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設(shè)計(jì)內(nèi)容：
1.黃瓜采摘機(jī)械手機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；
2.黃瓜采摘機(jī)械手電控裝置設(shè)計(jì)。
工作量要求：
1．A0圖紙2張，分別是系統(tǒng)裝配圖、重要零件圖、電路圖；
2．畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書一本（2萬字）
3．相關(guān)外文資料翻譯（4000字）
4．參考文獻(xiàn)不少于10篇（其中外文文獻(xiàn)不少于2篇）
能力要求：
1.具備計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力，AUTOCAD工程軟件的基本操作能力及查閱、消化相關(guān)資料的能力，機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)能力，機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算能力。
2.提供相關(guān)零件實(shí)物圖片或?qū)嵨?，相關(guān)參考書、工具書、機(jī)械設(shè)計(jì)手冊等書目，及相關(guān)軟件的技術(shù)指導(dǎo)、支持。
生物系統(tǒng)工程（2003）86（2）135-144
DOI：10.1016/S1537-5110（03）00133-8
AE—自動化與新興技術(shù)
黃瓜采摘機(jī)器人的無碰撞規(guī)劃
E.J.凡Henten J.海明; B.A.J.凡Tuijl; J.G.短號;研究Bontsema
溫室工程，農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所（IMAG BV公司），箱43，NL-6700機(jī)管局瓦赫寧根，荷蘭;電子郵件通訊作者：eldert.vanhenten wur.nl
（2002年4月26日收到，2003年7月8號以修訂后的形式接受; 2003年8月29日在網(wǎng)上發(fā)表）
在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院，對于黃瓜自動收獲機(jī)，其中最大的一個(gè)挑戰(zhàn)方面就是在采摘的過程中實(shí)現(xiàn)一種快速精確的手眼協(xié)調(diào)的操作。這個(gè)程序包含兩個(gè)主要的組成部分。首先，采集信息機(jī)器人的工作環(huán)境，其次，一個(gè)程序可以讓機(jī)器人末端執(zhí)行器對黃瓜產(chǎn)生無碰撞機(jī)械運(yùn)動。這篇文章主要闡述了后者，無碰撞機(jī)械運(yùn)動所產(chǎn)生的所謂的路徑搜索算法。在這項(xiàng)研究中這個(gè)A-search算法被應(yīng)用著，用一些數(shù)值的例子對黃瓜收割應(yīng)用的搜索過程分析說明。得出的結(jié)論是，無碰撞運(yùn)動可以用于采摘黃瓜的機(jī)械手的自由度的計(jì)算。這個(gè)A-search算法非常易于實(shí)施和魯棒。當(dāng)找不到解決方案時(shí)這個(gè)算法要不產(chǎn)生一個(gè)解決方案要不就停止工作。這個(gè)有利的財(cái)產(chǎn)然而卻使算法過分的緩慢，結(jié)果表明這個(gè)算法不包括多智能的搜索過程。我們可以知道，為了滿足每10S為一個(gè)單一收獲循環(huán)的要求，還需要做進(jìn)一步的研究，去尋找發(fā)現(xiàn)快速的算法，使用盡可能多的關(guān)于這個(gè)問題特定結(jié)構(gòu)的信息來產(chǎn)生解決方案，如果這個(gè)算法找不到解決方案并能給出明確的信息。
1. 介紹
1996年，農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程學(xué)院開始研究自主的黃瓜采摘機(jī)器人的發(fā)展，這個(gè)項(xiàng)目是由荷蘭農(nóng)業(yè)部，食品和漁業(yè)部門支持的。為農(nóng)業(yè)應(yīng)用設(shè)計(jì)機(jī)器人的任務(wù)所提出的議題不涉及其他行業(yè)(Gielinget al., 1996 ; Van Kollenburg-）。機(jī)器人必須處在一個(gè)高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，在這里沒有兩個(gè)場景是一模一樣的。農(nóng)作物和水果都易于被機(jī)械損傷應(yīng)給小心處理。機(jī)器必須能夠在不利的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，如相對較高的溫度和濕度以及光線變化的條件。最后，為了符合成本效益，就機(jī)器人采摘運(yùn)動的速度和成功率而言，機(jī)器人需要滿足高的性能特點(diǎn)。在這個(gè)項(xiàng)目中這些具有挑戰(zhàn)性的問題已經(jīng)被一個(gè)機(jī)械工程，傳感技術(shù)（計(jì)算機(jī)視覺等），系統(tǒng)和控制工程，電子、軟件工程，物流，最后但不是最少園藝工程分享的互動的方式解決(Van Kollenburg-Crisan et al., 1997 ; Bontsema et al., 1999 ; Meuleman et al., 2000 )。
自動收割機(jī)的開發(fā)研制中最具有挑戰(zhàn)性的問題之一就是達(dá)到快速精確的手眼協(xié)調(diào)的，即達(dá)到機(jī)器人在采摘運(yùn)動中感官信息的采集和機(jī)器人運(yùn)動控制之間的有效相互作用，就像人們做的那樣。在園藝實(shí)踐中，一個(gè)訓(xùn)練有素的工人只需要3-6S采摘和存儲一個(gè)水果，那種表現(xiàn)是很難被打敗的。幸運(yùn)的是，就機(jī)器人的采摘速度而言沒有必要達(dá)到那么高的性能特點(diǎn)。一項(xiàng)任務(wù)分析顯示，考慮經(jīng)濟(jì)可行性，一個(gè)單一采摘運(yùn)動可能只需要10S (Bontsemaet al., 1999 )。仍然，機(jī)器人運(yùn)動應(yīng)盡可能快的同時(shí)防止機(jī)器手的碰撞，手和收獲水果作物，溫室結(jié)構(gòu)還有機(jī)器人自身的碰撞（如汽車視覺系統(tǒng)）。在荷蘭，黃瓜生產(chǎn)設(shè)施，機(jī)器人運(yùn)行在一個(gè)非常緊張的工作環(huán)境中。最后，為了保證收獲果實(shí)的質(zhì)量，在運(yùn)動路徑的各個(gè)部分對機(jī)械手的速度和加速度加以約束。
為了達(dá)到理想的手眼協(xié)調(diào)，一個(gè)人需要環(huán)境的感官信息的采集和算法去為機(jī)械手計(jì)算這種無碰撞運(yùn)動。正像Meuleman et al. (2000) 報(bào)道的那樣。在這個(gè)項(xiàng)目中感覺系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)視覺的。本文著重論述了收獲機(jī)的機(jī)械手的無碰撞運(yùn)動軌跡的快速生成。盡管有相當(dāng)大的研究工作花在自動收集蔬菜水果方面，但是這個(gè)問題在農(nóng)業(yè)工程研究中沒有引起人們極大的關(guān)注。(see e.g. Kondoet al., 1996 ; Hayashi& Sakaue, 1996 ; Arima & Kondo, 1999 )。
本文概述如下，在第二節(jié)對采摘機(jī)器人進(jìn)行了闡述，在第三節(jié)，講述的是一個(gè)單一收獲操作的任務(wù)序列，然后，第四節(jié)，表述的是無碰撞規(guī)劃的自動算法的組成。為了能夠深入洞察算法的運(yùn)行，在第五節(jié)對該算法在第二級自由度的機(jī)械手上進(jìn)行了解釋說明，第六節(jié)包含一個(gè)應(yīng)用于收獲機(jī)器人身上的six-DOF RV-E2三菱機(jī)械手的運(yùn)動規(guī)劃實(shí)驗(yàn)結(jié)果。第七節(jié)包含結(jié)束語和對未來研究的建議。
2．采摘機(jī)器人
圖1.黃瓜收獲機(jī)器人的功能模型;（a）車輛;（b）廣角相機(jī);（c）七度的自由度機(jī)械手;（d）最終效應(yīng);（e）激光測距儀和攝像機(jī)的位置當(dāng)?shù)爻上?（f）計(jì)算機(jī)和電子產(chǎn)品;（g）與220伏電源線卷軸;（h）氣動泵;（i）供熱管
圖一中，一個(gè)采摘機(jī)器人的功能模型被展示出來。它包含一個(gè)用于溫室走道里的收獲機(jī)進(jìn)行粗定位的自主車輛。這車采用加熱管作為一個(gè)鐵路進(jìn)行指導(dǎo)和支持。它作為一個(gè)移動平臺裝載電源、主動泵、各種數(shù)據(jù)收集和控制的電子硬件、一個(gè)用于監(jiān)測和定位植物上黃瓜位置的廣角攝像系統(tǒng)和一個(gè)用于機(jī)械末端運(yùn)行器定位的七個(gè)自由度的機(jī)械手。這個(gè)機(jī)械手由安裝著六個(gè)自由度的Mitsubishi RV-E2機(jī)械手的滑動線路構(gòu)成。這個(gè)RV-E2機(jī)械手包括一個(gè)人形的機(jī)械手臂和球形的手腕。這個(gè)機(jī)械手有個(gè)能夠抓去0.2毫米的穩(wěn)態(tài)精度并能夠在惡劣的溫室氣候（高濕度和高溫度）條件下滿足一般的衛(wèi)生的操作方面的要求。這個(gè)機(jī)械手裝有一個(gè)末端執(zhí)行器。它包括兩部分：一個(gè)爪抓住水果，另一個(gè)爪切割水果從植物上分離出來。這個(gè)末端執(zhí)行器帶有一個(gè)末端激光測距系統(tǒng)或一個(gè)小相機(jī)。他們是用來在黃瓜附近能夠更好地進(jìn)行運(yùn)動控制而獲取感官信息的，如果需要的話。
3.單一收割運(yùn)動的任務(wù)序列
圖2. 一個(gè)單一的收獲作業(yè)任務(wù)序列：3D，三維，TCP，工具中心點(diǎn)
