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設(shè)計內(nèi)容：
1.黃瓜采摘機械手機械機構(gòu)設(shè)計；
2.黃瓜采摘機械手電控裝置設(shè)計。
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）
4．參考文獻不少于10篇（其中外文文獻不少于2篇）
能力要求：
1.具備計算機應用能力，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，機械機構(gòu)設(shè)計能力，機械設(shè)計計算能力。
2.提供相關(guān)零件實物圖片或?qū)嵨?，相關(guān)參考書、工具書、機械設(shè)計手冊等書目，及相關(guān)軟件的技術(shù)指導、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)境工程學院，對于黃瓜自動收獲機，其中最大的一個挑戰(zhàn)方面就是在采摘的過程中實現(xiàn)一種快速精確的手眼協(xié)調(diào)的操作。這個程序包含兩個主要的組成部分。首先，采集信息機器人的工作環(huán)境，其次，一個程序可以讓機器人末端執(zhí)行器對黃瓜產(chǎn)生無碰撞機械運動。這篇文章主要闡述了后者，無碰撞機械運動所產(chǎn)生的所謂的路徑搜索算法。在這項研究中這個A-search算法被應用著，用一些數(shù)值的例子對黃瓜收割應用的搜索過程分析說明。得出的結(jié)論是，無碰撞運動可以用于采摘黃瓜的機械手的自由度的計算。這個A-search算法非常易于實施和魯棒。當找不到解決方案時這個算法要不產(chǎn)生一個解決方案要不就停止工作。這個有利的財產(chǎn)然而卻使算法過分的緩慢，結(jié)果表明這個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為一個單一收獲循環(huán)的要求，還需要做進一步的研究，去尋找發(fā)現(xiàn)快速的算法，使用盡可能多的關(guān)于這個問題特定結(jié)構(gòu)的信息來產(chǎn)生解決方案，如果這個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)境工程學院開始研究自主的黃瓜采摘機器人的發(fā)展，這個項目是由荷蘭農(nóng)業(yè)部，食品和漁業(yè)部門支持的。為農(nóng)業(yè)應用設(shè)計機器人的任務所提出的議題不涉及其他行業(yè)(Gielinget al., 1996 ; Van Kollenburg-）。機器人必須處在一個高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中，在這里沒有兩個場景是一模一樣的。農(nóng)作物和水果都易于被機械損傷應給小心處理。機器必須能夠在不利的條件下運轉(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，就機器人采摘運動的速度和成功率而言，機器人需要滿足高的性能特點。在這個項目中這些具有挑戰(zhàn)性的問題已經(jīng)被一個機械工程，傳感技術(shù)（計算機視覺等），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 )。
自動收割機的開發(fā)研制中最具有挑戰(zhàn)性的問題之一就是達到快速精確的手眼協(xié)調(diào)的，即達到機器人在采摘運動中感官信息的采集和機器人運動控制之間的有效相互作用，就像人們做的那樣。在園藝實踐中，一個訓練有素的工人只需要3-6S采摘和存儲一個水果，那種表現(xiàn)是很難被打敗的。幸運的是，就機器人的采摘速度而言沒有必要達到那么高的性能特點。一項任務分析顯示，考慮經(jīng)濟可行性，一個單一采摘運動可能只需要10S (Bontsemaet al., 1999 )。仍然，機器人運動應盡可能快的同時防止機器手的碰撞，手和收獲水果作物，溫室結(jié)構(gòu)還有機器人自身的碰撞（如汽車視覺系統(tǒng)）。在荷蘭，黃瓜生產(chǎn)設(shè)施，機器人運行在一個非常緊張的工作環(huán)境中。最后，為了保證收獲果實的質(zhì)量，在運動路徑的各個部分對機械手的速度和加速度加以約束。
為了達到理想的手眼協(xié)調(diào)，一個人需要環(huán)境的感官信息的采集和算法去為機械手計算這種無碰撞運動。正像Meuleman et al. (2000) 報道的那樣。在這個項目中感覺系統(tǒng)是基于計算機視覺的。本文著重論述了收獲機的機械手的無碰撞運動軌跡的快速生成。盡管有相當大的研究工作花在自動收集蔬菜水果方面，但是這個問題在農(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)對采摘機器人進行了闡述，在第三節(jié)，講述的是一個單一收獲操作的任務序列，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行，在第五節(jié)對該算法在第二級自由度的機械手上進行了解釋說明，第六節(jié)包含一個應用于收獲機器人身上的six-DOF RV-E2三菱機械手的運動規(guī)劃實驗結(jié)果。第七節(jié)包含結(jié)束語和對未來研究的建議。
2．采摘機器人
圖1.黃瓜收獲機器人的功能模型;（a）車輛;（b）廣角相機;（c）七度的自由度機械手;（d）最終效應;（e）激光測距儀和攝像機的位置當?shù)爻上?（f）計算機和電子產(chǎn)品;（g）與220伏電源線卷軸;（h）氣動泵;（i）供熱管
圖一中，一個采摘機器人的功能模型被展示出來。它包含一個用于溫室走道里的收獲機進行粗定位的自主車輛。這車采用加熱管作為一個鐵路進行指導和支持。它作為一個移動平臺裝載電源、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)和一個用于機械末端運行器定位的七個自由度的機械手。這個機械手由安裝著六個自由度的Mitsubishi RV-E2機械手的滑動線路構(gòu)成。這個RV-E2機械手包括一個人形的機械手臂和球形的手腕。這個機械手有個能夠抓去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。這個機械手裝有一個末端執(zhí)行器。它包括兩部分：一個爪抓住水果，另一個爪切割水果從植物上分離出來。這個末端執(zhí)行器帶有一個末端激光測距系統(tǒng)或一個小相機。他們是用來在黃瓜附近能夠更好地進行運動控制而獲取感官信息的，如果需要的話。
3.單一收割運動的任務序列
圖2. 一個單一的收獲作業(yè)任務序列：3D，三維，TCP，工具中心點
圖二展示的是一個單一的收獲運動的一個任務序列。在采摘操作中接近黃瓜被公認為是一個兩階段的過程。首先，用安裝在車輛上的攝像系統(tǒng)，黃瓜果實被檢測到他的成熟認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就用于定位機器人末端執(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移動到存儲箱。
避障運動規(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，應考慮在機械臂返回到存儲議案的大小。黃瓜的平均長度為300mm。
4.一個無碰撞運動規(guī)劃算法
圖3.無碰撞的自動生成程序議案
圖3顯示了一個程序，自動生成赫爾曼（1986年）的工作基礎(chǔ)上的黃瓜采摘機器人無碰撞運動的組成部分。無碰撞運動規(guī)劃依賴于三維（3D）機器人的物理結(jié)構(gòu)以及在機器人操作的工作區(qū)的信息。因此，在無碰撞機器人運動規(guī)劃的第一步是三維世界描述的收購。這個描述是基于感官信息，如機器視覺以及先驗知識，例如，采摘機器人運動學的三維結(jié)構(gòu)，如三維模型，在數(shù)據(jù)庫中。有了這個信息，在任務定義階段，機器人的整體任務的計劃。決定最后的位置和方向的效應最終結(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。在階段目標的位置和方向的最終任務定義中定義的效應，逆運動學，將目標配置的manipulator.The目標配置跨lated表示作為一個線性滑軌的翻譯和6的組合七自由度機械手關(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，加速度和運動平滑。軌跡規(guī)劃涉及這些因素。 thetrajectory策劃生產(chǎn)的機器人伺服系統(tǒng)的運動命令。在執(zhí)行階段執(zhí)行這些命令。運動規(guī)劃系統(tǒng)的一些部件將在更詳細地描述以下。
4.1世界的描述（采集）
Meulemanet在一份文件中描述的基于機器視覺的世界描述收購的黃瓜采摘機器人（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的操縱一個三維模型
如上所述，先驗知識，例如，機器人的物理結(jié)構(gòu)所需的無碰撞運動規(guī)劃。作為一個例子，圖4顯示了一個六自由度三菱RV-E2在MATLAB中實現(xiàn)機械臂的三維模型。機器人的三維結(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，作為操縱機器人運動規(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逆運動學
逆機械臂運動學關(guān)節(jié)角度的計算和翻譯，處理結(jié)果在所需的位置和方向,工具中心點（TCP）機器人（克雷格，1989年）。 TCP是一個預定義的endeffector點。對于六自由度三菱RV-E2的操縱范戴克（1999年）獲得了逆機械臂運動學的解析解。七自由度機械手，即三菱RV-E2的機械臂安裝在一個線性滑軌，一個簡單的逆運動學解析解不存在由于在運動鏈的固有冗余。最近獲得這種冗余機械臂的逆運動學分析數(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)黃瓜附近的精細運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。
