng)視覺處理技術(shù)由彩色攝像頭和圖像處理卡組成的視覺系統(tǒng)來尋找和識別成熟果實[16]，而現(xiàn)在番茄采摘機器人，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的張瑞合、姬長英等人在番茄采摘中運用雙目立體視覺技術(shù)對紅色番茄進行定位，將圖像進行灰度變換，而后對圖像的二維直方圖進行腐蝕、膨脹以去除小團塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離出來[17]。運用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復(fù)目標的三維坐標。機器人已由一開始的無法準確判斷和避開枝蔓[18]，發(fā)展到快速而準確的避開枝蔓采摘果實。研究結(jié)果：(1)設(shè)計了運動控制系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)；(2)設(shè)計了避障模塊并選擇出相應(yīng)的傳感器；(3)設(shè)計了運動控制系統(tǒng)的硬件模塊和軟件模塊，硬件部分主要包括：主控制器模塊、電源模塊、電機控制模塊、電機驅(qū)動模塊、聲光報警模塊、超聲波檢測模塊。機器人整體的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具備以下能力：（1）要具備可靠性，穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)緊湊并且要有適當?shù)墓ぷ鞣秶?。通常果實采摘機器人的結(jié)構(gòu)是由機械手臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、運動行走機構(gòu)、視覺識別裝置、控制模塊、能源組塊組成。其自由度為7，由下到上，第一個自由度為水平移動，第二個自由度是升降自由度，第三個為旋轉(zhuǎn)自由度，后面三個為機械臂的軌跡規(guī)劃自由度，最后一個是機械末端的自動調(diào)整自由度。圖中采摘機器人為四輪式的采摘機器人，其由機械手臂、末端執(zhí)行機構(gòu)、運動行走機構(gòu)、視覺識別裝置、控制模塊、電源模塊組成。 四輪式果實采摘機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖我們首先假想，番茄采摘機器人的環(huán)境是地面整體平坦，具有摩擦系數(shù)適中，地面結(jié)實。此假設(shè)符合實際生產(chǎn)的背景環(huán)境。前輪是控制車體轉(zhuǎn)向，后輪是控制車體前后運動。前者只需根據(jù)指令進行左右轉(zhuǎn)向，而后者是承擔整個車體的動力工具，對其選擇尤為重要。在運動控制系統(tǒng)設(shè)計中必須考慮車體載荷。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算力矩、輸出功率方面來選擇執(zhí)行器即驅(qū)動電機) 。我們選用14:1，其減速效率一般為80%。通過查找電機的參數(shù)指標, ，可以選擇FAULHBER3863型號，當工作電壓為24Ｖ時，其輸出功率為130W。根據(jù)輸出功率方面進行選擇 （5）式中，——工作機阻力，N。——工作機的效率。 其中=——主動輪與場地之間的摩擦在機器人行走時，主動輪是采用橡膠材料，與地面的靜摩擦系數(shù)約為,在計算中選擇02；——作用在主動輪上的支持力 （6），則工作機的最大線速度取為由以上推斷，可以得 （7）式中，為電動機到主動輪的傳動總效率而 （8）滾動軸承效率:輪箱效率:齒輪效率則。根據(jù)最選擇功率合適的電機，要求電機的輸出功率滿足Pmax≥P0,一般選擇2 P0≥Pmax≥ P0?？偨Y(jié)：由上述兩種方法進行選擇，可以看出FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電機FAULHBER3863型號符合條件。我們采用35BY48HJ120減速步進電動機。 FAULHBER3863型號電機性能參數(shù)正常電壓24V極限電阻 Ω最大輸出功率220W效率85%空載轉(zhuǎn)速6700rpm空載電流靜止轉(zhuǎn)矩1250mNm摩擦轉(zhuǎn)矩速度常數(shù)287rpm反電動勢常數(shù)轉(zhuǎn)矩常數(shù)電流常數(shù)nM曲線斜率轉(zhuǎn)子電感130μH機械時間常數(shù)6ms轉(zhuǎn)子慣量110gc