圖二展示的是一個(gè)單一的收獲運(yùn)動的一個(gè)任務(wù)序列。在采摘操作中接近黃瓜被公認(rèn)為是一個(gè)兩階段的過程。首先，用安裝在車輛上的攝像系統(tǒng)，黃瓜果實(shí)被檢測到他的成熟認(rèn)定和位置是不確定的。如果我們決定采摘黃瓜則低分辨率圖像的車載攝像機(jī)就用于定位機(jī)器人末端執(zhí)行器鄰近黃瓜附近這一帶。一旦末端執(zhí)行器抵達(dá)鄰近的黃瓜，然后利用末端執(zhí)行器上面的激光測距系統(tǒng)或攝像系統(tǒng)為最終的準(zhǔn)確的接近黃瓜獲得黃瓜定位環(huán)境的高分辨率的信息。末端執(zhí)行器緊握并消減果子的莖。夾持固定分離的水果最后收獲果實(shí)移動到存儲箱。
避障運(yùn)動規(guī)劃將用于黃瓜的初步做法以及收獲黃瓜回程箱子，來保證，如機(jī)器人車輛本身的工作空間中的其他對象，但也源于，如果目前，葉片和溫室建設(shè)的部分都沒有命中。顯然，收獲的黃瓜，增加最終的效應(yīng)，應(yīng)考慮在機(jī)械臂返回到存儲議案的大小。黃瓜的平均長度為300mm。
4.一個(gè)無碰撞運(yùn)動規(guī)劃算法
圖3.無碰撞的自動生成程序議案
圖3顯示了一個(gè)程序，自動生成赫爾曼（1986年）的工作基礎(chǔ)上的黃瓜采摘機(jī)器人無碰撞運(yùn)動的組成部分。無碰撞運(yùn)動規(guī)劃依賴于三維（3D）機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)以及在機(jī)器人操作的工作區(qū)的信息。因此，在無碰撞機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的第一步是三維世界描述的收購。這個(gè)描述是基于感官信息，如機(jī)器視覺以及先驗(yàn)知識，例如，采摘機(jī)器人運(yùn)動學(xué)的三維結(jié)構(gòu)，如三維模型，在數(shù)據(jù)庫中。有了這個(gè)信息，在任務(wù)定義階段，機(jī)器人的整體任務(wù)的計(jì)劃。決定最后的位置和方向的效應(yīng)最終結(jié)果中的黃瓜最好的方法。也定義在此階段的具體位置和方向約束等。在階段目標(biāo)的位置和方向的最終任務(wù)定義中定義的效應(yīng)，逆運(yùn)動學(xué)，將目標(biāo)配置的manipulator.The目標(biāo)配置跨lated表示作為一個(gè)線性滑軌的翻譯和6的組合七自由度機(jī)械手關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。使用此信息的路徑規(guī)劃，路徑規(guī)劃，采用了搜索技術(shù)找到自由碰撞路徑，從開始操縱其目標(biāo)配置配置。一旦已成功完成的無碰撞路徑規(guī)劃，軌跡規(guī)劃軌跡，可以轉(zhuǎn)換成的無碰撞路徑由機(jī)器人執(zhí)行。通常情況下，路徑規(guī)劃過程中，只有在太空中的無碰撞配置有關(guān)，但沒有速度，加速度和運(yùn)動平滑。軌跡規(guī)劃涉及這些因素。 thetrajectory策劃生產(chǎn)的機(jī)器人伺服系統(tǒng)的運(yùn)動命令。在執(zhí)行階段執(zhí)行這些命令。運(yùn)動規(guī)劃系統(tǒng)的一些部件將在更詳細(xì)地描述以下。
4.1世界的描述（采集）
Meulemanet在一份文件中描述的基于機(jī)器視覺的世界描述收購的黃瓜采摘機(jī)器人（2000年）。視覺系統(tǒng)能夠偵測在綠色canopy.Moreover綠色黃瓜，視覺系統(tǒng)決定的黃瓜成熟。最后，利用立體視覺技術(shù)QUES，相機(jī)視覺系統(tǒng)產(chǎn)生的工作空間內(nèi)的攝像頭的視角3D地圖。在這樣的機(jī)器人能夠處理工作面臨的環(huán)境與它的變異。
圖6. 自由度的三菱RV-E2的操縱一個(gè)三維模型
如上所述，先驗(yàn)知識，例如，機(jī)器人的物理結(jié)構(gòu)所需的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃。作為一個(gè)例子，圖4顯示了一個(gè)六自由度三菱RV-E2在MATLAB中實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的三維模型。機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)是由矩形和三角形構(gòu)造的多邊形表示。議案的戰(zhàn)略評估模型用于模擬期間，作為操縱機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃期間的工作空間中的結(jié)構(gòu)部件的碰撞檢測的基礎(chǔ)上。
4.2逆運(yùn)動學(xué)
逆機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)關(guān)節(jié)角度的計(jì)算和翻譯，處理結(jié)果在所需的位置和方向,工具中心點(diǎn)（TCP）機(jī)器人（克雷格，1989年）。 TCP是一個(gè)預(yù)定義的endeffector點(diǎn)。對于六自由度三菱RV-E2的操縱范戴克（1999年）獲得了逆機(jī)械臂運(yùn)動學(xué)的解析解。七自由度機(jī)械手，即三菱RV-E2的機(jī)械臂安裝在一個(gè)線性滑軌，一個(gè)簡單的逆運(yùn)動學(xué)解析解不存在由于在運(yùn)動鏈的固有冗余。最近獲得這種冗余機(jī)械臂的逆運(yùn)動學(xué)分析數(shù)值混合溶液（申克，2000年）。由于成熟的黃瓜的立場，該算法產(chǎn)生的七自由度機(jī)械臂的無碰撞收獲配置。此外，它可以保證關(guān)節(jié)黃瓜附近的精細(xì)運(yùn)動控制有足夠的自由。
4.3路徑規(guī)劃
無碰撞路徑規(guī)劃算法已被大量的研究對象。例如見latombe（1991）和黃和阿胡加（1992）概述。
一個(gè)無碰撞路徑規(guī)劃主要包括兩個(gè)重要組成部分：搜索算法和碰撞檢測算法。搜索算法的搜索空間探索一個(gè)可行的，即collisionfree，從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的議案。在搜查過程中，被選中的碰撞檢測算法在搜索空間的每一步的可行性。該算法檢查機(jī)器人的碰撞與機(jī)器人的工作空間中的其他結(jié)構(gòu)部件。重要的是要注意，對于大多數(shù)路徑規(guī)劃者的搜索空間是所謂的配置空間機(jī)器人，其中關(guān)鍵的是從不同的3D工作區(qū)機(jī)器人。在黃瓜收獲機(jī)的7自由度機(jī)械手的情況下，配置空間是由一個(gè)聯(lián)合翻譯和6個(gè)聯(lián)合旋轉(zhuǎn)組合橫跨七維空間。然后，從一開始的位置和方向的工具中心點(diǎn)為無碰撞運(yùn)動目標(biāo)的位置和方向在三維工作空間癤的單點(diǎn)無碰撞通過的議案的搜索搜索七維配置從一開始就配置目標(biāo)配置掩膜的空間。在這樣的運(yùn)動鏈中的冗余問題很容易規(guī)避。有一到一個(gè)映射的配置空間中的點(diǎn)的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn)。然而，對于大多數(shù)的機(jī)器人，相反不成立。一個(gè)單一的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點(diǎn)，然后可以復(fù)制機(jī)器人的多種配置。由于其獨(dú)特的代表性配置空間搜索是首選。然而，碰撞檢測，需要說明的身體姿勢操縱在與其他物體在三維工作空間的關(guān)系。因?yàn)槊總€(gè)配置代表一個(gè)單一的姿勢在三維工作空間的機(jī)械臂，可以很容易地驗(yàn)證碰撞。然后，特別是機(jī)器人的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，工作空間的障礙可以被映射到配置空間的障礙將會顯示。
4.3.1.搜索算法
路徑搜索算法應(yīng)該是有效率的，如果存在的話，找到一個(gè)解決方案。后者的財(cái)產(chǎn)被稱為完整性（珍珠，1984年）。通常情況下，算法的完整性，保證不計(jì)算效率。然而，計(jì)算效率是至關(guān)重要的，當(dāng)上線的應(yīng)用程序需要。運(yùn)動規(guī)劃的各個(gè)方面取得的洞察力，在這項(xiàng)研究中，上述計(jì)算效率的青睞，該算法的完整性。這樣的選擇的主要原因是一個(gè)完整的算法將找到解決辦法，或停止使用一個(gè)明確定義的停止準(zhǔn)則，如果不能找到一個(gè)解決方案。這是不是真實(shí)的，不保證完整性的算法。他們要么提供一個(gè)解決方案或卡住，恕不另行通知。在本研究中所謂的A *搜索算法（明珠，1984年;近藤，1991年，羅素和Norvig還，1995年）。它很容易實(shí)現(xiàn)和保證完整性。此外，它最大限度地降低成本標(biāo)準(zhǔn)，其中包括一個(gè)在搜索空間旅行距離的措施。該算法是在MATLABB實(shí)施
圖5.在離散化的二維配置空間的正交節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展：S，起始節(jié)點(diǎn); G，目標(biāo)節(jié)點(diǎn)
使用配置空間機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的A *算法，離散化使用一個(gè)固定的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖5。用戶可以定義網(wǎng)格的大小和分辨率。然后A *算法搜索從一開始就格點(diǎn)的目標(biāo)格點(diǎn)的路徑，同時(shí)最大限度地降低成本函數(shù)f：此成本函數(shù)f包括路徑的成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)?;和樂觀的估計(jì)成本從目前的位置目標(biāo)?：在這項(xiàng)研究中，歐拉規(guī)范被用來作為樂觀的估計(jì)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的成本。A *算法是既完整和優(yōu)化。最優(yōu)保證的路徑獲得最大限度地減少使用成本函數(shù)。.
