目 錄 摘 要 1 關(guān)鍵詞 1 1 前言 1 1 1 研究意義與目的 2 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2 2 山茶采摘平臺(tái)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與方案 6 2 1 機(jī)器人一般組成 6 2 2 山茶采摘平臺(tái)設(shè)計(jì)方案 6 2 3 研制概要 7 3 采摘平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì) 7 3 1 底盤的設(shè)計(jì) 7 3 1 1 基于 45 全向輪的分析 7 3 1 2 一種山地行走系統(tǒng)用全向履帶 10 3 2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 11 4 采摘平臺(tái)電路硬件電路設(shè)計(jì) 13 4 1 系統(tǒng)原理框圖 13 4 2 采摘主控制板結(jié)構(gòu)及說明 13 4 2 1 最小系統(tǒng) 14 4 2 2 主控制板實(shí)物圖 14 4 3 電源模塊 15 4 4 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 16 4 5 按鍵電路 20 5 主控制板程序設(shè)計(jì) 21 5 1 系統(tǒng)主程序流程圖 21 5 2 PWM 的產(chǎn)生 21 5 2 1 軟件生成 PWM 21 5 2 2 硬件生成 PWM 23 6 系統(tǒng)的調(diào)試 25 7 總 結(jié) 25 參考文獻(xiàn) 25 致 謝 26 附錄 27 1 摘 要 隨著國內(nèi)外采摘機(jī)器人的興起 21 世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化方向發(fā)展的重要?dú)v 史時(shí)期 機(jī)械作業(yè)已逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域 本文研究設(shè)計(jì)了能減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效 率的山茶采摘平臺(tái) 平臺(tái)由主控模塊 行走模塊 全向履帶 和升降模塊組成 系統(tǒng)以 STM32 為 核心控制器 通過對(duì)伺服電機(jī)的控制可實(shí)現(xiàn)采摘平臺(tái)的行走控制和升降控制 本文結(jié)合由鋁型材 制作的采摘平臺(tái)的實(shí)物模型對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析和總結(jié) 關(guān)鍵詞 機(jī)器人 農(nóng)業(yè)機(jī)械化 采摘平臺(tái) 全向履帶 2 Abstract With the rise of the picking robot at home and abroad the 21st century is an important historical period of the mechanization of agriculture to the intelligent direction the robot has gradually entered the field of agricultural production This study design can reduce labor intensity and improve the efficiency of the camellia picking platform This picking platform by walking module Omni track lifting module and main control module The system use the STM32 as the core controller The control of servomotor can be achieved walking and lifting of the picking platform The design of the physical model produced by the aluminum picking platform system was analyzed and summarized in this paper Key words Robot mechanization of agriculture picking platform Omni track 3 1 前言 機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展是一個(gè)國家高科技水平和工業(yè)自動(dòng)化程度的重要標(biāo)志和體現(xiàn) 機(jī)器人涉及多學(xué)科交叉綜合 人工智能 機(jī)器人技術(shù) 通信技術(shù) 傳感器技術(shù) 仿生 學(xué) 機(jī)構(gòu)學(xué) 