一個無碰撞路徑規(guī)劃主要包括兩個重要組成部分：搜索算法和碰撞檢測算法。搜索算法的搜索空間探索一個可行的，即collisionfree，從起點到目標點的議案。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。該算法檢查機器人的碰撞與機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器人，其中關(guān)鍵的是從不同的3D工作區(qū)機器人。在黃瓜收獲機的7自由度機械手的情況下，配置空間是由一個聯(lián)合翻譯和6個聯(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為無碰撞運動目標的位置和方向在三維工作空間癤的單點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配置掩膜的空間。在這樣的運動鏈中的冗余問題很容易規(guī)避。有一到一個映射的配置空間中的點的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點。然而，對于大多數(shù)的機器人，相反不成立。一個單一的位置和方向，在工作區(qū)中的工具中心點，然后可以復制機器人的多種配置。由于其獨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。因為每個配置代表一個單一的姿勢在三維工作空間的機械臂，可以很容易地驗證碰撞。然后，特別是機器人的運動結(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
路徑搜索算法應該是有效率的，如果存在的話，找到一個解決方案。后者的財產(chǎn)被稱為完整性（珍珠，1984年）。通常情況下，算法的完整性，保證不計算效率。然而，計算效率是至關(guān)重要的，當上線的應用程序需要。運動規(guī)劃的各個方面取得的洞察力，在這項研究中，上述計算效率的青睞，該算法的完整性。這樣的選擇的主要原因是一個完整的算法將找到解決辦法，或停止使用一個明確定義的停止準則，如果不能找到一個解決方案。這是不是真實的，不保證完整性的算法。他們要么提供一個解決方案或卡住，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）。它很容易實現(xiàn)和保證完整性。此外，它最大限度地降低成本標準，其中包括一個在搜索空間旅行距離的措施。該算法是在MATLABB實施
圖5.在離散化的二維配置空間的正交節(jié)點擴展：S，起始節(jié)點; G，目標節(jié)點
使用配置空間機器人運動規(guī)劃的A *算法，離散化使用一個固定的電網(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的目標格點的路徑，同時最大限度地降低成本函數(shù)f：此成本函數(shù)f包括路徑的成本遠遠?;和樂觀的估計成本從目前的位置目標?：在這項研究中，歐拉規(guī)范被用來作為樂觀的估計到目標節(jié)點的成本。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 *算法使用兩個網(wǎng)格節(jié)點，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)點的函數(shù)值的節(jié)點。這是假設(shè)的起點和目標，可以選擇配置，配合網(wǎng)格節(jié)點或網(wǎng)格節(jié)點，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。
(1)放在開放的起始節(jié)點S。
(2)如果打開是空的，則失敗退出，否則從關(guān)節(jié)點n FO其中f是最低的開放和地點。
(3)如果n等于目標節(jié)點G;成功退出追溯從n指針為S得到的解決方案：
(4)否則擴大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n的繼任者n’：
(a) 如果是尚未打開或關(guān)閉，估計H（n’）（樂觀的估計成本的最佳途徑，從n’到目標節(jié)點G），并計算F（n’）= G（n’）+ H（n’）其中g(shù)（n’）= G×（N）+ C（N，n’）C（N，n’）從節(jié)點n的過渡成本，節(jié)點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)擴張在第4步，可以采取多種形式。在本研究中所謂的正交擴充。這種方法是在圖5所示。
圖5還說明起始節(jié)點和目標節(jié)點沒有以配合實際的起點和目標機器人的配置。在這種情況下，最近的鄰居節(jié)點被選中。
在這個算法，停止準則是非常明確的規(guī)定。如果在第3步，從開放列表中刪除的節(jié)點等于目標節(jié)點，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)點進行評估，并開放列表已成為空。在這種情況下，沒有找到一個解決方案。
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離散化配置空間的路徑搜索前確定。這將是在一個高維離散化的空間配置，具有很高的情況下計算昂貴決議電網(wǎng)。這將是更有效地評估在搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點的可行性。也就是說，在節(jié)點擴展一步，第4步，碰撞檢測算法檢查是否與該節(jié)點相關(guān)的機器人配置與環(huán)境或不產(chǎn)生碰撞。由于A *算法通常計算只有一小部分配置空間，這將產(chǎn)生相當大的改善效率。碰撞可以在步驟4a中提到的成本函數(shù)加入一個大型的罰款處罰。另外，在碰撞中產(chǎn)生的一個網(wǎng)格點可以直接從省略開放期間電網(wǎng)的擴張階段的名單。在這項研究中，后者的做法被使用。
圖6.一個面向包圍盒模型的六個自由度的RV-E2的操縱
4.3.2.碰撞檢測算法
碰撞檢測算法在MATLAB中實現(xiàn)根據(jù)報道由Boyse（1979年）的想法。該算法計算的交點在工作區(qū)中的其他結(jié)構(gòu)部件表面的機器人模型的表面。計算兩個曲面相交的本質(zhì)歸結(jié)為決定從幾何中使用的標準工具，可以實現(xiàn)與其他表面的一個表面的邊緣相交。所有的一切，碰撞檢測是一項計算密集型的任務。因此，在實時應用，如黃瓜機器人碰撞檢測，需要碰撞檢測的精度和可用計算時間之間的權(quán)衡。精確的CAD模型圖。 4包含600個三角形和矩形表面。一因素15減少計算時間，實現(xiàn)了從所謂的面向邊界建立了一個不太準確的模型代替精確的操縱模型盒（更新行動）。這種三維機械手的只有36個移動的表面組成OBB的模型如圖6所示。顯然，一些與OBB的模型精度已提供計算速度的緣故。對于目前的調(diào)查，它被認為是合理的。
5．例1：碰撞兩個度的自由操縱運動規(guī)劃
要說明的方法，結(jié)果與兩兩自由度轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)的機械臂的無碰撞運動規(guī)劃。圖7（a）顯示了一個人為的溫室環(huán)境，其中方塊代表黃瓜莖的目標是移動的路徑（直打下了）操縱的工具中心點背后掛在黃瓜黃瓜冠捷干，沒有擊中任何黃瓜莖。這被認為是黃瓜采摘過程中最困難的議案之一。
5.1.結(jié)果
為了說明操作的運動規(guī)劃算法，圖。 7（b）顯示相關(guān)的兩維的配置空間。一個離散化步驟五度使用。堅實的黑色方塊，稱為配置的障礙，代表機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）。路徑搜索的目標是要找到一個起始節(jié)點S和目的節(jié)點G之間的連接：觀察，首先，配置空間的地圖，揭示了真正復雜運動規(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)點到目標節(jié)點碰撞的結(jié)果，并因此是不可行的。圖7（c）所示的網(wǎng)格節(jié)點，記為*，A *算法的評估過程中向前搜索從起始節(jié)點到目標節(jié)點。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)中的無碰撞運動的空間配置結(jié)果無碰撞的議案;機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A *算法當一個落后的搜索目標節(jié)點的起始節(jié)點進行評估。
5.2.討論
結(jié)果表明，在配置空間沸騰的路徑搜索，找到一個點的運動軌跡，從一開始就配置目標配置。
圖7（c）和（F）清楚地表明，碰撞檢查接續(xù)OFA先驗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)格點的優(yōu)勢。此外，研究結(jié)果表明，如果一個障礙之間開始配置和位于目標配置，大量的網(wǎng)格節(jié)點找到了解決辦法之前，必須進行評估。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目標節(jié)點，一個落后的搜索可能會產(chǎn)生較少的解決方案由圖所示的計算時間。 7（F）。在這個例子中向后搜索向前搜索時取得117而不是146次迭代后的解決方案;減少20％。如果目標節(jié)點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。這兩個圖。 7條（d）及（e）表明，以實現(xiàn)最優(yōu)路徑成本函數(shù)的意義，算法往往偷工減料，致使小機器人和障礙物之間的距離。要牢記這一特點，在實際運動規(guī)劃實驗時，傳感器為基礎(chǔ)的世界描述數(shù)據(jù)不準確容易。然后可能會發(fā)生碰撞，不占在運動規(guī)劃。最后，圖7（d）顯示，由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和正交擴展的路徑搜索過程中的網(wǎng)格節(jié)點，運動路徑包含了一些尖角。這將導致強不必要的加速和減速的鏈接時，在實踐中實施。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度的自由操縱運動規(guī)劃