A *算法使用兩個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，開放列表和封閉列表清單。開放列表中包含了電網(wǎng)的成本函數(shù)，其中尚未被評估，而評估已閉合的名單上的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的函數(shù)值的節(jié)點(diǎn)。這是假設(shè)的起點(diǎn)和目標(biāo)，可以選擇配置，配合網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，在這些配置的密切鄰里。然后根據(jù)珍珠（1984），A *算法在網(wǎng)格如下操作節(jié)點(diǎn)。
(1)放在開放的起始節(jié)點(diǎn)S。
(2)如果打開是空的，則失敗退出，否則從關(guān)節(jié)點(diǎn)n FO其中f是最低的開放和地點(diǎn)。
(3)如果n等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G;成功退出追溯從n指針為S得到的解決方案：
(4)否則擴(kuò)大N;生成所有其繼承人，并重視它們的指針回到N：對于每一個(gè)n的繼任者n’：
(a) 如果是尚未打開或關(guān)閉，估計(jì)H（n’）（樂觀的估計(jì)成本的最佳途徑，從n’到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)G），并計(jì)算F（n’）= G（n’）+ H（n’）其中g(shù)（n’）= G×（N）+ C（N，n’）C（N，n’）從節(jié)點(diǎn)n的過渡成本，節(jié)點(diǎn)n’和G（S）= 0
（b）如果已經(jīng)打開或關(guān)閉，直接收益率最低的G（1）道路沿線的指針;
(c)如發(fā)現(xiàn)閉，1所需的指針調(diào)整和重新打開它
(5)轉(zhuǎn)到第2步。
電網(wǎng)擴(kuò)張?jiān)诘?步，可以采取多種形式。在本研究中所謂的正交擴(kuò)充。這種方法是在圖5所示。
圖5還說明起始節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)節(jié)點(diǎn)沒有以配合實(shí)際的起點(diǎn)和目標(biāo)機(jī)器人的配置。在這種情況下，最近的鄰居節(jié)點(diǎn)被選中。
在這個(gè)算法，停止準(zhǔn)則是非常明確的規(guī)定。如果在第3步，從開放列表中刪除的節(jié)點(diǎn)等于目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，算法停止。另外，該算法將停止在第2步如果所有的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估，并開放列表已成為空。在這種情況下，沒有找到一個(gè)解決方案。
路徑搜索過程中碰撞檢測的處理有兩種方式。首先，碰撞的配置可以通過掃描整個(gè)離散化配置空間的路徑搜索前確定。這將是在一個(gè)高維離散化的空間配置，具有很高的情況下計(jì)算昂貴決議電網(wǎng)。這將是更有效地評估在搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的可行性。也就是說，在節(jié)點(diǎn)擴(kuò)展一步，第4步，碰撞檢測算法檢查是否與該節(jié)點(diǎn)相關(guān)的機(jī)器人配置與環(huán)境或不產(chǎn)生碰撞。由于A *算法通常計(jì)算只有一小部分配置空間，這將產(chǎn)生相當(dāng)大的改善效率。碰撞可以在步驟4a中提到的成本函數(shù)加入一個(gè)大型的罰款處罰。另外，在碰撞中產(chǎn)生的一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)可以直接從省略開放期間電網(wǎng)的擴(kuò)張階段的名單。在這項(xiàng)研究中，后者的做法被使用。
圖6.一個(gè)面向包圍盒模型的六個(gè)自由度的RV-E2的操縱
4.3.2.碰撞檢測算法
碰撞檢測算法在MATLAB中實(shí)現(xiàn)根據(jù)報(bào)道由Boyse（1979年）的想法。該算法計(jì)算的交點(diǎn)在工作區(qū)中的其他結(jié)構(gòu)部件表面的機(jī)器人模型的表面。計(jì)算兩個(gè)曲面相交的本質(zhì)歸結(jié)為決定從幾何中使用的標(biāo)準(zhǔn)工具，可以實(shí)現(xiàn)與其他表面的一個(gè)表面的邊緣相交。所有的一切，碰撞檢測是一項(xiàng)計(jì)算密集型的任務(wù)。因此，在實(shí)時(shí)應(yīng)用，如黃瓜機(jī)器人碰撞檢測，需要碰撞檢測的精度和可用計(jì)算時(shí)間之間的權(quán)衡。精確的CAD模型圖。 4包含600個(gè)三角形和矩形表面。一因素15減少計(jì)算時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了從所謂的面向邊界建立了一個(gè)不太準(zhǔn)確的模型代替精確的操縱模型盒（更新行動）。這種三維機(jī)械手的只有36個(gè)移動的表面組成OBB的模型如圖6所示。顯然，一些與OBB的模型精度已提供計(jì)算速度的緣故。對于目前的調(diào)查，它被認(rèn)為是合理的。
5．例1：碰撞兩個(gè)度的自由操縱運(yùn)動規(guī)劃
要說明的方法，結(jié)果與兩兩自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機(jī)械臂的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃。圖7（a）顯示了一個(gè)人為的溫室環(huán)境，其中方塊代表黃瓜莖的目標(biāo)是移動的路徑（直打下了）操縱的工具中心點(diǎn)背后掛在黃瓜黃瓜冠捷干，沒有擊中任何黃瓜莖。這被認(rèn)為是黃瓜采摘過程中最困難的議案之一。
5.1.結(jié)果
為了說明操作的運(yùn)動規(guī)劃算法，圖。 7（b）顯示相關(guān)的兩維的配置空間。一個(gè)離散化步驟五度使用。堅(jiān)實(shí)的黑色方塊，稱為配置的障礙，代表機(jī)器人和黃瓜干之間的碰撞產(chǎn)生的配置。由字母S表示開始配置目標(biāo)配置是由字母G表示：他們代表的開始姿勢和圖采摘姿態(tài)。 7（一）。路徑搜索的目標(biāo)是要找到一個(gè)起始節(jié)點(diǎn)S和目的節(jié)點(diǎn)G之間的連接：觀察，首先，配置空間的地圖，揭示了真正復(fù)雜運(yùn)動規(guī)劃的問題，可能看起來瑣碎的工作空間中。其次，觀察，一條直路從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)碰撞的結(jié)果，并因此是不可行的。圖7（c）所示的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，記為*，A *算法的評估過程中向前搜索從起始節(jié)點(diǎn)到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。圖所示的配置空間中的最優(yōu)路徑。如圖7（d）及相關(guān)的無碰撞機(jī)械臂在工作區(qū)的議案快照。 7（E）。觀察，在工作區(qū)中的無碰撞運(yùn)動的空間配置結(jié)果無碰撞的議案;機(jī)器人不會干擾與工作空間的障礙：黃瓜莖。最后，圖7（f）顯示網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)A *算法當(dāng)一個(gè)落后的搜索目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的起始節(jié)點(diǎn)進(jìn)行評估。
5.2.討論
結(jié)果表明，在配置空間沸騰的路徑搜索，找到一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡，從一開始就配置目標(biāo)配置。
圖7（c）和（F）清楚地表明，碰撞檢查接續(xù)OFA先驗(yàn)碰撞檢測路徑搜索過程中，由于A *算法，只有部分評估在配置空間網(wǎng)格點(diǎn)的優(yōu)勢。此外，研究結(jié)果表明，如果一個(gè)障礙之間開始配置和位于目標(biāo)配置，大量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)找到了解決辦法之前，必須進(jìn)行評估。在這種情況下，A *算法不是很有效，在發(fā)現(xiàn)周圍的配置空間障礙的一種方式。障礙的情況下密切繞過一個(gè)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)落后的搜索可能會產(chǎn)生較少的解決方案由圖所示的計(jì)算時(shí)間。 7（F）。在這個(gè)例子中向后搜索向前搜索時(shí)取得117而不是146次迭代后的解決方案;減少20％。如果目標(biāo)節(jié)點(diǎn)位于兩者之間的障礙脊巷子盡頭，即使在較高的迭代次數(shù)減少使用向后搜索（結(jié)果未顯示）獲得。最好的搜索方向明確，取決于手頭的特定結(jié)構(gòu)的問題。這兩個(gè)圖。 7條（d）及（e）表明，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑成本函數(shù)的意義，算法往往偷工減料，致使小機(jī)器人和障礙物之間的距離。要牢記這一特點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)動規(guī)劃實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器為基礎(chǔ)的世界描述數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確容易。然后可能會發(fā)生碰撞，不占在運(yùn)動規(guī)劃。最后，圖7（d）顯示，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和正交擴(kuò)展的路徑搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)，運(yùn)動路徑包含了一些尖角。這將導(dǎo)致強(qiáng)不必要的加速和減速的鏈接時(shí)，在實(shí)踐中實(shí)施。在第4節(jié)的建議，為平滑軌跡規(guī)劃的議案等不良行為的來電。
6．例2：碰撞為6度的自由操縱運(yùn)動規(guī)劃
這一段演示六自由度三菱RV-E2的機(jī)械臂運(yùn)動規(guī)劃方案。圖8（a）顯示了三維視圖六自由度機(jī)械手，在一個(gè)人為的溫室環(huán)境。再次，目標(biāo)是從路徑中的位置移動機(jī)器人的工具中心點(diǎn)到黃瓜掛背后的黃瓜干，沒有擊中黃瓜TEMS代表由黑職位。
圖7.黃瓜采摘在一個(gè)人為的溫室環(huán)境經(jīng)營度自由操縱的無碰撞運(yùn)動規(guī)劃：（a）開始姿勢（直）和目標(biāo)姿態(tài)與機(jī)械臂的工作空間冠捷挑選黃瓜掛灰色正方形代表;（b）與代表的黑色區(qū)域配置中的碰撞和S的起點(diǎn)和目標(biāo)配置，分別代表?配置空間;（c）配置空間由A采樣黃瓜干背后*算法在從一開始向前搜索到目標(biāo)節(jié)點(diǎn);（d）通過配置空間的無碰撞軌跡;（e）6，到操盤黃瓜的無碰撞運(yùn)動的快照;（f）配置A *算法在空間采樣，從向后搜索目標(biāo)的起始節(jié)點(diǎn)1和2是第一和第二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。
6.1．結(jié)果
由于這個(gè)例子涉及一個(gè)六自由度機(jī)械手，執(zhí)行搜索，在六維的配置空間。這是不可能的可視化配置空間的無碰撞點(diǎn)的運(yùn)動，是與前面的例子一樣。因此，只有通過工作區(qū)的無碰撞運(yùn)動的快照圖。 8（一） - （F）。該議案涉及所有6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。從本質(zhì)上講，黃瓜的議案，由兩部分組成。首先所有機(jī)器人向后傾斜，同時(shí)圍繞主垂直軸旋轉(zhuǎn)，然后傾斜前鋒再次攜帶刀具中心點(diǎn)之間的黃瓜莖。其次，同時(shí)，過去三年關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)，以便能夠定位在背后的黃瓜干黃瓜工具中心點(diǎn)。這樣做，黃瓜干規(guī)避。
6.2．討論
結(jié)果表明，碰撞自由運(yùn)動的六自由度機(jī)械手可以發(fā)現(xiàn)。據(jù)預(yù)計(jì)，這一結(jié)果可以擴(kuò)展到七個(gè)自由度的機(jī)械手，在黃瓜采摘設(shè)備使用。然而，這個(gè)例子揭示了A *算法的弱點(diǎn)。對于正在審議的六自由度機(jī)械手，在六維的配置空間進(jìn)行搜索。然后，由于網(wǎng)格點(diǎn)的大量的，必須進(jìn)行評估，搜索變得過于緩慢。這部分是由于在MATLAB實(shí)現(xiàn)。該軟件包不是很有效時(shí)，必須執(zhí)行大量的迭代。再次，結(jié)果表明：在運(yùn)動軌跡的尖角。當(dāng)需要高速運(yùn)動，這些運(yùn)動軌跡要平滑，以防止上機(jī)械臂鏈接的重載。
黃瓜采摘機(jī)器人
圖8.（a）-（f）：六快照的無碰撞運(yùn)動6自由度RV-E2的操縱掛在黃瓜背后黃瓜莖代表黑色垂直職位
7.結(jié)論
本文提出了一種方法，以達(dá)到適當(dāng)?shù)氖盅蹍f(xié)調(diào)的黃瓜收獲機(jī)器人在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所（IMAG BV）的開發(fā)。本文提出了一個(gè)方案，是能夠生成機(jī)器人無碰撞運(yùn)動。一些數(shù)值例子說明了該方法和分析。
本研究的主要結(jié)論是，無碰撞運(yùn)動可以計(jì)算六度自由度（DOF），RV-E2的機(jī)械臂在收獲機(jī)使用。據(jù)預(yù)計(jì)，這些結(jié)果可以擴(kuò)展到七自由度機(jī)械手，即RV-E2的操縱器線性滑軌安裝。被發(fā)現(xiàn)的A*搜索算法很容易實(shí)現(xiàn)和強(qiáng)大的。通過這種方式，它提供了很多有識之士為機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃的具體問題。此外，該算法的一個(gè)大優(yōu)勢是，它可以產(chǎn)生一個(gè)解決方案或停止時(shí)，無法找到一個(gè)解決方案。該財(cái)產(chǎn)的完整性，但是，使得算法望而卻步緩慢。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與本文中所描述的算法涉及的多自由度機(jī)械手運(yùn)動軌跡的計(jì)算是計(jì)算非常。至符合所需的周期時(shí)間的10秒為一個(gè)單一的收獲行動，需要進(jìn)一步研究，以減少議案所需的計(jì)算時(shí)間規(guī)劃。研究，可沿兩條線。首先，可以減少計(jì)算時(shí)間，通過使用特殊的計(jì)算機(jī)硬件，例如并行處理器。另外，同時(shí)，減少計(jì)算可以通過使用更快和有效地實(shí)現(xiàn)的算法。此外，結(jié)果表明，該算法不包括許多情報(bào)。雖然它試圖產(chǎn)生定向運(yùn)動的目標(biāo)，如果它只是配置遇到障礙樣品中的搜索空間網(wǎng)格解決方案，直到發(fā)現(xiàn)不使用有關(guān)的問題，特別是結(jié)構(gòu)的信息點(diǎn)。因此，進(jìn)一步研究需要獲得快速算法，有效地利用有關(guān)的問題，特別是結(jié)構(gòu)的信息，不卡，恕不另行通知。
致謝
這項(xiàng)工作是由荷蘭農(nóng)業(yè)，食品和漁業(yè)部的支持。匿名介紹人的建設(shè)性意見表示感謝。
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摘 要
農(nóng)業(yè)是一國之本，農(nóng)業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r直接影響著國家的經(jīng)濟(jì)命脈和長治久安。隨著社會科學(xué)的進(jìn)步和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活也逐漸被應(yīng)用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)所取代，各種新型自動化的大型農(nóng)業(yè)器械也逐漸進(jìn)入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活當(dāng)中，稱為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中必不可少的重要組成部分。機(jī)械手在作物采摘過程中的應(yīng)用，使得農(nóng)業(yè)的科技水平發(fā)展又登上了一個(gè)新臺階。機(jī)械手是一種通過舵機(jī)或其他動力機(jī)構(gòu)帶動仿真的機(jī)械手臂構(gòu)件，按照固定的流程來實(shí)現(xiàn)移動、抓取等動作的自動化操縱裝置，廣泛應(yīng)用于各類現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手，該機(jī)械手擁有四路自由度，使用高精度舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，可以實(shí)現(xiàn)較為精細(xì)復(fù)雜的作物采摘工作。與其他作物采摘系統(tǒng)相比，具有動作靈巧、工作穩(wěn)定、性能可靠、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)、機(jī)械手、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、舵機(jī)
Abstract
Agriculture is the foundation of a country, the development of agriculture has a direct impact on the country's economic lifeline and long-term stability. With the progress of social science and the improvement of people's living standard, modern agriculture production of traditional life has gradually been applied to modern science and technology and modern industrial production replaced by large agricultural equipment of all kinds of new automation has gradually entered into agricultural production and life, as an important part of modern agriculture in china. The application of the manipulator in the process of crop harvesting makes the development of agricultural science and technology to a new level. The manipulator is a simulation driven by servo mechanism of the mechanical arm or other power components, according to a fixed process to achieve automation, mobile grabbing action control device, widely used in various fields of modern industrial production. This project designs a cucumber picking manipulator based on AT89C51 single chip microcomputer. The manipulator has four degrees of freedom, which can be used to drive the crop with high precision. Compared with other crop harvesting systems, it has the advantages of flexible operation, stable operation, reliable performance and low cost.
