【正文】 ............................................................. 26 顯示模塊 ............................................................................................................................. 27 第五章 系統(tǒng)仿真 ........................................................................................................................... 27 結(jié)束語 ............................................................................................................................................. 30 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 31 致謝 ................................................................................................................................................ 33 附件 ................................................................................................................................................ 34 1 第一章 前言 研究背景與意義 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 ,智能機(jī)器人已在許多領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用。 番茄采摘機(jī)器人是基于人工采摘果實(shí)作業(yè)中耗時(shí)、費(fèi)力等因素而應(yīng)運(yùn)而生的智能農(nóng)業(yè)裝備。 國際上，日本、美國等發(fā)達(dá)國家，已經(jīng)從 20 世紀(jì) 80 年代開始研究采摘機(jī)器人，并取得很多成果。 果實(shí)采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀 果實(shí)采摘機(jī)器人國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 采摘機(jī)器人是針對(duì)水果和蔬菜，可以通過編程來完成這些作物的采摘、轉(zhuǎn)運(yùn)、打包 等相關(guān)作業(yè)任務(wù)的具有感知能力的自動(dòng)化機(jī)械收獲系統(tǒng)，是集機(jī)械、電子、信息、智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、視覺識(shí)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(jī)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(jī)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(jìn)行采摘 ，其采摘準(zhǔn)確度可達(dá)到 85%～ 95%[5]。 其 內(nèi)置有能夠感應(yīng)色彩的攝像頭，可以 準(zhǔn)確 分辨出草莓和綠葉，利用事先設(shè)定的色彩值，再配合獨(dú)特的機(jī)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(dá)到 10s/個(gè) [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(jī)器人末端執(zhí)行器下方安裝有果實(shí)收集袋，縮短了從采摘到放置的時(shí)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(jī)器人和智 能農(nóng)業(yè)機(jī)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(jī)器人 [8]；吉林工大學(xué)的周云山等人研究了蘑菇采摘機(jī)器人 [9]；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的張鐵中等人針對(duì)我國常見的溫室罩壟作栽培的草莓設(shè)計(jì)了 3 種采摘機(jī)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(jī)器人 [11]。經(jīng)教育部認(rèn)定，是國內(nèi)第一臺(tái)黃瓜采摘機(jī)器人，獲得多項(xiàng)國家專利。 圖 圖 從國內(nèi)外果實(shí)采摘機(jī)器人的研究現(xiàn)狀來看，目前 果實(shí) 采摘機(jī)器人的研究正處 3 于由試驗(yàn)階段向?qū)嵱猛茝V階段的過渡時(shí)期，我國在這方面的研究只處于起步階段。未來的采摘機(jī)器人將真正做到一機(jī)多用，不僅可以采摘多種果實(shí)還可以實(shí)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(jī)器人技術(shù)會(huì)越來越成熟，采摘機(jī)器人會(huì)越來越多地應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中并最終實(shí)現(xiàn) [14]。 （ 2）具有靈活的機(jī)械臂和較為輕便柔軟的機(jī)械末端，且能夠在工作時(shí)避開枝蔓的阻撓。 （ 3）具有較為穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，能夠及時(shí)配合機(jī)械臂、機(jī)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(shí)時(shí)性要好。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)方面，技術(shù)已經(jīng)相對(duì)來講比較成熟，其技術(shù)關(guān)鍵之處是能夠控制電機(jī)的起轉(zhuǎn)停，并且具有適當(dāng)?shù)谋苷瞎δ芎蛨?bào)警功能。比如，最初的日本研制的番茄采摘機(jī)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(shí)別成熟果實(shí) [16]，而現(xiàn)在番茄采摘機(jī)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(yùn)用雙目立體視覺技術(shù)對(duì)紅色番茄進(jìn)行定位，將圖像進(jìn)行灰 度變換，而后對(duì)圖像的二維直方圖進(jìn)行腐蝕、膨脹以去除小團(tuán)塊，提取背景區(qū)邊緣，然后用擬合曲線實(shí)現(xiàn)彩色圖像的分割，將番茄從背景中分離出來 [17]。運(yùn)用體視成像原理，從兩幅二維圖像中恢復(fù)目標(biāo)的三維坐標(biāo) 。機(jī)器人已由一開始的無法準(zhǔn)確判斷和避開枝蔓 [18]，發(fā)展到快速而準(zhǔn)確的避開枝蔓采摘果實(shí)。 研究結(jié)果： (1)設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)； (2)設(shè)計(jì)了避障模塊并選擇出相應(yīng)的傳感器； (3)設(shè)計(jì)了運(yùn)動(dòng)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(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、聲光報(bào)警模塊、超聲波檢測模塊。 果實(shí)采摘機(jī) 器人整體機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析 機(jī)器人整體的機(jī)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(dāng)?shù)墓ぷ鞣秶? 通常果實(shí)采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、視覺識(shí)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(gè)自由度為水平移動(dòng)，第二個(gè)自由度是升降自由度，第三個(gè)為旋轉(zhuǎn)自由度，后面三個(gè)為機(jī)械臂的軌跡規(guī)劃自由度，最 后一個(gè)是機(jī)械末端的自動(dòng)調(diào)整自由度。圖中采摘機(jī)器人為四輪式的采摘機(jī)器人，其由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)行走機(jī)構(gòu)、視覺識(shí)別裝置、控制模塊、電源模塊組成。 6 圖 四輪式果實(shí)采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)分析 我們首先假想，番茄采摘機(jī)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(shí)。此假設(shè)符合實(shí)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(yùn)動(dòng)。前者只需根據(jù)指令進(jìn)行左右轉(zhuǎn)向，而后者是承擔(dān)整個(gè)車體的動(dòng)力工具，對(duì)其選擇尤為重要。圖 是其從后面角度看的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖， 7 圖 車體布局示意圖 圖 從車體后方角度觀察 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)車體載荷分析與執(zhí)行器的選擇 執(zhí)行器選擇依據(jù) 作為番茄采摘機(jī)器人中承擔(dān)機(jī)器人的移動(dòng)任務(wù)，車體載荷決定驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇。 （ 1）后輪的電機(jī)選擇 8 我們先假設(shè)車體重量是 10千克，可以采摘的果實(shí)最大總重量是 5千克。靜態(tài)摩擦系數(shù) 一 般取 。我們選用 14:1，其減速效率一般為 80%。通過查找電機(jī)的參數(shù)指標(biāo) , ，可以選擇 FAULHBER3863型號(hào)，當(dāng)工作電壓為 24Ｖ時(shí)，其輸出功率為 130W。 9 根據(jù)輸出功率 方面進(jìn)行 選擇 ?? ???VFP ? （ 5） 式中， ?F —— 工作機(jī)阻力， N。 ?? —— 工作機(jī)的效率。 其中 ?F = N? ? —— 主動(dòng)輪與場地之間的摩擦 在機(jī)器人行走時(shí)，主動(dòng)輪是采用橡膠材料，與地面的靜摩擦系數(shù) ? 約為 ~? ,在計(jì)算中選擇 02； N —— 作用在主動(dòng)輪上的支持力 )(1 4 NG ???? （ 6） )(147G NN ?? ， 則 )( NNF ???? ?? 工作機(jī)的最大線速度取為 sm2v ?? 由以上推斷，可以得 )( WVFP ???? ?? ? ?? （ 7） 式中， ?? 為電動(dòng)機(jī)到主動(dòng)輪的傳動(dòng)總效率而 c????? 2rg? （ 8） 滾 動(dòng) 軸 承 效 率 ?? : 輪 箱 效 率 ?? : 齒 輪 效 率 ?? 