這一段演示六自由度三菱RV-E2的機械臂運動規(guī)劃方案。圖8（a）顯示了三維視圖六自由度機械手，在一個人為的溫室環(huán)境。再次，目標是從路徑中的位置移動機器人的工具中心點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.黃瓜采摘在一個人為的溫室環(huán)境經(jīng)營度自由操縱的無碰撞運動規(guī)劃：（a）開始姿勢（直）和目標姿態(tài)與機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的起點和目標配置，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節(jié)點;（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動的快照;（f）配置A *算法在空間采樣，從向后搜索目標的起始節(jié)點1和2是第一和第二關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)。
6.1．結(jié)果
由于這個例子涉及一個六自由度機械手，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的運動，是與前面的例子一樣。因此，只有通過工作區(qū)的無碰撞運動的快照圖。 8（一） - （F）。該議案涉及所有6個旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)。從本質(zhì)上講，黃瓜的議案，由兩部分組成。首先所有機器人向后傾斜，同時圍繞主垂直軸旋轉(zhuǎn)，然后傾斜前鋒再次攜帶刀具中心點之間的黃瓜莖。其次，同時，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。這樣做，黃瓜干規(guī)避。
6.2．討論
結(jié)果表明，碰撞自由運動的六自由度機械手可以發(fā)現(xiàn)。據(jù)預計，這一結(jié)果可以擴展到七個自由度的機械手，在黃瓜采摘設(shè)備使用。然而，這個例子揭示了A *算法的弱點。對于正在審議的六自由度機械手，在六維的配置空間進行搜索。然后，由于網(wǎng)格點的大量的，必須進行評估，搜索變得過于緩慢。這部分是由于在MATLAB實現(xiàn)。該軟件包不是很有效時，必須執(zhí)行大量的迭代。再次，結(jié)果表明：在運動軌跡的尖角。當需要高速運動，這些運動軌跡要平滑，以防止上機械臂鏈接的重載。
黃瓜采摘機器人
圖8.（a）-（f）：六快照的無碰撞運動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，以達到適當?shù)氖盅蹍f(xié)調(diào)的黃瓜收獲機器人在農(nóng)業(yè)和環(huán)境工程研究所（IMAG BV）的開發(fā)。本文提出了一個方案，是能夠生成機器人無碰撞運動。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，無碰撞運動可以計算六度自由度（DOF），RV-E2的機械臂在收獲機使用。據(jù)預計，這些結(jié)果可以擴展到七自由度機械手，即RV-E2的操縱器線性滑軌安裝。被發(fā)現(xiàn)的A*搜索算法很容易實現(xiàn)和強大的。通過這種方式，它提供了很多有識之士為機器人運動規(guī)劃的具體問題。此外，該算法的一個大優(yōu)勢是，它可以產(chǎn)生一個解決方案或停止時，無法找到一個解決方案。該財產(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械手運動軌跡的計算是計算非常。至符合所需的周期時間的10秒為一個單一的收獲行動，需要進一步研究，以減少議案所需的計算時間規(guī)劃。研究，可沿兩條線。首先，可以減少計算時間，通過使用特殊的計算機硬件，例如并行處理器。另外，同時，減少計算可以通過使用更快和有效地實現(xiàn)的算法。此外，結(jié)果表明，該算法不包括許多情報。雖然它試圖產(chǎn)生定向運動的目標，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。因此，進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)展狀況直接影響著國家的經(jīng)濟命脈和長治久安。隨著社會科學的進步和人們生活水平的提高，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活也逐漸被應用現(xiàn)代科學技術(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)器械也逐漸進入到了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活當中，稱為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中必不可少的重要組成部分。機械手在作物采摘過程中的應用，使得農(nóng)業(yè)的科技水平發(fā)展又登上了一個新臺階。機械手是一種通過舵機或其他動力機構(gòu)帶動仿真的機械手臂構(gòu)件，按照固定的流程來實現(xiàn)移動、抓取等動作的自動化操縱裝置，廣泛應用于各類現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。本項目設(shè)計了一款基于AT89C51單片機的黃瓜采摘機械手，該機械手擁有四路自由度，使用高精度舵機進行驅(qū)動，可以實現(xiàn)較為精細復雜的作物采摘工作。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。
關(guān)鍵詞：單片機、機械手、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、舵機
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 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)相關(guān)原理介紹 5
2.1 舵機原理與應用 5
2.1.1 舵機結(jié)構(gòu) 5
2.1.2 常見舵機種類 6
2.1.3 舵機驅(qū)動原理 6
2.2 脈寬調(diào)制原理與應用 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 黃瓜采摘機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.1 黃瓜采摘機械手總體參數(shù)設(shè)計 10
3.2 黃瓜采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.3 黃瓜采摘機械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計 11
3.3.1 黃瓜采摘機械手大臂尺寸設(shè)計 11
3.3.2 黃瓜采摘機械手小臂尺寸設(shè)計 12
3.3.3 黃瓜采摘機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.4 黃瓜采摘機械手運動學方程設(shè)計 13
第四章 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。 15
4.1 元件選型 15
4.1.1 單片機選型 15
4.1.2 舵機選型 16
4.2 硬件架構(gòu)設(shè)計 17
4.3 硬件電路設(shè)計 17
4.3.1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計 18
4.3.2 四路舵機驅(qū)動電路設(shè)計 18
4.3.3 按鍵控制電路設(shè)計 19
4.3.4 直流電源電路設(shè)計 20
4.3.5 供電隔離電路設(shè)計 20
第五章 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 22
5.1 軟件流程設(shè)計 22
5.1.1 系統(tǒng)流程設(shè)計 22
5.2 驅(qū)動程序設(shè)計 22
5.2.1 舵機驅(qū)動程序 22
第五章 總結(jié) 24
致謝 25
參考文獻 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行采摘，勞動較為繁重，同時大多數(shù)為無意義的重復性勞動。與插秧和收割等類似，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都使用反復的人工勞動來進行，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械設(shè)備進行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，如全自動插秧機和聯(lián)合收割機等各種設(shè)備。使用自動化設(shè)備來代替人工的重復性勞動可以極大的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。將機械手應用于果蔬生產(chǎn)工作，是將仿生學與自動化技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。由于果蔬在采摘時無法像傳統(tǒng)的水稻、小麥等按照切割的方式進行收割，因此采用類似手工采摘的自動機械手進行采摘是一個非常好的方法。根據(jù)黃瓜采摘的流程和工作設(shè)計要求，本項目設(shè)計了一款基于單片機的黃瓜采摘機械手，該機械手具有四路自由度，使用舵機進行驅(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