Keywords: SCM, manipulator, modern agriculture, steering gear
1
目錄
摘 要 1
第一章 緒論 1
1.1 選題背景及意義 1
1.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概述 1
1.3 機(jī)械手介紹與發(fā)展歷史 2
1.4 本文的主要內(nèi)容 3
第二章 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)相關(guān)原理介紹 5
2.1 舵機(jī)原理與應(yīng)用 5
2.1.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu) 5
2.1.2 常見舵機(jī)種類 6
2.1.3 舵機(jī)驅(qū)動原理 6
2.2 脈寬調(diào)制原理與應(yīng)用 7
2.2.1 脈寬調(diào)制原理 7
2.2.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)發(fā)展歷史 7
2.3.3 常用脈寬調(diào)制技術(shù)種類 8
第三章 黃瓜采摘機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.1 黃瓜采摘機(jī)械手總體參數(shù)設(shè)計(jì) 10
3.2 黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 10
3.3 黃瓜采摘機(jī)械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì) 11
3.3.1 黃瓜采摘機(jī)械手大臂尺寸設(shè)計(jì) 11
3.3.2 黃瓜采摘機(jī)械手小臂尺寸設(shè)計(jì) 12
3.3.3 黃瓜采摘機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 13
3.4 黃瓜采摘機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程設(shè)計(jì) 13
第四章 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。 15
4.1 元件選型 15
4.1.1 單片機(jī)選型 15
4.1.2 舵機(jī)選型 16
4.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì) 17
4.3 硬件電路設(shè)計(jì) 17
4.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 18
4.3.2 四路舵機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 18
4.3.3 按鍵控制電路設(shè)計(jì) 19
4.3.4 直流電源電路設(shè)計(jì) 20
4.3.5 供電隔離電路設(shè)計(jì) 20
第五章 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22
5.1 軟件流程設(shè)計(jì) 22
5.1.1 系統(tǒng)流程設(shè)計(jì) 22
5.2 驅(qū)動程序設(shè)計(jì) 22
5.2.1 舵機(jī)驅(qū)動程序 22
第五章 總結(jié) 24
致謝 25
參考文獻(xiàn) 26
附錄1 控制系統(tǒng)原理圖 27
附錄2 程序源碼 28
1
第一章 緒論
1.1 選題背景及意義
果蔬種植和采摘是農(nóng)業(yè)勞動生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的果蔬采摘往往使用手工采摘或使用簡單器械進(jìn)行采摘，勞動較為繁重，同時(shí)大多數(shù)為無意義的重復(fù)性勞動。與插秧和收割等類似，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都使用反復(fù)的人工勞動來進(jìn)行，其生產(chǎn)工作效率往往較低。因此，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作生活中，往往使用各種半自動或全自動的大型自動化機(jī)械設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，如全自動插秧機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)等各種設(shè)備。使用自動化設(shè)備來代替人工的重復(fù)性勞動可以極大的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。將機(jī)械手應(yīng)用于果蔬生產(chǎn)工作，是將仿生學(xué)與自動化技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。由于果蔬在采摘時(shí)無法像傳統(tǒng)的水稻、小麥等按照切割的方式進(jìn)行收割，因此采用類似手工采摘的自動機(jī)械手進(jìn)行采摘是一個(gè)非常好的方法。根據(jù)黃瓜采摘的流程和工作設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手，該機(jī)械手具有四路自由度，使用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，動作靈活，工作穩(wěn)定，效果良好。
1.2 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概述
應(yīng)用現(xiàn)代的工業(yè)技術(shù)和科學(xué)設(shè)備和管理方法所設(shè)計(jì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的重點(diǎn)發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)生活是人類生活的極為重要的組成部分，農(nóng)業(yè)發(fā)展的狀況在很多情況下可以直接影響和決定當(dāng)前人類的社會科學(xué)發(fā)展?fàn)顩r。
早期原始人類采用狩獵采集的方式來獲取實(shí)物。隨著群落成員數(shù)量的增長，基于大自然的饋贈的不穩(wěn)定的食物來源使得群體成員經(jīng)常要面臨餓肚子的威脅。為了獲取穩(wěn)定和可靠的食物，同時(shí)由于偶然的播種和收獲的過程在不經(jīng)意間被發(fā)現(xiàn)，使得早期人類從傳統(tǒng)的狩獵采集的生活方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱瞬シN收獲的定居式的生活方式。與狩獵采集相比，定居生活使得人們在解決了食物供給的最大的一個(gè)問題的同時(shí)，還使得人們可以存儲一些其他的物資，同時(shí)多余的食物供給還可以用于養(yǎng)活更多的人口，同時(shí)還可以用于養(yǎng)活一些非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)性人才和管理性人才，從而誕生了貴族階層和手工藝者等不同的社會分工，使得人類社會結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的部落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒?、?fù)雜的酋長部落乃至早期國家的形式。這就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活影響人類社會進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，由于地理或文化和其他因素導(dǎo)致在史前時(shí)期沒有誕生出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)和群落，隨著歷史的發(fā)展都被埋沒到了歷史的塵埃中。
從此之后，歷史的發(fā)展已經(jīng)證明，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平直接影響著國家的興亡，盡管采用放牧和狩獵方式進(jìn)行生活的國家在某些時(shí)候可以征服采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的國家，但最終也會由于自身的落后性導(dǎo)致其被淘汰。隨著人類社會的進(jìn)一步發(fā)展，國家規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和人口的進(jìn)一步增多，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求又進(jìn)一步提高，尤其是在近代國家中，由于人口密度的增高和農(nóng)業(yè)人口所占比例的下降，傳統(tǒng)的手工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作在很大程度上無法滿足日益增長的糧食需求，因此各種專用于糧食生產(chǎn)和收割的大型自動化器械營運(yùn)而生。以其中應(yīng)用最為普遍且典型的聯(lián)合收割機(jī)為例，在18世紀(jì)開始，在英國就開始了關(guān)于自動化收割機(jī)的研究，有很多人獲得了相關(guān)的專利并設(shè)計(jì)出了一些模型機(jī)，但由于其大都缺少基本的實(shí)用價(jià)值，因此未能得到市場的認(rèn)可。1831年，美國出現(xiàn)了第一臺使用馬匹作為動力的自動收割機(jī)，其收割效率要高于三十個(gè)工人的手工作業(yè)，因此得到了廣泛關(guān)注。最后，甚至出現(xiàn)了由四十匹馬拉動的大型收割機(jī)。之后，美國又出現(xiàn)了由瓦特蒸汽機(jī)來驅(qū)動的直走式聯(lián)合收割機(jī)，隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的成熟和普及，采用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的谷物收割機(jī)逐漸成為了主流。在19世紀(jì)后期，采用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)在美國逐漸流行開來，并得到了市場的認(rèn)可，并開始向澳大利亞等地進(jìn)行推廣。二十世紀(jì)初，聯(lián)合收割機(jī)又向蘇聯(lián)和加拿大等其他城市推廣開來，并逐漸流行于各個(gè)發(fā)達(dá)國家和較為富裕的發(fā)展中國家，成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中必不可少的重要一部分。
我國盡管是農(nóng)業(yè)大國，但由于國情所限，因此我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展起步較晚，在早期通常從蘇聯(lián)或其他發(fā)達(dá)國家直接引進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行使用，或在其基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制，由于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，同時(shí)對聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)本身并沒有太過成熟和系統(tǒng)化的了解，因此早期仿制出的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品往往具有體積過于龐大和過于笨重的缺點(diǎn)，不利于在國內(nèi)使用和推廣。隨著社會經(jīng)濟(jì)水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國的糧食收割機(jī)產(chǎn)品在很大程度上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，其高端型號的性能往往還要優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。由于我國依舊是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)人口占全國人口的比例依舊非常高，因此聯(lián)合收割機(jī)在我國依舊具有廣泛的市場和推廣空間，在很多重要的糧食產(chǎn)地，如華北平原、三江平原等重要的水稻和小麥等糧食作物的大型產(chǎn)區(qū)，聯(lián)合收割機(jī)的使用已經(jīng)極為普遍。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程的進(jìn)一步加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的自動化水平將會進(jìn)一步提高，農(nóng)民的生產(chǎn)力也將會得到進(jìn)一步的解放。
1.3 機(jī)械手介紹與發(fā)展歷史
機(jī)械手技術(shù)是自動化技術(shù)的典型代表之一，也是機(jī)械自動化領(lǐng)域的高端應(yīng)用之一，屬于機(jī)器人的研究領(lǐng)域。根據(jù)不同的使用范圍，可以分為只有固定動作流程控制的專用機(jī)械手和可以使用編程或遙控方式進(jìn)行控制的通用機(jī)械手；按照運(yùn)動形式，可以分為XYZ三軸運(yùn)動方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運(yùn)動的圓柱坐標(biāo)機(jī)械手和球坐標(biāo)機(jī)械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動作更加靈活的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。關(guān)節(jié)式機(jī)械手是機(jī)械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進(jìn)行劃分，每一個(gè)自由度也就代表一個(gè)機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個(gè)自由度的多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。按照不同的驅(qū)動方式，可以分為使用油壓機(jī)作為動力的液壓機(jī)械手、利用空氣壓縮機(jī)提供動力的氣壓機(jī)械手、使用電動機(jī)作為動力的電力機(jī)械手，和采用各種機(jī)械式傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力動作的機(jī)械式機(jī)械手。本項(xiàng)目使用舵機(jī)作為系統(tǒng)的動力機(jī)構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動機(jī)械手。
在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)生活工作中，在各類自動化流水生產(chǎn)線中，機(jī)械手得到了極為廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)階段的機(jī)械手的靈活度還無法與真正的人手相比，但它具有人工無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可以輕松的實(shí)現(xiàn)多種重復(fù)性的勞動，不知疲倦，不怕危險(xiǎn)和腐蝕，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)重物抓舉的效果。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，自動化流水線建設(shè)的日益推廣，機(jī)械手的研制工作得到了絕大多數(shù)廠商的重視，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。