信息及編程技術(shù) 計(jì)算機(jī)學(xué) 材料學(xué) 電子技術(shù) 傳動(dòng)技術(shù) 接口技術(shù) 電機(jī)拖動(dòng)學(xué) 精密機(jī)械技術(shù) 自動(dòng)控制理論 伺服傳動(dòng)技術(shù)等諸多領(lǐng)域的技術(shù)集成 代表高技術(shù)的發(fā)展前沿 是當(dāng)前科技研究的熱點(diǎn)方向 21 世紀(jì)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化向智能化 方向發(fā)展的重要?dú)v史時(shí)期 我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國 要實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化 農(nóng)業(yè)裝備的機(jī) 械化 智能化是發(fā)展的必然趨勢(shì) 隨著計(jì)算機(jī)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展 機(jī)器人已 逐步進(jìn)入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域 采摘機(jī)器人作為農(nóng)業(yè)機(jī)器人的重要類型 其作用在于能夠降 低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和生產(chǎn)費(fèi)用 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量 保證果實(shí)適時(shí)采收 使其 具有很大的發(fā)展?jié)摿?1 1 1 研究意義與目的 農(nóng)業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ) 這是不以人們意志為轉(zhuǎn)移的客觀經(jīng)濟(jì)規(guī)律 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力 發(fā)展的水平和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)率的高低 決定了農(nóng)業(yè)為其他部門提供剩余產(chǎn)品和勞動(dòng)力 的數(shù)量 進(jìn)而制約著這些部門的發(fā)展規(guī)模和速度 近年來 采摘作業(yè)的效率提高問題 已成為農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展需突破的瓶頸問題之一 目前在國內(nèi) 果實(shí)采摘的成本普遍比較 高 效率也低 人工采摘成為制約各地生產(chǎn)效率提高的一個(gè)瓶頸 在各地的采摘作業(yè) 基本上還是手工完成 隨著人口的老齡化和農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力的減少 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本也將提 高 因此推廣發(fā)展機(jī)械化收獲采摘技術(shù)和研究具有重要的意義 現(xiàn)今國內(nèi)外有某些公司已經(jīng)解決了機(jī)器采茶的問題 但是由于該機(jī)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜 核心機(jī)構(gòu)和工作部件需要進(jìn)口 價(jià)格昂貴 而且該機(jī)的易損部件也是核心零部件還不 能國產(chǎn)化 導(dǎo)致使用成本大大提高 所以國內(nèi)的機(jī)械化采茶的效率還很低 中小型茶 農(nóng)也很難購買該類機(jī)器 即使有能力購買采摘機(jī) 高昂的使用維護(hù)成本會(huì)使茶農(nóng)的種 植收益大打折扣 針對(duì)這種狀況 本文主要以山茶采摘平臺(tái)作為研究對(duì)象 目標(biāo)是提 高采摘工作效率 降低茶農(nóng)成本 提高利潤 2 山茶采摘平臺(tái)行走控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是用先進(jìn)的機(jī)械化來替代繁重且低效益的 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式 使農(nóng)民采摘作業(yè)的更高效 更科學(xué)化 更省力 利用山茶采摘平臺(tái)行 走控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)果實(shí)成熟時(shí)采摘的機(jī)械化 智能化 極大地提高了采摘的工作效率 降低了人工作業(yè)的工作強(qiáng)度 1 2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 收獲作業(yè)的自動(dòng)化和機(jī)器人的研究始于 20 世紀(jì) 60 年代的美國 1968 年 采用的 