應用現(xiàn)代的工業(yè)技術(shù)和科學設(shè)備和管理方法所設(shè)計的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的重點發(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前人類的社會科學發(fā)展狀況。
早期原始人類采用狩獵采集的方式來獲取實物。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問題的同時，還使得人們可以存儲一些其他的物資，同時多余的食物供給還可以用于養(yǎng)活更多的人口，同時還可以用于養(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?、復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步的一個重要標志，由于地理或文化和其他因素導致在史前時期沒有誕生出農(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行生活的國家在某些時候可以征服采用農(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致其被淘汰。隨著人類社會的進一步發(fā)展，國家規(guī)模的進一步擴大和人口的進一步增多，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求又進一步提高，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而生。以其中應用最為普遍且典型的聯(lián)合收割機為例，在18世紀開始，在英國就開始了關(guān)于自動化收割機的研究，有很多人獲得了相關(guān)的專利并設(shè)計出了一些模型機，但由于其大都缺少基本的實用價值，因此未能得到市場的認可。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，其收割效率要高于三十個工人的手工作業(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。之后，美國又出現(xiàn)了由瓦特蒸汽機來驅(qū)動的直走式聯(lián)合收割機，隨著內(nèi)燃機技術(shù)的成熟和普及，采用內(nèi)燃機技術(shù)的谷物收割機逐漸成為了主流。在19世紀后期，采用內(nèi)燃機技術(shù)的聯(lián)合收割機在美國逐漸流行開來，并得到了市場的認可，并開始向澳大利亞等地進行推廣。二十世紀初，聯(lián)合收割機又向蘇聯(lián)和加拿大等其他城市推廣開來，并逐漸流行于各個發(fā)達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)達國家直接引進聯(lián)合收割機系統(tǒng)進行使用，或在其基礎(chǔ)上進行仿制，由于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，同時對聯(lián)合收割機系統(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)合收割機產(chǎn)品往往具有體積過于龐大和過于笨重的缺點，不利于在國內(nèi)使用和推廣。隨著社會經(jīng)濟水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)、科學技術(shù)的進步，我國的糧食收割機產(chǎn)品在很大程度上已經(jīng)基本實現(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)合收割機的使用已經(jīng)極為普遍。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進程的進一步加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的自動化水平將會進一步提高，農(nóng)民的生產(chǎn)力也將會得到進一步的解放。
1.3 機械手介紹與發(fā)展歷史
機械手技術(shù)是自動化技術(shù)的典型代表之一，也是機械自動化領(lǐng)域的高端應用之一，屬于機器人的研究領(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械手和可以使用編程或遙控方式進行控制的通用機械手；按照運動形式，可以分為XYZ三軸運動方向的直角坐標系機械手和進行圓周或球形運動的圓柱坐標機械手和球坐標機械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動作更加靈活的關(guān)節(jié)式機械手。關(guān)節(jié)式機械手是機械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進行劃分，每一個自由度也就代表一個機械手臂的關(guān)節(jié)。如本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手就是一款具有四個自由度的多關(guān)節(jié)式機械手。按照不同的驅(qū)動方式，可以分為使用油壓機作為動力的液壓機械手、利用空氣壓縮機提供動力的氣壓機械手、使用電動機作為動力的電力機械手，和采用各種機械式傳動機構(gòu)進行動力動作的機械式機械手。本項目使用舵機作為系統(tǒng)的動力機構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動機械手。
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，機械手得到了極為廣泛的應用。雖然現(xiàn)階段的機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，可以輕松的實現(xiàn)多種重復性的勞動，不知疲倦，不怕危險和腐蝕，同時還可以實現(xiàn)重物抓舉的效果。隨著工業(yè)4.0時代的到來，自動化流水線建設(shè)的日益推廣，機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用。
機械手最早由美國的科學家研究出來。在1958年的聯(lián)合控制中心，世界上第一臺機械手從此誕生。該機械手帶有一個可以進行圓周運動的機械長臂，在機械長臂的頂端裝有一個電磁鐵部件，可以用于鐵質(zhì)工件的抓取和放置動作。1962年，在電磁鐵機械臂的基礎(chǔ)上，又改進出第一臺數(shù)控機械手，可以實現(xiàn)坐標動作。1978年，斯坦福大學研制出了一種定位誤差小于1mm的工業(yè)用機械手，使用小型計算機進行控制。從此，機械手正式進入了實用性階段。
目前，市面上所廣泛應用的大部分為第一代和第二代機械手系統(tǒng)。第一代機械手主要使用人工進行控制，第二代機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)重點的第三代機械手能夠自主進行各項復雜動作和功能，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中進一步提高其工作效率。
我國的機械手起步較晚，在現(xiàn)代化工業(yè)工廠設(shè)計和生產(chǎn)工作領(lǐng)域中，所使用的高精度機械手系統(tǒng)和設(shè)備大多使用國外進口的高成本設(shè)備。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的進一步發(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)的機械手產(chǎn)品和相關(guān)研究也會得到進一步的發(fā)展，并逐漸縮短與發(fā)達國家產(chǎn)品的差距，進一步提高自主產(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)機械進行分析和了解，并對果蔬采摘過程中的工作環(huán)節(jié)和注意事項進行了研究探討，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)計出了一款基于AT89C51單片機的黃瓜采摘機械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一個四自由度的機械臂作為動力組件，使用高精度的電子舵機為機械手臂部件提供驅(qū)動力，精度高，到位迅速，驅(qū)動強力。同時，系統(tǒng)使用一個自彈式按鍵進行控制，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供電與單片機系統(tǒng)供電相隔離，避免舵機工作時產(chǎn)生的電源干擾造成單片機系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。與傳統(tǒng)或其他結(jié)構(gòu)和設(shè)計方案的果蔬采摘系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)所設(shè)計的基于單片機的黃瓜采摘機械手具有動作靈活、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、運行可靠、使用壽命長、成本低廉等優(yōu)點。
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)中的各類大型機械化設(shè)備，如聯(lián)合收割機的發(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，并介紹了本項目所設(shè)計的基于單片機的黃瓜采摘機械手的原理說明、應用場合和市場前景，同時闡明了本課題的研究意義與主要內(nèi)容。