機(jī)械手最早由美國的科學(xué)家研究出來。在1958年的聯(lián)合控制中心，世界上第一臺機(jī)械手從此誕生。該機(jī)械手帶有一個(gè)可以進(jìn)行圓周運(yùn)動的機(jī)械長臂，在機(jī)械長臂的頂端裝有一個(gè)電磁鐵部件，可以用于鐵質(zhì)工件的抓取和放置動作。1962年，在電磁鐵機(jī)械臂的基礎(chǔ)上，又改進(jìn)出第一臺數(shù)控機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)動作。1978年，斯坦福大學(xué)研制出了一種定位誤差小于1mm的工業(yè)用機(jī)械手，使用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。從此，機(jī)械手正式進(jìn)入了實(shí)用性階段。
目前，市面上所廣泛應(yīng)用的大部分為第一代和第二代機(jī)械手系統(tǒng)。第一代機(jī)械手主要使用人工進(jìn)行控制，第二代機(jī)械手在人工控制的基礎(chǔ)上集成了多種傳感器和自動控制系統(tǒng)，使得機(jī)械手具有了一定的感覺和反饋控制效果。目前作為研發(fā)重點(diǎn)的第三代機(jī)械手能夠自主進(jìn)行各項(xiàng)復(fù)雜動作和功能，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中進(jìn)一步提高其工作效率。
我國的機(jī)械手起步較晚，在現(xiàn)代化工業(yè)工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作領(lǐng)域中，所使用的高精度機(jī)械手系統(tǒng)和設(shè)備大多使用國外進(jìn)口的高成本設(shè)備。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，自動化流水線等新式生產(chǎn)流程必將取代傳統(tǒng)的低效率人工生產(chǎn)線，因此自動機(jī)械手行業(yè)將會具有更加廣闊的市場，在市場的刺激下，國產(chǎn)的機(jī)械手產(chǎn)品和相關(guān)研究也會得到進(jìn)一步的發(fā)展，并逐漸縮短與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品的差距，進(jìn)一步提高自主產(chǎn)品的核心競爭力。
1.4 本文的主要內(nèi)容
本文在總結(jié)和分析前人研究的基礎(chǔ)上，通過對各類農(nóng)業(yè)自動化大型生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行分析和了解，并對果蔬采摘過程中的工作環(huán)節(jié)和注意事項(xiàng)進(jìn)行了研究探討，針對目前黃瓜種植行業(yè)中的采摘系統(tǒng)的缺陷和不足之處，設(shè)計(jì)出了一款基于AT89C51單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一個(gè)四自由度的機(jī)械臂作為動力組件，使用高精度的電子舵機(jī)為機(jī)械手臂部件提供驅(qū)動力，精度高，到位迅速，驅(qū)動強(qiáng)力。同時(shí)，系統(tǒng)使用一個(gè)自彈式按鍵進(jìn)行控制，操作極為簡單。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的電源部分使用π型隔離濾波電路將舵機(jī)供電與單片機(jī)系統(tǒng)供電相隔離，避免舵機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電源干擾造成單片機(jī)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。與傳統(tǒng)或其他結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案的果蔬采摘系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手具有動作靈活、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、運(yùn)行可靠、使用壽命長、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
各章節(jié)內(nèi)容安排如下：
第一章為緒論，本章主要介紹了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的定義和相關(guān)技術(shù)，和用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各類大型機(jī)械化設(shè)備，如聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展例程，以及自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中的重要地位，并介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的原理說明、應(yīng)用場合和市場前景，同時(shí)闡明了本課題的研究意義與主要內(nèi)容。
第二章介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的各功能結(jié)構(gòu)的相關(guān)原理，包括舵機(jī)（伺服電機(jī)）的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理，和用于舵機(jī)驅(qū)動技術(shù)的基于單片機(jī)電子系統(tǒng)的脈寬調(diào)頻控制技術(shù)的相關(guān)原理說明。
第三章介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。包括機(jī)械手的自由度（即關(guān)節(jié)數(shù)、伺服電機(jī)數(shù)量）選擇、機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D模型圖等。
第四章介紹了基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，包括基于AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與電路原理圖、四路舵機(jī)及其驅(qū)動電路原理圖、直流電源電路接口、保護(hù)電路和電源指示燈電路原理圖、電源隔離抗干擾電路設(shè)計(jì)方案與原理圖和按鍵接口電路原理圖等。
第五章介紹了基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方案，包括黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)、基于AT89C51單片機(jī)的四路PWM脈寬調(diào)制輸出驅(qū)動程序設(shè)計(jì)等。
第六章為總結(jié)章，總結(jié)了全文的工作，點(diǎn)明了本文創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)指出本文研究的不足以及尚未解決的問題，對后續(xù)研究提出建議。
第二章 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)相關(guān)原理介紹
2.1 舵機(jī)原理與應(yīng)用
舵機(jī)（伺服電機(jī)）是在各類自動化設(shè)計(jì)應(yīng)用中廣泛使用的一種動力驅(qū)動系統(tǒng)。在各種自動化控制系統(tǒng)中，都離不開伺服電機(jī)的應(yīng)用。伺服電機(jī)，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動機(jī)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個(gè)系統(tǒng)的輸出量，如位置、方向和其他狀態(tài)量都可以通過輸入量的變化（或定值）來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)其電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機(jī)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機(jī)的工作方式往往并不是普通電機(jī)那樣的持續(xù)進(jìn)行圓周運(yùn)動，而是可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)出不同的角度，并且可以精確的停下來。因此，如果項(xiàng)目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的想法來進(jìn)行動作，舵機(jī)是一種非常合適的選擇，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時(shí)，舵機(jī)控制方便，驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，而且種類繁多，便于各種不同類型和規(guī)模的項(xiàng)目應(yīng)用。
2.1.1 舵機(jī)結(jié)構(gòu)
圖2-1 舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解圖
舵機(jī)是一種采用伺服控制系統(tǒng)原理進(jìn)行工作的一種自動控制設(shè)備，是一種糅合了多項(xiàng)不同的技術(shù)和結(jié)構(gòu)的電子機(jī)械系統(tǒng)，主要由直流電動機(jī)、減速齒輪組、轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，是一種典型的自動控制系統(tǒng)。所謂自動控制系統(tǒng)，就是一種采用閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)，通過傳感器和運(yùn)算結(jié)構(gòu)獲取當(dāng)前系統(tǒng)與設(shè)置參數(shù)的偏差，并進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使其輸出能夠精確控制到系統(tǒng)的需要程度。在生活中極為常見的恒溫控制系統(tǒng)就是一種典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器或熱敏電阻來獲取當(dāng)前恒溫控制環(huán)境的溫度，將其作為系統(tǒng)的反饋量，來控制系統(tǒng)中的加熱器的工作，若當(dāng)前環(huán)境溫度低于系統(tǒng)溫度，則驅(qū)動加熱器工作開始加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，停止加熱，這樣就可以通過閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)恒溫控制。對于舵機(jī)控制系統(tǒng)而言，舵機(jī)運(yùn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩就相當(dāng)于恒溫控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度，位置檢測傳感器相當(dāng)于恒溫控制系統(tǒng)的溫度傳感器，直流電機(jī)相當(dāng)于加熱器。隨著電機(jī)的動作，其運(yùn)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩就會發(fā)生變化，位置檢測傳感器的電阻值就會發(fā)生變化，控制電路讀取到電阻值的變化情況后，就可以根據(jù)其電阻值的大小來確定當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩，若當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩不同，則驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的輸出角度達(dá)到所需的要求，這樣就實(shí)現(xiàn)了精確的輸出角度控制功能。
2.1.2 常見舵機(jī)種類
根據(jù)使用的場合和項(xiàng)目的實(shí)際需要，對舵機(jī)的體積和轉(zhuǎn)矩、扭力往往都有不同的要求。舵機(jī)的形狀結(jié)構(gòu)和大小多到讓人眼花繚亂，但常用的型號如下圖所示：
圖2-1 大扭力舵機(jī)/微型舵機(jī)/標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)
如圖所示，舵機(jī)基本都使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。圖中最右邊為標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機(jī)械結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合中使用的大扭力電機(jī)，可以提供較高的推動力。中間的是常用于航模等小體積小重量的微型舵機(jī)，體積較小，扭力相對較小，但可以滿足航模等對體積和重量要求較高的應(yīng)用場合。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)工作。
除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)主要由舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)決定。通常情況下，直流電機(jī)的驅(qū)動力往往和電機(jī)的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機(jī)，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機(jī)的轉(zhuǎn)動力量的大小。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，在5V供電下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力輸出為5.5kg/cm，相當(dāng)于每移動一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個(gè)角度變到另一個(gè)角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當(dāng)于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時(shí)，對于采用同樣電機(jī)的同規(guī)格舵機(jī)來講，若使用不同規(guī)格的變速齒輪組，則又會產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。通常情況下，在電機(jī)參數(shù)相同的情況下，變速齒輪組的輸出轉(zhuǎn)速越低，其扭力也就越大。在實(shí)際項(xiàng)目中，可以根據(jù)實(shí)際的需要來選擇合適規(guī)格和參數(shù)的舵機(jī)。
2.1.3 舵機(jī)驅(qū)動原理
伺服電機(jī)系統(tǒng)通常使用周期脈沖實(shí)現(xiàn)控制。在伺服系統(tǒng)工作時(shí)，每收到一個(gè)脈沖信號，根據(jù)脈沖信號的寬度，系統(tǒng)就可以知道所需的偏轉(zhuǎn)角度。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，其驅(qū)動信號的頻率為50HZ，即每秒需要向舵機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)送50個(gè)電平控制信號，也就相當(dāng)于每個(gè)信號的持續(xù)時(shí)間為20毫秒。在20毫秒中，以一個(gè)1毫秒到2毫秒的高電平信號作為角度控制信號，也就是1000微秒到2000微秒。在高電平信號持續(xù)1000微秒時(shí)，舵機(jī)左滿舵。在高電平信號持續(xù)2000微秒時(shí)，舵機(jī)右滿舵。高電平信號介于1000微秒到2000微秒之間時(shí)，根據(jù)時(shí)間的比例就是對應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。