則 2 ????? ???? ? 。 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。 總結(jié)：由上述兩種方法進(jìn)行選擇，可以看出 FAULHABER公司生產(chǎn)的直流電機(jī) FAULHBER3863型號(hào) 符合條件。我們采用 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 11 表 FAULHBER3863型號(hào) 電機(jī)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(dòng)勢常數(shù) nM曲線斜率 常數(shù) 6ms 轉(zhuǎn)子慣量 110gcm 最大轉(zhuǎn)速 8000rpm 最大轉(zhuǎn)矩 110mNm （ 2） 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)，如表 表 35BY48HJ120減速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn) 型號(hào) 相數(shù) 步距角 扭矩 Nm 電壓 V 電流 A 電阻 Ω 轉(zhuǎn)速 rpm 驅(qū)動(dòng)方式 35BY48HJ120 2/4 12 45 6 42 12 第三章 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 本章講述了番茄采摘機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。同時(shí)為了提高運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，避免設(shè)備的不必要的效率消耗以及降低投入成本和達(dá)到靈活的避險(xiǎn)要求。 主控制器模塊 根據(jù) 設(shè)計(jì) 要求，控制器主要用于 各種信號(hào)的處理 、 控制算法實(shí)現(xiàn)、底盤電動(dòng)機(jī)的控制 和聲光報(bào)警等，控制器選擇 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本系統(tǒng)中控制量較多，單片機(jī)的優(yōu)勢得到很好的體現(xiàn)。 機(jī)器人系統(tǒng)電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要使用 24V 電壓供電， 單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波傳感器避障系統(tǒng)等必須在 5V 電壓下才能夠正常工作 。 為了提供穩(wěn)定的 5V 直流電源，需要將 24V 電源穩(wěn)定 5V。比較而言，開關(guān)型直流穩(wěn)壓電路更能降低電源轉(zhuǎn)換芯片的功耗，提高電源的利用效率。電動(dòng)機(jī)在 24V 電壓情況下 能夠正常工作。在相同電壓降的條件下，開關(guān)電源調(diào)節(jié)器件與線性穩(wěn)壓器件相比具有少得多的 “ 熱損失 ” 。 電機(jī)控制模塊 脈寬調(diào)制（ PWM）原理： 小功率直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成，對(duì)小功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用單片機(jī)是極為方便的。這種方法稱為脈沖寬度調(diào)制，簡稱 PWM。這種調(diào)速方法稱為脈寬調(diào)速。對(duì)于特定的電機(jī)，其最大 Vmax 是確定的，因此控制平均轉(zhuǎn)速就要控制占空比。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 （ 1）前輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 模塊 由于步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成直線或角位移的執(zhí)行元件，它不能直接接到交直流電源上。由于機(jī)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不能直接接到工頻交流或直流電源上工作，而必須使用專用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。它是由 7 對(duì) NPN 達(dá)林頓管組成的，它的高電壓輸出特性和陰極箝位二極管可以轉(zhuǎn)換感應(yīng)負(fù)載。達(dá)林頓管并聯(lián)可以承受更大的電流。 表 ULN2020A 的極限參數(shù) 14 項(xiàng)目 符號(hào) 數(shù)值 單位 最大輸入電壓 Vi(max) 30 V 集電極 發(fā)射極電壓 Vo(max) 50 V 最大基極輸入電流 IB(MAX) 25 mA 輸出電流 Io 500 mA 貯存溫度 Ts 65～ 150 ℃ 結(jié)溫 Tj 175 ℃ 引線耐焊接溫度 TD 300 ℃ （ 2）后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊 所示為一個(gè)典型的直流電機(jī)控制電路。 4 個(gè)三極管組成 H 的 4 條垂直腿，而電機(jī)就是 H 中的橫杠（注：圖 — 圖 都是示意圖）。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 H 橋電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) ， 圖 所 示為另一對(duì)三極管 Q2 和 Q3 導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。 圖 H橋驅(qū)動(dòng)電路 圖