第二章介紹了本項目所設(shè)計的基于單片機的黃瓜采摘機械手的各功能結(jié)構(gòu)的相關(guān)原理，包括舵機（伺服電機）的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理，和用于舵機驅(qū)動技術(shù)的基于單片機電子系統(tǒng)的脈寬調(diào)頻控制技術(shù)的相關(guān)原理說明。
第三章介紹了本項目所設(shè)計的基于單片機的黃瓜采摘機械手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。包括機械手的自由度（即關(guān)節(jié)數(shù)、伺服電機數(shù)量）選擇、機械臂機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、機械爪機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和底盤機械結(jié)構(gòu)設(shè)計和各個機械結(jié)構(gòu)的3D模型圖等。
第四章介紹了基于單片機的黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，包括基于AT89C51單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計方案與電路原理圖、四路舵機及其驅(qū)動電路原理圖、直流電源電路接口、保護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的黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)的單片機程序設(shè)計方案，包括黃瓜采摘機械手系統(tǒng)運行流程設(shè)計、基于AT89C51單片機的四路PWM脈寬調(diào)制輸出驅(qū)動程序設(shè)計等。
第六章為總結(jié)章，總結(jié)了全文的工作，點明了本文創(chuàng)新點，同時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 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)相關(guān)原理介紹
2.1 舵機原理與應用
舵機（伺服電機）是在各類自動化設(shè)計應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，都離不開伺服電機的應用。伺服電機，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動機系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個系統(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）來實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動控制系統(tǒng)。伺服電機可以實現(xiàn)其電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機的工作方式往往并不是普通電機那樣的持續(xù)進行圓周運動，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，如果項目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計的想法來進行動作，舵機是一種非常合適的選擇，可以很方便的實現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時，舵機控制方便，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)模的項目應用。
2.1.1 舵機結(jié)構(gòu)
圖2-1 舵機內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解圖
舵機是一種采用伺服控制系統(tǒng)原理進行工作的一種自動控制設(shè)備，是一種糅合了多項不同的技術(shù)和結(jié)構(gòu)的電子機械系統(tǒng)，主要由直流電動機、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)，通過傳感器和運算結(jié)構(gòu)獲取當前系統(tǒng)與設(shè)置參數(shù)的偏差，并進行反饋調(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，當溫度達到設(shè)定值后，停止加熱，這樣就可以通過閉環(huán)控制來實現(xiàn)恒溫控制。對于舵機控制系統(tǒng)而言，舵機運動機構(gòu)的轉(zhuǎn)矩就相當于恒溫控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度，位置檢測傳感器相當于恒溫控制系統(tǒng)的溫度傳感器，直流電機相當于加熱器。隨著電機的動作，其運動機構(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前的轉(zhuǎn)矩，若當前的轉(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，使電機的輸出角度達到所需的要求，這樣就實現(xiàn)了精確的輸出角度控制功能。
2.1.2 常見舵機種類
根據(jù)使用的場合和項目的實際需要，對舵機的體積和轉(zhuǎn)矩、扭力往往都有不同的要求。舵機的形狀結(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/微型舵機/標準舵機
如圖所示，舵機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。圖中最右邊為標準舵機，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機械結(jié)構(gòu)和應用場合中使用的大扭力電機，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，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用場合。根據(jù)項目的實際需要，可以選擇不同的舵機來進行項目開發(fā)工作。
除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機的一個重要參數(shù)。這兩個指標主要由舵機內(nèi)部的直流電機決定。通常情況下，直流電機的驅(qū)動力往往和電機的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機的轉(zhuǎn)動力量的大小。以標準舵機為例，在5V供電下，標準舵機的扭力輸出為5.5kg/cm，相當于每移動一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個角度變到另一個角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標準舵機的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時，對于采用同樣電機的同規(guī)格舵機來講，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。在實際項目中，可以根據(jù)實際的需要來選擇合適規(guī)格和參數(shù)的舵機。
2.1.3 舵機驅(qū)動原理
伺服電機系統(tǒng)通常使用周期脈沖實現(xiàn)控制。在伺服系統(tǒng)工作時，每收到一個脈沖信號，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。以標準舵機為例，其驅(qū)動信號的頻率為50HZ，即每秒需要向舵機的控制系統(tǒng)發(fā)送50個電平控制信號，也就相當于每個信號的持續(xù)時間為20毫秒。在20毫秒中，以一個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，舵機左滿舵。在高電平信號持續(xù)2000微秒時，舵機右滿舵。高電平信號介于1000微秒到2000微秒之間時，根據(jù)時間的比例就是對應的旋轉(zhuǎn)角度。
2.2 脈寬調(diào)制原理與應用
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，而無法反應程度等信號。在實際應用中，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的轉(zhuǎn)速等），因此就需要以一些特殊的方法來實現(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、反應速度快、成本低等多種優(yōu)點，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，可以實現(xiàn)較為良好的控制效果。根據(jù)項目對驅(qū)動信號的實際需要，系統(tǒng)也可以通過對輸出信號的脈沖寬度進行一定有規(guī)律的調(diào)整，進而可以配合輸出信號的頻率來實現(xiàn)輸出等效電壓的控制，來實現(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)響應好等優(yōu)點成為了在數(shù)電-模電控制領(lǐng)域中應用最為廣泛的控制方案。通常情況下，只需要使用MOS管驅(qū)動即可實現(xiàn)控制功能，核心控制時序和算法都使用超大規(guī)模集成電路來進行軟件實現(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候就被科學家提出，但受當時的電子技術(shù)和自動控制原理的發(fā)展水平的限制。在上世紀八十年代之前一直未能應用于實用領(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)一部進步，和現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論等控制思想的應用，脈寬調(diào)制控制技術(shù)獲得了進一步的發(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，使其難以在高精度控制的使用場合下得到使用。