2.2 脈寬調(diào)制原理與應(yīng)用
在電子系統(tǒng)中，由數(shù)字信號和模擬信號在各種電路中起到信號傳遞的作用。數(shù)字信號只具有高和低兩種狀態(tài)信息，而無法反應(yīng)程度等信號。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常要遇到需要使用數(shù)字信號來控制模擬器件的輸出情況（如燈光的亮度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速等），因此就需要以一些特殊的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換，或直接使用經(jīng)過一定方式處理的數(shù)字信號來實(shí)現(xiàn)對模擬器件的控制效果。脈寬調(diào)制就是在這種情況下誕生出來的一種使用數(shù)字電路系統(tǒng)直接對模擬電路和器件直接進(jìn)行控制的技術(shù)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換等其他控制方案相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好、反應(yīng)速度快、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，在各類場合，如通信控制系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。
2.2.1 脈寬調(diào)制原理
脈寬調(diào)制，即脈沖寬度調(diào)制，即通過微控制器內(nèi)部的恒定的數(shù)字信號驅(qū)動開關(guān)電路，對其通斷狀態(tài)進(jìn)行控制，使輸出產(chǎn)生一系列周期穩(wěn)定、大小相同的脈沖信號，用來替代所需的模擬信號。以使用脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)來替代正弦波信號為例，即使用一系列的脈沖電壓信號來替代所需的信號，通過微控制器的計(jì)算和控制來使其輸出信號的等效電壓和所需的正弦波信號的等效電壓相同，同時(shí)通過系統(tǒng)的控制來使其輸出的脈沖信號盡量平滑，并且其低次諧波較少，可以實(shí)現(xiàn)較為良好的控制效果。根據(jù)項(xiàng)目對驅(qū)動信號的實(shí)際需要，系統(tǒng)也可以通過對輸出信號的脈沖寬度進(jìn)行一定有規(guī)律的調(diào)整，進(jìn)而可以配合輸出信號的頻率來實(shí)現(xiàn)輸出等效電壓的控制，來實(shí)現(xiàn)對各種模擬電路的控制效果。
2.2.2 脈沖寬度調(diào)制技術(shù)發(fā)展歷史
脈寬調(diào)制技術(shù)由于具有電路結(jié)構(gòu)簡單、動作靈活、調(diào)節(jié)滯后極小和動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)成為了在數(shù)電-模電控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的控制方案。通常情況下，只需要使用MOS管驅(qū)動即可實(shí)現(xiàn)控制功能，核心控制時(shí)序和算法都使用超大規(guī)模集成電路來進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)和其他類型的控制方式相比，電路結(jié)構(gòu)簡單，基本無滯后，同時(shí)精度和成本控制都更為優(yōu)越。
脈寬調(diào)制技術(shù)的基本原理在很早的時(shí)候就被科學(xué)家提出，但受當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)和自動控制原理的發(fā)展水平的限制。在上世紀(jì)八十年代之前一直未能應(yīng)用于實(shí)用領(lǐng)域。八十年代后，隨著微電子技術(shù)和自動控制理論，以及電子元器件的生產(chǎn)工藝和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，脈寬調(diào)制技術(shù)才正式登上了歷史舞臺。之后，隨著電力電子控制技術(shù)、自動化控制技術(shù)和微電子工藝技術(shù)的經(jīng)一部進(jìn)步，和現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論等控制思想的應(yīng)用，脈寬調(diào)制控制技術(shù)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，誕生出了很多種不同原理的脈寬調(diào)制控制方案。隨著自動控制技術(shù)和相關(guān)理論的進(jìn)一步完善，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將會在更多的場合得到更加廣泛的應(yīng)用。
2.3.3 常用脈寬調(diào)制技術(shù)種類
（1）等脈寬PWM控制技術(shù)
等脈寬PWM控制技術(shù)是通過使用PAM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功能的，由于傳統(tǒng)的PAM技術(shù)只能輸出頻率可調(diào)的矩形波信號，但無法直接實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制效果，因此通過等脈寬PWM技術(shù)就可以在輸出頻率可調(diào)的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)效果良好的脈寬調(diào)制效果，是各類PWM信號產(chǎn)生技術(shù)中最為簡單也最為常用的一種。其電路結(jié)構(gòu)相對較為簡單，工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，但具有諧波分量較多、輸出精度低等缺點(diǎn)，使其難以在高精度控制的使用場合下得到使用。
（2）隨機(jī)PWM控制技術(shù)
隨機(jī)PWM信號產(chǎn)生技術(shù)是隨著半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的進(jìn)步而誕生的一種PWM信號產(chǎn)生技術(shù)。在早期的大功率控制場合中，用于驅(qū)動大功率負(fù)載所使用的器件通常是達(dá)林頓管，其開關(guān)頻率較低，在很多使用場合下無法滿足使用要求，同時(shí)由于載波頻率較低而引起的電機(jī)驅(qū)動電路中的電磁噪聲和諧波震蕩也會對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生一定影響，并逐漸引起了工程技術(shù)人員的注意。隨機(jī)PWM控制技術(shù)就是為了解決這一問題而誕生出的一種PWM信號產(chǎn)生技術(shù)，其原理是產(chǎn)生的PWM信號的頻率隨機(jī)變化而脈沖寬度保持不變，這樣就使得其在電機(jī)控制系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波噪聲近似于高斯白噪聲，即噪聲波形均勻分布于整個(gè)頻段范圍中，以固定開關(guān)頻率為特征的諧波噪聲被大大削弱，與其他方案相比，隨機(jī)PWM控制技術(shù)的效果在降低電路諧波噪聲方面有著極為優(yōu)越的效果，因此在高速大功率晶體管已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的今天，隨機(jī)PWM控制技術(shù)仍然是消除低頻載波信號的諧波噪聲的主要方法。
（3）SPWM控制技術(shù)
SPWM是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和需要所誕生的一種PWM控制技術(shù)。在需要使用PWM信號來模擬正弦波信號，來控制電力電子系統(tǒng)中的各種模擬器件時(shí)，傳統(tǒng)的等脈寬PWM信號無法滿足其脈寬快速調(diào)節(jié)的要求，因此需要一種新的技術(shù)，使其產(chǎn)生的脈寬信號在等效性上完全等同于所需的正弦波信號。SPWM信號控制技術(shù)就是這一領(lǐng)域的代表，其可以產(chǎn)生效果非常好的脈寬實(shí)時(shí)變化的PWM信號，其脈沖寬度信號面積基本與所需的正弦波信號的對應(yīng)面積基本相同，這樣就可以在電力電子中各種對正弦波信號起作用的設(shè)備得到正確的使能。
（4）低次諧波消去PWM控制技術(shù)
低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些首要的低次諧波為意圖的辦法。其原理是對輸出電壓波形按傅氏級數(shù)打開，表明為u（ωt)=ansinnωt，首要斷定基波重量a1的值，再令兩個(gè)不一樣的an=0，就能夠樹立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得a1、a2及a3，這么就能夠消去兩個(gè)頻率的諧波。該辦法盡管能夠極好地消除所指定的低次諧波，但是，剩下未消去的較低次諧波的幅值可能會相當(dāng)大，而且相同存在核算復(fù)雜的缺陷。該辦法相同只適用于同步調(diào)制方式中。
（5）矢量控制PWM控制技術(shù)
矢量控制PWM信號產(chǎn)生技術(shù)是隨著無刷電機(jī)的誕生而普及而產(chǎn)生的一種PWM控制技術(shù)。通過對異步無刷電機(jī)的三相坐標(biāo)系的電流坐標(biāo)化，將其等效成兩相驅(qū)動信號，再通過勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為磁場切換方向，來使其實(shí)現(xiàn)基本類似于直流電機(jī)驅(qū)動的無刷電機(jī)驅(qū)動效果，這樣就可以實(shí)現(xiàn)極為精確的三相無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能。隨著無刷電機(jī)的優(yōu)越性逐漸被人們所接受，以及無刷電機(jī)在各個(gè)場合中越來越廣泛的應(yīng)用，矢量控制PWM技術(shù)也被視為當(dāng)前最有價(jià)值和發(fā)展前景的PWM信號產(chǎn)生技術(shù)，并將會得到更進(jìn)一步的發(fā)展。
（6）非線性PWM控制技術(shù)
單周操控法又稱積分復(fù)位操控，是一種新式非線性操控技能，其基本思想是操控開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與操控參閱電壓持平或成必定份額。該技能同時(shí)具有調(diào)制和操控的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、對比器到達(dá)盯梢指令信號的意圖。單周操控器由操控器、對比器、積分器及時(shí)鐘構(gòu)成，其間操控器可以是RS觸發(fā)器，開關(guān)是任何物理開關(guān)，也但是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量方式的籠統(tǒng)信號。單周操控在操控電路中不需要差錯(cuò)歸納，它能在一個(gè)周期內(nèi)主動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)差錯(cuò)，使前一周期的差錯(cuò)不會帶到下一周期。盡管硬件電路較雜亂，但其克服了傳統(tǒng)的PWM操控辦法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反響快、開關(guān)頻率穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)等長處。此外，單周操控還能優(yōu)化體系呼應(yīng)、減小畸變和抑制電源攪擾。
此外，還有線電壓PWM控制技術(shù)、空間電壓矢量PWM控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩PWM控制技術(shù)和軟諧振開關(guān)技術(shù)等。在不同的應(yīng)用場合，通過選擇合適的控制技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)最好的控制效果的同時(shí)，也可以有效的降低系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。如應(yīng)用于感應(yīng)加熱和震蕩升壓中的PWM開關(guān)就往往選用低成本的軟諧振開關(guān)電路，在保證其工作效果的同時(shí)，也可以極大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
第三章 黃瓜采摘機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 黃瓜采摘機(jī)械手總體參數(shù)設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要用于果蔬采摘作業(yè)中，與工業(yè)生產(chǎn)的流水線應(yīng)用相比，應(yīng)用于果蔬采摘作業(yè)中的機(jī)械手對于體積、質(zhì)量、靈活度、精度和運(yùn)行速度等方面都有較高的要求，尤其為了應(yīng)對果蔬采摘時(shí)的復(fù)雜情況，因此對靈活度方面有較高的要求。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有四個(gè)關(guān)節(jié)的四自由度機(jī)械手臂，與普通的機(jī)械手臂相比，該黃瓜采摘機(jī)械手具有靈活度高、體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固等優(yōu)點(diǎn)。
按照機(jī)械手的工作特點(diǎn)和應(yīng)用場合，可以分為只有固定動作流程控制的專用機(jī)械手和可以使用編程或遙控方式進(jìn)行控制的通用機(jī)械手；按照運(yùn)動形式，可以分為XYZ三軸運(yùn)動方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運(yùn)動的圓柱坐標(biāo)機(jī)械手和球坐標(biāo)機(jī)械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動作更加靈活的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。關(guān)節(jié)式機(jī)械手是機(jī)械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進(jìn)行劃分，每一個(gè)自由度也就代表一個(gè)機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個(gè)自由度的多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。按照不同的驅(qū)動方式，可以分為使用油壓機(jī)作為動力的液壓機(jī)械手、利用空氣壓縮機(jī)提供動力的氣壓機(jī)械手、使用電動機(jī)作為動力的電力機(jī)械手，和采用各種機(jī)械式傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行動力動作的機(jī)械式機(jī)械手。本項(xiàng)目使用舵機(jī)作為系統(tǒng)的動力機(jī)構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動機(jī)械手。
根據(jù)果蔬采摘項(xiàng)目的實(shí)際需要，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的各項(xiàng)參數(shù)如下所示：
工作電壓： 5V
類型：多關(guān)節(jié)型