（2）隨機PWM控制技術(shù)
隨機PWM信號產(chǎn)生技術(shù)是隨著半導體工藝和技術(shù)的進步而誕生的一種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)動大功率負載所使用的器件通常是達林頓管，其開關(guān)頻率較低，在很多使用場合下無法滿足使用要求，同時由于載波頻率較低而引起的電機驅(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信號的頻率隨機變化而脈沖寬度保持不變，這樣就使得其在電機控制系統(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)得到廣泛應用的今天，隨機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，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時變化的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，再令兩個不一樣的an=0，就能夠樹立三個方程，聯(lián)立求解得a1、a2及a3，這么就能夠消去兩個頻率的諧波。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大，而且相同存在核算復雜的缺陷。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的三相坐標系的電流坐標化，將其等效成兩相驅(qū)動信號，再通過勵磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為磁場切換方向，來使其實現(xiàn)基本類似于直流電機驅(qū)動的無刷電機驅(qū)動效果，這樣就可以實現(xiàn)極為精確的三相無刷電機的轉(zhuǎn)速控制功能。隨著無刷電機的優(yōu)越性逐漸被人們所接受，以及無刷電機在各個場合中越來越廣泛的應用，矢量控制PWM技術(shù)也被視為當前最有價值和發(fā)展前景的PWM信號產(chǎn)生技術(shù)，并將會得到更進一步的發(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。該技能同時具有調(diào)制和操控的雙重性，通過復位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、對比器到達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歸納，它能在一個周期內(nèi)主動消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)差錯，使前一周期的差錯不會帶到下一周期。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、魯棒性強等長處。此外，單周操控還能優(yōu)化體系呼應、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。在不同的應用場合，通過選擇合適的控制技術(shù)，可以在實現(xiàn)最好的控制效果的同時，也可以有效的降低系統(tǒng)資源的浪費。如應用于感應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，也可以極大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
第三章 黃瓜采摘機械手機械結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 黃瓜采摘機械手總體參數(shù)設(shè)計
本項目所設(shè)計的機械手需要用于果蔬采摘作業(yè)中，與工業(yè)生產(chǎn)的流水線應用相比，應用于果蔬采摘作業(yè)中的機械手對于體積、質(zhì)量、靈活度、精度和運行速度等方面都有較高的要求，尤其為了應對果蔬采摘時的復雜情況，因此對靈活度方面有較高的要求。因此，本項目設(shè)計了一個帶有四個關(guān)節(jié)的四自由度機械手臂，與普通的機械手臂相比，該黃瓜采摘機械手具有靈活度高、體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固等優(yōu)點。
按照機械手的工作特點和應用場合，可以分為只有固定動作流程控制的專用機械手和可以使用編程或遙控方式進行控制的通用機械手；按照運動形式，可以分為XYZ三軸運動方向的直角坐標系機械手和進行圓周或球形運動的圓柱坐標機械手和球坐標機械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動作更加靈活的關(guān)節(jié)式機械手。關(guān)節(jié)式機械手是機械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進行劃分，每一個自由度也就代表一個機械手臂的關(guān)節(jié)。如本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手就是一款具有四個自由度的多關(guān)節(jié)式機械手。按照不同的驅(qū)動方式，可以分為使用油壓機作為動力的液壓機械手、利用空氣壓縮機提供動力的氣壓機械手、使用電動機作為動力的電力機械手，和采用各種機械式傳動機構(gòu)進行動力動作的機械式機械手。本項目使用舵機作為系統(tǒng)的動力機構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動機械手。
根據(jù)果蔬采摘項目的實際需要，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手的各項參數(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
動力機構(gòu)：舵機驅(qū)動
滿舵范圍：0°-180°
動作速度：150°/s
3.2 黃瓜采摘機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計
本項目所設(shè)計的四自由度機械手帶有四個可控制活動關(guān)節(jié)，每個活動關(guān)節(jié)由一個舵機進行角度變化控制。機械臂的硬件部分主要由底座、大臂、小臂和爪四個部分構(gòu)成，可以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、抓取和放置的各項動作。具體的結(jié)構(gòu)圖如下所示：
圖3-1 黃瓜采摘機械手結(jié)構(gòu)圖
如圖所示。底座是機械手的基座，可以用于放置機械臂的控制器和電池、電源等附加設(shè)備，同時往往帶有配重或其他固定結(jié)構(gòu)，以使機械手工作和抓取重物時不會由于固定不牢導致出現(xiàn)晃動和翻倒等故障，導致機械手臂損壞或造成其他危險情況。肩關(guān)節(jié)是機械手底座和機械手的大臂相連的關(guān)節(jié)，用于控制機械手總體的與水平面的平行的旋轉(zhuǎn)方向，即調(diào)節(jié)機械手系統(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)是第三個活動關(guān)節(jié)，位于機械臂大臂和小臂的連接點，與臂關(guān)節(jié)相互配合可以實現(xiàn)更加精細的俯仰角度調(diào)節(jié)，可以明顯的提高機械臂系統(tǒng)的活動范圍和靈活程度。腕關(guān)節(jié)（指關(guān)節(jié)）是用來控制機械手的手部開合的最后一個活動關(guān)節(jié)，位于小臂和機械爪的連接位置，也是機械手手部的兩個活動部分的連接位置，在進行抓取和放置時，就需要通過腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動來實現(xiàn)動作效果。腕關(guān)節(jié)的扭力直接決定機械手抓取動作的牢固程度，而肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的舵機扭力決定機械手對重物的拾取能力。同時，大型舵機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。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，以滿足項目的實際要求。
3.3 黃瓜采摘機械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計
3.3.1 黃瓜采摘機械手大臂尺寸設(shè)計
大臂是位于機械手的第二活動關(guān)節(jié)和第三活動關(guān)節(jié)之間，用于調(diào)整機械手臂的抬升高度和伸展距離。根據(jù)設(shè)計需要，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機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)計方案相比，水滴形結(jié)構(gòu)設(shè)計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)項目的需要，黃瓜采摘機械手的大臂長230mm。各個部分的詳細尺寸如下圖所示：
圖3-2 黃瓜采摘機械手大臂機械尺寸圖
如圖所示，本項目設(shè)計的黃瓜采摘機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直徑為6mm的定位通孔，用于組裝大臂時的定位和加固組合工作。大臂前端的結(jié)構(gòu)與后端類似，由于本項目中各個關(guān)節(jié)部位所使用的舵機型號和參數(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 黃瓜采摘機械手小臂尺寸設(shè)計
小臂是位于機械手的第三活動關(guān)節(jié)和第四活動關(guān)節(jié)之間的支撐結(jié)構(gòu)，后端與機械手的大臂相連，前端與機械臂的手部結(jié)構(gòu)相連。小臂結(jié)構(gòu)用于提高機械手的活動范圍，使機械手具有更高的靈活度，可以更加適用于果蔬采摘的復雜環(huán)境中。根據(jù)項目的實際需要，小臂的長度設(shè)計為240mm，詳細尺寸圖如下所示：
圖3-3 黃瓜采摘機械手小臂機械尺寸圖
黃瓜采摘機械手小臂詳細機械尺寸如上圖所示。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。小臂只需要一個轉(zhuǎn)軸部分，即與大臂相連的后端，放置一個孔徑為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直徑為6mm的定位孔。
3.3.3 黃瓜采摘機械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
機械手的手部結(jié)構(gòu)也被稱為末端執(zhí)行器，其和機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）進行操作的部件，通常部署于機械手的最前端。根據(jù)需要抓取的物體的形狀和質(zhì)地，以及需要實現(xiàn)的功能，通常要設(shè)計不同結(jié)構(gòu)和功能的機械手結(jié)構(gòu)，如夾鉗式機械手、吸附式取料手、仿生式多指機械手，和噴頭、板具等特種和專用的結(jié)構(gòu)。本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手的手部用于采摘黃瓜，因此需要實現(xiàn)抓取和剪切黃瓜等機械動作，并不需要較為復雜的多指動作。同時，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，本項目設(shè)計的機械手手部結(jié)構(gòu)為能夠從不同角度和方向進行摘取動作的鉗形結(jié)構(gòu)。手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計圖如下所示：
圖3-4 黃瓜采摘機械手手指結(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，就可以實現(xiàn)物體的抓取和放置的動作。本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手使用兩個手指結(jié)構(gòu)組成鉗形結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)黃瓜采摘的功能。雙指結(jié)構(gòu)的機械手通常具有回轉(zhuǎn)性和平移型兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際需要，本項目使用回轉(zhuǎn)性結(jié)構(gòu)來進行動作。如圖所示，機械手的手指后端為方形，與動力機構(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)。在實際使用時，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)。圖中只繪制了一個手指，手部結(jié)構(gòu)由兩個手指組成，另一個手指與其呈鏡像對稱。
3.4 黃瓜采摘機械手運動學方程設(shè)計
本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手具有四個自由度，共四個舵機分別控制大臂、小臂和機械爪的動作。其中，第一個和第二個活動關(guān)節(jié)控制大臂的兩個運動方向，第三個自由度控制小臂的俯仰方向，第四個活動關(guān)節(jié)用于控制機械手手部的開合運動。由于機械手具有四個自由度，因此若想要使末端機構(gòu)能夠正確的實現(xiàn)較為精確的坐標運動，以實現(xiàn)較為精確的末端控制效果，就需要對整個機械手機構(gòu)進行空間坐標解析和運動學方程設(shè)計。運動學方程設(shè)計是機械手自動控制系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)，利用空間矢量矩陣解析等算法，即可表達出機械手在三維空間中運動的姿態(tài)方程。本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手的空間坐標系如下圖所示：
圖3-5 黃瓜采摘機械手空間坐標系示意圖
根據(jù)坐標系，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，每個相鄰坐標系的空間矩陣都可以用坐標變化的方式進行描述。將以上三式相乘，就可以達到機械手的總變換矩陣，也就是機械手的正運動學方程式。求得的運動學方程如下式所示：
M03=cosθ123-cosθ123l1cosθ1+l2cosθ12+l3cosθ123sinθ123-sinθ123l1sinθ1+l2sinθ12+l3sinθ123001 (式4)
得出了機械手的運動學方程后，就可以通過編寫相關(guān)的控制程序，來實現(xiàn)精確的機械手坐標控制。
第四章 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計。
4.1 元件選型
4.1.1 單片機選型
由于本項目是一種以電機驅(qū)動電路為核心的，應用于大型施工器械設(shè)備的單片機系統(tǒng)，因此其對單片機的穩(wěn)定性和電路可靠性都有一些說道。但同時也要考慮成本和開發(fā)難度等因素。因此，選擇合適的單片機就是十分重要的工作。
科學技術(shù)的高速發(fā)展也為單片機帶來了很大的市場，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?。為了滿足項目的需求，就要針對這些單片機的特點進行橫向比較。
51系列單片機是一種使用范圍非常廣泛的單片機，但其缺點也是極其明顯的，作為單片機中的“老爺機”，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)進行擴展，增加了軟硬件負擔。同時，IO口驅(qū)動能力很差，這也是51系列單片機最大的軟肋，這一點直接限制了其在工業(yè)控制和軍工等領(lǐng)域的應用。同時由于其老舊的硬件架構(gòu)導致其運行速度過慢，代碼效率極低。同時，51單片機的硬件保護能力非常差，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單片機仍然是國內(nèi)占市場比例最高的低級單片機。
MSP430系列單片機是德州儀器自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指令集的強大處理能力，保證了其可以設(shè)計出高效率的源代碼。同時，其豐富的喚醒和中斷機制和完善的時鐘和電源管理系統(tǒng)使其具有同類產(chǎn)品所無法比擬的超低功耗，甚至可達0.1uA。不過其缺點也不能忽視，首先就是開發(fā)資料較少，不適合初學者入門，同時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，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用，例如可穿戴設(shè)備等。
PIC系列單片機是美國微芯半導體主打的微控制器產(chǎn)品。由于內(nèi)置CMOS互補推挽輸出的IO口具有很強的外設(shè)驅(qū)動能力，是很多工業(yè)控制類項目的首選。同時，極強的抗干擾性也是PIC系列單片機的一大優(yōu)點，得益于其簡潔高效的硬件結(jié)構(gòu)，PIC單片機的可靠性和穩(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單片機外觀圖
綜合需求考慮，本項目選ATC89C51單片機作為項目主控。
4.1.2 舵機選型
舵機是本項目的重要動力部分，舵機的工作穩(wěn)定性、輸出扭力和轉(zhuǎn)速都直接決定著機械手的工作效果。因此，選擇合適的舵機就是一項重要的工作。
目前常用的舵機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。圖中最右邊為標準舵機，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機械結(jié)構(gòu)和應用場合中使用的大扭力電機，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，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用場合。根據(jù)項目的實際需要，可以選擇不同的舵機來進行項目開發(fā)工作。