關(guān)節(jié)數(shù)：4
動作范圍：0-500mm
俯仰范圍：0-300mm
最小扭力：10kg
動力機(jī)構(gòu)：舵機(jī)驅(qū)動
滿舵范圍：0°-180°
動作速度：150°/s
3.2 黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的四自由度機(jī)械手帶有四個(gè)可控制活動關(guān)節(jié)，每個(gè)活動關(guān)節(jié)由一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行角度變化控制。機(jī)械臂的硬件部分主要由底座、大臂、小臂和爪四個(gè)部分構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、抓取和放置的各項(xiàng)動作。具體的結(jié)構(gòu)圖如下所示：
圖3-1 黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖
如圖所示。底座是機(jī)械手的基座，可以用于放置機(jī)械臂的控制器和電池、電源等附加設(shè)備，同時(shí)往往帶有配重或其他固定結(jié)構(gòu)，以使機(jī)械手工作和抓取重物時(shí)不會由于固定不牢導(dǎo)致出現(xiàn)晃動和翻倒等故障，導(dǎo)致機(jī)械手臂損壞或造成其他危險(xiǎn)情況。肩關(guān)節(jié)是機(jī)械手底座和機(jī)械手的大臂相連的關(guān)節(jié)，用于控制機(jī)械手總體的與水平面的平行的旋轉(zhuǎn)方向，即調(diào)節(jié)機(jī)械手系統(tǒng)的偏航角。臂關(guān)節(jié)是與肩關(guān)節(jié)直接相連的第二個(gè)活動關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的另一端與大臂直接相連，用于調(diào)整大臂的抬升角。肘關(guān)節(jié)是第三個(gè)活動關(guān)節(jié)，位于機(jī)械臂大臂和小臂的連接點(diǎn)，與臂關(guān)節(jié)相互配合可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的俯仰角度調(diào)節(jié)，可以明顯的提高機(jī)械臂系統(tǒng)的活動范圍和靈活程度。腕關(guān)節(jié)（指關(guān)節(jié)）是用來控制機(jī)械手的手部開合的最后一個(gè)活動關(guān)節(jié)，位于小臂和機(jī)械爪的連接位置，也是機(jī)械手手部的兩個(gè)活動部分的連接位置，在進(jìn)行抓取和放置時(shí)，就需要通過腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)動作效果。腕關(guān)節(jié)的扭力直接決定機(jī)械手抓取動作的牢固程度，而肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的舵機(jī)扭力決定機(jī)械手對重物的拾取能力。同時(shí)，大型舵機(jī)盡管可以提供較大的扭力，但往往其精度和驅(qū)動速度要差于小型舵機(jī)。因此，對精度和驅(qū)動力要求較高的適用場合，可以在不同的關(guān)節(jié)部位放置不同型號和參數(shù)的舵機(jī)，以滿足項(xiàng)目的實(shí)際要求。
3.3 黃瓜采摘機(jī)械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)
3.3.1 黃瓜采摘機(jī)械手大臂尺寸設(shè)計(jì)
大臂是位于機(jī)械手的第二活動關(guān)節(jié)和第三活動關(guān)節(jié)之間，用于調(diào)整機(jī)械手臂的抬升高度和伸展距離。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的大臂使用常用的水滴形結(jié)構(gòu)，與方形、圓柱形等設(shè)計(jì)方案相比，水滴形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的減少系統(tǒng)的重量，并且具有更好的外觀。根據(jù)項(xiàng)目的需要，黃瓜采摘機(jī)械手的大臂長230mm。各個(gè)部分的詳細(xì)尺寸如下圖所示：
圖3-2 黃瓜采摘機(jī)械手大臂機(jī)械尺寸圖
如圖所示，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的大臂的兩軸間距離230mm，整體采用前窄后寬的水滴形結(jié)構(gòu)。大臂的后端的軸直徑為10mm，在軸孔的四周直徑70mm范圍與軸間線相互垂直和同方向放置四個(gè)直徑為6mm的定位通孔，用于組裝大臂時(shí)的定位和加固組合工作。大臂前端的結(jié)構(gòu)與后端類似，由于本項(xiàng)目中各個(gè)關(guān)節(jié)部位所使用的舵機(jī)型號和參數(shù)均相同，因此大臂前端的軸孔直徑仍為10mm，同時(shí)由于前端的寬度要窄于后端，因此其定位孔的圓周直徑縮小為39mm。
3.3.2 黃瓜采摘機(jī)械手小臂尺寸設(shè)計(jì)
小臂是位于機(jī)械手的第三活動關(guān)節(jié)和第四活動關(guān)節(jié)之間的支撐結(jié)構(gòu)，后端與機(jī)械手的大臂相連，前端與機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)相連。小臂結(jié)構(gòu)用于提高機(jī)械手的活動范圍，使機(jī)械手具有更高的靈活度，可以更加適用于果蔬采摘的復(fù)雜環(huán)境中。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，小臂的長度設(shè)計(jì)為240mm，詳細(xì)尺寸圖如下所示：
圖3-3 黃瓜采摘機(jī)械手小臂機(jī)械尺寸圖
黃瓜采摘機(jī)械手小臂詳細(xì)機(jī)械尺寸如上圖所示。小臂的長度為240mm，其中有效動作長度為180mm。在小臂的前端和后端各設(shè)置四個(gè)呈正方形部署的孔徑為4mm的定位孔，用于小臂的固定工作。小臂只需要一個(gè)轉(zhuǎn)軸部分，即與大臂相連的后端，放置一個(gè)孔徑為10mm的軸孔用于與大臂相連，在軸孔的四周以56mm直徑按照正方形方向部署四個(gè)直徑為6mm的定位孔。
3.3.3 黃瓜采摘機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)也被稱為末端執(zhí)行器，其和機(jī)械手的功能直接相關(guān)，可以執(zhí)行抓取、吸附或使用各類不同的工具（如烙鐵、噴頭等）進(jìn)行操作的部件，通常部署于機(jī)械手的最前端。根據(jù)需要抓取的物體的形狀和質(zhì)地，以及需要實(shí)現(xiàn)的功能，通常要設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，如夾鉗式機(jī)械手、吸附式取料手、仿生式多指機(jī)械手，和噴頭、板具等特種和專用的結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的手部用于采摘黃瓜，因此需要實(shí)現(xiàn)抓取和剪切黃瓜等機(jī)械動作，并不需要較為復(fù)雜的多指動作。同時(shí)，由于黃瓜凹凸不平的表面，也不適用于吸附等操作方式。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)為能夠從不同角度和方向進(jìn)行摘取動作的鉗形結(jié)構(gòu)。手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖如下所示：
圖3-4 黃瓜采摘機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)簡圖
手指是直接與需要抓取的物體（本項(xiàng)目為黃瓜）相互接觸的部件。通過手指的松開和夾緊的工作，就可以實(shí)現(xiàn)物體的抓取和放置的動作。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手使用兩個(gè)手指結(jié)構(gòu)組成鉗形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)黃瓜采摘的功能。雙指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手通常具有回轉(zhuǎn)性和平移型兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際需要，本項(xiàng)目使用回轉(zhuǎn)性結(jié)構(gòu)來進(jìn)行動作。如圖所示，機(jī)械手的手指后端為方形，與動力機(jī)構(gòu)相連。手指前端用于采摘黃瓜，由于黃瓜通常為圓柱形，因此在手指前端使用半月形凹槽結(jié)構(gòu)。在實(shí)際使用時(shí)，為了避免在采摘過程中對黃瓜造成損傷，因此在半月形凹槽中需要墊付海綿等緩沖結(jié)構(gòu)。圖中只繪制了一個(gè)手指，手部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)手指組成，另一個(gè)手指與其呈鏡像對稱。
3.4 黃瓜采摘機(jī)械手運(yùn)動學(xué)方程設(shè)計(jì)
本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手具有四個(gè)自由度，共四個(gè)舵機(jī)分別控制大臂、小臂和機(jī)械爪的動作。其中，第一個(gè)和第二個(gè)活動關(guān)節(jié)控制大臂的兩個(gè)運(yùn)動方向，第三個(gè)自由度控制小臂的俯仰方向，第四個(gè)活動關(guān)節(jié)用于控制機(jī)械手手部的開合運(yùn)動。由于機(jī)械手具有四個(gè)自由度，因此若想要使末端機(jī)構(gòu)能夠正確的實(shí)現(xiàn)較為精確的坐標(biāo)運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)較為精確的末端控制效果，就需要對整個(gè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間坐標(biāo)解析和運(yùn)動學(xué)方程設(shè)計(jì)。運(yùn)動學(xué)方程設(shè)計(jì)是機(jī)械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，利用空間矢量矩陣解析等算法，即可表達(dá)出機(jī)械手在三維空間中運(yùn)動的姿態(tài)方程。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的空間坐標(biāo)系如下圖所示：
圖3-5 黃瓜采摘機(jī)械手空間坐標(biāo)系示意圖
根據(jù)坐標(biāo)系，建立相鄰桿件的位姿矩陣如下所示：
M01=cosθ1-sinθ1l1cosθ1sinθ1-cosθ1l1sinθ1001 (式1)
M12=cosθ2-sinθ2l2cosθ2sinθ2cosθ2l2sinθ2001 (式2)
M23=cosθ3-sinθ3l3cosθ3sinθ3cosθ3l1sinθ3001 (式3)
可以看出，每個(gè)相鄰坐標(biāo)系的空間矩陣都可以用坐標(biāo)變化的方式進(jìn)行描述。將以上三式相乘，就可以達(dá)到機(jī)械手的總變換矩陣，也就是機(jī)械手的正運(yùn)動學(xué)方程式。求得的運(yùn)動學(xué)方程如下式所示：
M03=cosθ123-cosθ123l1cosθ1+l2cosθ12+l3cosθ123sinθ123-sinθ123l1sinθ1+l2sinθ12+l3sinθ123001 (式4)
得出了機(jī)械手的運(yùn)動學(xué)方程后，就可以通過編寫相關(guān)的控制程序，來實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)械手坐標(biāo)控制。
第四章 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。
4.1 元件選型
4.1.1 單片機(jī)選型
由于本項(xiàng)目是一種以電機(jī)驅(qū)動電路為核心的，應(yīng)用于大型施工器械設(shè)備的單片機(jī)系統(tǒng)，因此其對單片機(jī)的穩(wěn)定性和電路可靠性都有一些說道。但同時(shí)也要考慮成本和開發(fā)難度等因素。因此，選擇合適的單片機(jī)就是十分重要的工作。
科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展也為單片機(jī)帶來了很大的市場，其中比較著名的國際廠商就有Atmel、TI、ST、MicroChip等等耳熟能詳?shù)钠放?。為了滿足項(xiàng)目的需求，就要針對這些單片機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行橫向比較。
51系列單片機(jī)是一種使用范圍非常廣泛的單片機(jī)，但其缺點(diǎn)也是極其明顯的，作為單片機(jī)中的“老爺機(jī)”，其外設(shè)資源極其有限，常用的AD、EEPROM等功能均需要外接外設(shè)進(jìn)行擴(kuò)展，增加了軟硬件負(fù)擔(dān)。同時(shí)，IO口驅(qū)動能力很差，這也是51系列單片機(jī)最大的軟肋，這一點(diǎn)直接限制了其在工業(yè)控制和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)由于其老舊的硬件架構(gòu)導(dǎo)致其運(yùn)行速度過慢，代碼效率極低。同時(shí)，51單片機(jī)的硬件保護(hù)能力非常差，穩(wěn)定性和可靠性都不高，很容易燒毀芯片。但是低廉的成本和豐富的開發(fā)資料，使得51單片機(jī)仍然是國內(nèi)占市場比例最高的低級單片機(jī)。
MSP430系列單片機(jī)是德州儀器自1996年推出的一系列主打低功耗市場的16位混合信號處理器。得益于RISC指令集的強(qiáng)大處理能力，保證了其可以設(shè)計(jì)出高效率的源代碼。同時(shí)，其豐富的喚醒和中斷機(jī)制和完善的時(shí)鐘和電源管理系統(tǒng)使其具有同類產(chǎn)品所無法比擬的超低功耗，甚至可達(dá)0.1uA。不過其缺點(diǎn)也不能忽視，首先就是開發(fā)資料較少，不適合初學(xué)者入門，同時(shí)其過于精密的功耗控制體系也成為了一大開發(fā)難度。此外，由于它是一款16位單片機(jī)，因此其代碼占用空間相對較高。因此，MSP430往往在對功耗有極為苛刻的要求的使用場景下得到很廣泛的應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備等。
PIC系列單片機(jī)是美國微芯半導(dǎo)體主打的微控制器產(chǎn)品。由于內(nèi)置CMOS互補(bǔ)推挽輸出的IO口具有很強(qiáng)的外設(shè)驅(qū)動能力，是很多工業(yè)控制類項(xiàng)目的首選。同時(shí)，極強(qiáng)的抗干擾性也是PIC系列單片機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，得益于其簡潔高效的硬件結(jié)構(gòu)，PIC單片機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性均非常出色。但同樣由于其硬件結(jié)構(gòu)過于簡化，導(dǎo)致其沒有乘法指令等很多常用指令，這為開發(fā)工作帶來了一定的難度。
圖4-1 AT89C51單片機(jī)外觀圖
綜合需求考慮，本項(xiàng)目選ATC89C51單片機(jī)作為項(xiàng)目主控。
4.1.2 舵機(jī)選型
舵機(jī)是本項(xiàng)目的重要?jiǎng)恿Σ糠郑鏅C(jī)的工作穩(wěn)定性、輸出扭力和轉(zhuǎn)速都直接決定著機(jī)械手的工作效果。因此，選擇合適的舵機(jī)就是一項(xiàng)重要的工作。
目前常用的舵機(jī)基本都使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。圖中最右邊為標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機(jī)械結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合中使用的大扭力電機(jī)，可以提供較高的推動力。中間的是常用于航模等小體積小重量的微型舵機(jī)，體積較小，扭力相對較小，但可以滿足航模等對體積和重量要求較高的應(yīng)用場合。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)工作。
除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)主要由舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)決定。通常情況下，直流電機(jī)的驅(qū)動力往往和電機(jī)的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機(jī)，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機(jī)的轉(zhuǎn)動力量的大小。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，在5V供電下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力輸出為5.5kg/cm，相當(dāng)于每移動一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個(gè)角度變到另一個(gè)角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當(dāng)于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時(shí)，對于采用同樣電機(jī)的同規(guī)格舵機(jī)來講，若使用不同規(guī)格的變速齒輪組，則又會產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。通常情況下，在電機(jī)參數(shù)相同的情況下，變速齒輪組的輸出轉(zhuǎn)速越低，其扭力也就越大。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際需要，選用MG996R舵機(jī)作為機(jī)械手的動力輸出和姿態(tài)控制模塊。該舵機(jī)是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)，內(nèi)置金屬減速齒輪組，還帶有防死區(qū)和防堵轉(zhuǎn)等功能，扭力大，運(yùn)行穩(wěn)定。
圖4-2 MG996R標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)外觀圖
MG996R是一種常用的40.8*20*38mm，重量55克的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)。在5V供電下，其轉(zhuǎn)速為300°每秒，扭力可達(dá)14kg/cm，功耗1W，適用于各種單片機(jī)控制的自動化系統(tǒng)，角度誤差小，控制靈敏度高。
4.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)
圖4-3 黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖
如圖所示，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)相對較為簡單，只有一個(gè)按鍵作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，四路舵機(jī)作為系統(tǒng)的輸出控制設(shè)備。按鍵電路通過高低電平信號為系統(tǒng)主控提供控制信號。在檢測到來自按鍵的控制信號后，主控通過驅(qū)動四路PWM信號來驅(qū)動機(jī)械臂四個(gè)位置的控制舵機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能穩(wěn)定可靠，操作簡單，具有較高的實(shí)際意義。
4.3 硬件電路設(shè)計(jì)
4.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和下載接口四個(gè)部分組成。本項(xiàng)目所選用的AT89C51的供電電壓為5V，因此直接將來自電源的5V電壓接入到單片機(jī)的電源引腳即可（原理圖中電源引腳和地引腳省略）。復(fù)位電路是保持單片機(jī)正常工作的一個(gè)重要部分。本項(xiàng)目所使用的AT89C51單片機(jī)為高電平復(fù)位，低電平正常工作，因此在單片機(jī)正常工作時(shí)，復(fù)位引腳需要接一個(gè)10k歐姆的下拉電阻接地，以保證單片機(jī)正常工作，避免干擾影響。同時(shí)，為保證系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)能夠正常工作，因此增加了一個(gè)接到電源的電容提供上電復(fù)位功能。其原理是，在電源剛剛導(dǎo)通時(shí)，電容充電，為復(fù)位引腳提供一個(gè)可以保持一小段時(shí)間的高電平，使系統(tǒng)復(fù)位。然后，電容緩慢放電，復(fù)位引腳恢復(fù)到低電平，系統(tǒng)開始正常工作。同時(shí)，為提供手動復(fù)位功能，在復(fù)位引腳上添加了一個(gè)微動按鍵，按下按鍵時(shí)，將高電平接入到復(fù)位引腳時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，松開按鍵后復(fù)位引腳由下拉電阻拉低回低電平，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。
時(shí)鐘電路也是單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要組成部分。為提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度并保證精度，本項(xiàng)目使用了12M晶振作為系統(tǒng)的外部晶體振蕩器。
綜上所述，單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如下所示：
圖4-4 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖
4.3.2 四路舵機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)
舵機(jī)（伺服電機(jī)）是在各類自動化設(shè)計(jì)應(yīng)用中廣泛使用的一種動力驅(qū)動系統(tǒng)。在各種自動化控制系統(tǒng)中，都離不開伺服電機(jī)的應(yīng)用。伺服電機(jī)，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動機(jī)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個(gè)系統(tǒng)的輸出量，如位置、方向和其他狀態(tài)量都可以通過輸入量的變化（或定值）來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)其電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機(jī)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機(jī)的工作方式往往并不是普通電機(jī)那樣的持續(xù)進(jìn)行圓周運(yùn)動，而是可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)出不同的角度，并且可以精確的停下來。因此，如果項(xiàng)目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的想法來進(jìn)行動作，舵機(jī)是一種非常合適的選擇，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時(shí)，舵機(jī)控制方便，驅(qū)動結(jié)構(gòu)簡單，而且種類繁多，便于各種不同類型和規(guī)模的項(xiàng)目應(yīng)用。本項(xiàng)目一共使用四路舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械手的控制工作。相關(guān)的電路原理圖設(shè)計(jì)如下圖所示：
圖4-5 四路舵機(jī)驅(qū)動原理圖
如圖所示，本項(xiàng)目所使用的舵機(jī)使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。在舵機(jī)驅(qū)動電路中，將電源線接到系統(tǒng)為舵機(jī)提供的5V電源上，將地線接地，并將每個(gè)舵機(jī)的控制線接到單片機(jī)的對應(yīng)的輸出控制引腳上。本項(xiàng)目所使用的大扭力高精度舵機(jī)MG996R內(nèi)置有采用MOS隔離的大功率驅(qū)動電路，因此其控制電路的隔離效果較好，在單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，額外部署隔離驅(qū)動電路反而會對舵機(jī)控制造成一定的滯后影響。因此，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，可以將單片機(jī)的I/O口直接接入到舵機(jī)的控制引腳上。但由于大扭力舵機(jī)在工作時(shí)，所需的電流較大，同時(shí)由于舵機(jī)內(nèi)部的直流電動機(jī)是一種大型的感性負(fù)載，其在接通和關(guān)斷的時(shí)候會產(chǎn)生較強(qiáng)的電流沖擊，因此為了避免對單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾和影響，因此需要對舵機(jī)的電源電路做一定的隔離濾波的設(shè)計(jì)，在下文中會重點(diǎn)介紹。
4.3.3 按鍵控制電路設(shè)計(jì)
開關(guān)和按鍵是在電子技術(shù)剛剛誕生時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)并且在時(shí)至今日仍然被廣泛使用的一種基本輸入設(shè)備。盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在手機(jī)和類似的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，由觸摸屏和其他體感輸入技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展而誕生的虛擬按鍵等技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的按鍵和鍵盤，但電源鍵仍然是必不可少的。同時(shí)，在其他的很多適用場合，如工業(yè)控制領(lǐng)域和電腦的輸入中，按鍵和鍵盤作為一種穩(wěn)定可靠且受環(huán)境因數(shù)影響較小的輸入設(shè)備仍然是不可替代的。在本項(xiàng)目中，由于需要對系統(tǒng)的時(shí)間、工作狀態(tài)和打鈴時(shí)間進(jìn)行設(shè)置工作，因此輸入設(shè)備也是必不可少的。對于單片機(jī)系統(tǒng)來說，在各種各樣的輸入方案中，使用自彈按鍵無疑是最為合適的一種。按鍵布局往往有獨(dú)立按鍵和矩陣鍵盤兩種，其中，獨(dú)立按鍵適用于按鍵數(shù)量較少或?qū)崟r(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高的場合，而矩陣鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多但單片機(jī)或其他主控芯片的引腳資源不夠豐富的使用場合。在本系統(tǒng)中，只需要三個(gè)輸入按鍵即可實(shí)現(xiàn)所需的功能，無需額外的鍵盤和其他輸入設(shè)備和功能，因此本項(xiàng)目使用多路獨(dú)立的自彈按鍵作為本系統(tǒng)的輸入設(shè)備。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的按鍵電路的原理圖如下所示：
圖4-6 按鍵控制電路原理圖
如圖所示，本項(xiàng)目只需要一路控制按鍵，將按鍵接到單片機(jī)的對應(yīng)引腳上，并將按鍵的另一個(gè)引腳接地，即可實(shí)現(xiàn)按鍵控制功能。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免誤操作，在按鍵控制引腳各自加一個(gè)容值為10nf的濾波電容接地，以免由于按鍵抖動造成系統(tǒng)誤動作，以免影響系統(tǒng)正常功能。
4.3.4 直流電源電路設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用5V供電，因此直接在原理圖中添加5V外部電源接口。為了便于顯示當(dāng)前電源狀態(tài)，因此添加一個(gè)LED指示燈電路作為電源指示燈。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免由于短路或電源反接等問題造成系統(tǒng)損毀，因此在電源電路中添加了由開關(guān)二極管和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)成的防過流反接保護(hù)電路。如下圖所示，在電源正常時(shí)，二極管截止，不會對電源產(chǎn)生影響。當(dāng)電源反接時(shí)，二極管導(dǎo)通，使位于二極管前端的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲過流燒毀，避免影響后續(xù)其他電路。電源電路總體原理圖如下圖所示：
圖4-7 電源電路原理圖
4.3.5 供電隔離電路設(shè)計(jì)
電源電路是電路系統(tǒng)極為重要的部分，電源電路的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)電源電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣也直接影響系統(tǒng)的工作壽命。劣質(zhì)的電源不但會影響系統(tǒng)給正常工作的穩(wěn)定性，同時(shí)其壽命也要小于優(yōu)質(zhì)的電源方案，甚至有可能會發(fā)生起火、爆炸等危險(xiǎn)事故。對于帶有電機(jī)控制等功能的工業(yè)控制系統(tǒng)，其電源的設(shè)計(jì)要求更高，尤其是在電機(jī)驅(qū)動部分和單片機(jī)控制部分之間，要設(shè)計(jì)效果良好的隔離電路，避免由于電機(jī)、繼電器等感性負(fù)載在導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)候產(chǎn)生的電流沖擊對單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，或直接燒毀單片機(jī)系統(tǒng)。電源隔離電路在大功率負(fù)載和模擬采樣、通信控制系統(tǒng)等多種場合中有廣泛的應(yīng)用。電源隔離電路的主要功能器件為電容器和電感器兩種儲能設(shè)備。其中，電容器是一種電壓儲能器件，在工作的過程中，電容器中存儲的電荷量可以在一定的范圍內(nèi)減少電路中的電壓波動。電感是一種使用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的儲能器件。流過電感線圈的電流會在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)磁場，在電感流過的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中的感應(yīng)磁場會給線圈中的電流產(chǎn)生一個(gè)阻礙電流變化的反向感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)減少電流波動的效果。由于電路系統(tǒng)均為電壓器件，采用過多的電感器