除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機的一個重要參數(shù)。這兩個指標主要由舵機內(nèi)部的直流電機決定。通常情況下，直流電機的驅(qū)動力往往和電機的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機的轉(zhuǎn)動力量的大小。以標準舵機為例，在5V供電下，標準舵機的扭力輸出為5.5kg/cm，相當于每移動一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個角度變到另一個角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標準舵機的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時，對于采用同樣電機的同規(guī)格舵機來講，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)本項目的實際需要，選用MG996R舵機作為機械手的動力輸出和姿態(tài)控制模塊。該舵機是一種常用的標準尺寸舵機，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，運行穩(wěn)定。
圖4-2 MG996R標準舵機外觀圖
MG996R是一種常用的40.8*20*38mm，重量55克的標準尺寸舵機。在5V供電下，其轉(zhuǎn)速為300°每秒，扭力可達14kg/cm，功耗1W，適用于各種單片機控制的自動化系統(tǒng)，角度誤差小，控制靈敏度高。
4.2 硬件架構(gòu)設(shè)計
圖4-3 黃瓜采摘機械手控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖
如圖所示，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機械手的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)相對較為簡單，只有一個按鍵作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，四路舵機作為系統(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)動機械臂四個位置的控制舵機。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能穩(wěn)定可靠，操作簡單，具有較高的實際意義。
4.3 硬件電路設(shè)計
4.3.1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計
單片機最小系統(tǒng)由電源、復位電路、時鐘電路和下載接口四個部分組成。本項目所選用的AT89C51的供電電壓為5V，因此直接將來自電源的5V電壓接入到單片機的電源引腳即可（原理圖中電源引腳和地引腳省略）。復位電路是保持單片機正常工作的一個重要部分。本項目所使用的AT89C51單片機為高電平復位，低電平正常工作，因此在單片機正常工作時，復位引腳需要接一個10k歐姆的下拉電阻接地，以保證單片機正常工作，避免干擾影響。同時，為保證系統(tǒng)在開機時能夠正常工作，因此增加了一個接到電源的電容提供上電復位功能。其原理是，在電源剛剛導通時，電容充電，為復位引腳提供一個可以保持一小段時間的高電平，使系統(tǒng)復位。然后，電容緩慢放電，復位引腳恢復到低電平，系統(tǒng)開始正常工作。同時，為提供手動復位功能，在復位引腳上添加了一個微動按鍵，按下按鍵時，將高電平接入到復位引腳時系統(tǒng)復位，松開按鍵后復位引腳由下拉電阻拉低回低電平，系統(tǒng)恢復正常工作。
時鐘電路也是單片機最小系統(tǒng)的重要組成部分。為提高系統(tǒng)的運行速度并保證精度，本項目使用了12M晶振作為系統(tǒng)的外部晶體振蕩器。
綜上所述，單片機最小系統(tǒng)的原理圖如下所示：
圖4-4 單片機最小系統(tǒng)原理圖
4.3.2 四路舵機驅(qū)動電路設(shè)計
舵機（伺服電機）是在各類自動化設(shè)計應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，都離不開伺服電機的應用。伺服電機，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動機系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個系統(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）來實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動控制系統(tǒng)。伺服電機可以實現(xiàn)其電機轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機系統(tǒng)。電機轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機的工作方式往往并不是普通電機那樣的持續(xù)進行圓周運動，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，如果項目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計的想法來進行動作，舵機是一種非常合適的選擇，可以很方便的實現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時，舵機控制方便，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)模的項目應用。本項目一共使用四路舵機進行機械手的控制工作。相關(guān)的電路原理圖設(shè)計如下圖所示：
圖4-5 四路舵機驅(qū)動原理圖
如圖所示，本項目所使用的舵機使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。在舵機驅(qū)動電路中，將電源線接到系統(tǒng)為舵機提供的5V電源上，將地線接地，并將每個舵機的控制線接到單片機的對應的輸出控制引腳上。本項目所使用的大扭力高精度舵機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，在單片機控制系統(tǒng)設(shè)計中，額外部署隔離驅(qū)動電路反而會對舵機控制造成一定的滯后影響。因此，在本項目的設(shè)計中，可以將單片機的I/O口直接接入到舵機的控制引腳上。但由于大扭力舵機在工作時，所需的電流較大，同時由于舵機內(nèi)部的直流電動機是一種大型的感性負載，其在接通和關(guān)斷的時候會產(chǎn)生較強的電流沖擊，因此為了避免對單片機系統(tǒng)造成干擾和影響，因此需要對舵機的電源電路做一定的隔離濾波的設(shè)計，在下文中會重點介紹。
4.3.3 按鍵控制電路設(shè)計
開關(guān)和按鍵是在電子技術(shù)剛剛誕生時，就已經(jīng)出現(xiàn)并且在時至今日仍然被廣泛使用的一種基本輸入設(shè)備。盡管隨著科學技術(shù)的發(fā)展，在手機和類似的消費類電子產(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，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。在本項目中，由于需要對系統(tǒng)的時間、工作狀態(tài)和打鈴時間進行設(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。按鍵布局往往有獨立按鍵和矩陣鍵盤兩種，其中，獨立按鍵適用于按鍵數(shù)量較少或?qū)崟r性和準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，只需要三個輸入按鍵即可實現(xiàn)所需的功能，無需額外的鍵盤和其他輸入設(shè)備和功能，因此本項目使用多路獨立的自彈按鍵作為本系統(tǒng)的輸入設(shè)備。本項目所設(shè)計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，本項目只需要一路控制按鍵，將按鍵接到單片機的對應引腳上，并將按鍵的另一個引腳接地，即可實現(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
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。為了便于顯示當前電源狀態(tài)，因此添加一個LED指示燈電路作為電源指示燈。同時，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)二極管和自恢復保險絲構(gòu)成的防過流反接保護電路。如下圖所示，在電源正常時，二極管截止，不會對電源產(chǎn)生影響。當電源反接時，二極管導通，使位于二極管前端的自恢復保險絲過流燒毀，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
電源電路是電路系統(tǒng)極為重要的部分，電源電路的穩(wěn)定性直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時電源電路設(shè)計的優(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、爆炸等危險事故。對于帶有電機控制等功能的工業(yè)控制系統(tǒng)，其電源的設(shè)計要求更高，尤其是在電機驅(qū)動部分和單片機控制部分之間，要設(shè)計效果良好的隔離電路，避免由于電機、繼電器等感性負載在導通和關(guān)斷的時候產(chǎn)生的電流沖擊對單片機系統(tǒng)產(chǎn)生影響，或直接燒毀單片機系統(tǒng)。電源隔離電路在大功率負載和模擬采樣、通信控制系統(tǒng)等多種場合中有廣泛的應用。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原理進行工作的儲能器件。流過電感線圈的電流會在線圈中產(chǎn)生感應磁場，在電感流過的電流發(fā)生變化時，線圈中的感應磁場會給線圈中的電流產(chǎn)生一個阻礙電流變化的反向感應電流，從而實現(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