4 收獲方式主要是機(jī)械震搖式和氣動(dòng)震搖式 其缺點(diǎn)是果實(shí)易損 效率不高 特別是無 法進(jìn)行選擇性的收獲 從 20 世紀(jì) 80 年代中期開始 隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā) 展 特別是工業(yè)機(jī)器人技術(shù) 計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)和人工智能技術(shù)的日益成熟 以日 本為代表的西方發(fā)達(dá)國家 包括荷蘭 美國 法國 英國 以色列 西班牙等國家 在收獲采摘機(jī)器人的研究上做了大量的工作 試驗(yàn)成功了多種具有人工智能的收獲采 摘機(jī)器人 如番茄采摘機(jī)器人 葡萄采摘機(jī)器人 黃瓜收獲機(jī)器人 西瓜收獲機(jī)器人 甘藍(lán)采摘機(jī)器人和蘑菇采摘機(jī)器人等 1 機(jī)器人可能成為美國農(nóng)場的重要組成部分 由于美國政府采取了更加嚴(yán)格的邊境管理政策 一些依靠外來移民勞動(dòng)力的農(nóng)場 主正將他們的視野轉(zhuǎn)向一種正在發(fā)展中的新一代摘果機(jī)器人 此類機(jī)器人可以從事從 采集釀酒用的葡萄直至清洗和摘取萵苣心的工作 目前這類機(jī)器人正處于全面發(fā)展 時(shí)期 將成為收獲精致水果和蔬菜的基本工具 目前這些工作仍由手工完成 圣地亞 哥視覺機(jī)器人技術(shù)發(fā)明者德里克莫里卡瓦認(rèn)為 新采摘機(jī)器人要依靠先進(jìn)的運(yùn)算能力 和液壓技術(shù) 使機(jī)器手臂和手指具有近似于人手靈敏度的能力 現(xiàn)代成像技術(shù)同樣也 使機(jī)器能夠識(shí)別和挑選各種品質(zhì)的水果和蔬菜 方法就是將一臺(tái)機(jī)械化掃描機(jī)器送入 果園 裝備有數(shù)字成像技術(shù)設(shè)備的機(jī)器人能夠生成一張三維地圖 顯示位置 成熟度 和水果質(zhì)量 一臺(tái)采摘機(jī)器人按照這些畫面 使用他們的長機(jī)械臂仔細(xì)地采集成熟了 的水果 加州柑橘研究委員會(huì)和華盛頓蘋果委員會(huì)合作開發(fā)一種水果采摘機(jī)器人 上 個(gè)月研究人員對(duì)原型機(jī)進(jìn)行了檢測 但是距離真正的廣泛商業(yè)應(yīng)用還有很長的路要走 另外 加州州立大學(xué)弗雷斯諾分校一個(gè)葡萄酒專家小組正在研制一種自動(dòng)采摘機(jī)器人 目的是使葡萄酒業(yè)實(shí)現(xiàn)更多的機(jī)械化 該新技術(shù)包括一種稱之為近紅外線分光計(jì)的裝 置 它可以在采摘之前檢測葡萄樣品中的糖含量和化學(xué)成分 然后利用這些數(shù)據(jù)繪制 一幅全球定位系統(tǒng)地圖 收割機(jī)器人可以使用這些地圖進(jìn)行導(dǎo)航 在葡萄園中采摘特 定的理想成熟葡萄串 位于薩利納斯山谷的拉姆齊黑藍(lán)德公司銷售能夠部分自動(dòng)使用 帶狀鋸或水刀的機(jī)器人 機(jī)器人從地面收割萵苣 并將萵苣進(jìn)行裝箱 以便清洗和加 工 該公司首席執(zhí)行官弗蘭克梅肯納奇稱 拉姆齊黑藍(lán)德公司開發(fā)的一種新機(jī)器模型 已接近完工 這種新機(jī)器人可以采摘 清洗 取心和對(duì)萵苣和其他綠色蔬菜進(jìn)行打包 2 日本的果蔬采摘機(jī)器人 自 1983 年第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人在美國誕生以來 采摘機(jī)器人的研究和開發(fā) 歷經(jīng) 20 多年 日本和歐美等國家相繼立項(xiàng)研究采摘蘋果 柑桔 西紅柿 西瓜和葡 5 萄等智能機(jī)器人 目前 日本在水果采摘機(jī)器人領(lǐng)域中研究頗豐 其研究出的采摘機(jī) 器人主要有以下幾類 西紅柿采摘機(jī)器人 1 日本 Kondo N 等人研制的西紅柿收獲機(jī)器人 由機(jī)械手 末端執(zhí)行器 視覺傳 感器和移動(dòng)機(jī)構(gòu)等組成 西紅柿一簇可長 4 6 個(gè)果實(shí) 各個(gè)果實(shí)不一定是同時(shí)成熟 并且果實(shí)有時(shí)被葉莖擋住 收獲時(shí)要求機(jī)械手活動(dòng)范圍大 能避開障礙物 所以機(jī)器 人的采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)成具有 7 自由度 能夠形成指定的采摘姿態(tài)進(jìn)行采摘 末端執(zhí)行 器由兩個(gè)機(jī)械手指和一個(gè)吸盤組成 視覺傳感器主要由彩色攝 像機(jī)來尋找和識(shí)別成 熟果實(shí) 利用雙目視覺方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行定位 移動(dòng)機(jī)構(gòu)采用 4 輪結(jié)構(gòu) 能在壟間自動(dòng) 行走 采摘時(shí) 移動(dòng)機(jī)構(gòu)行走一定的距離后 就進(jìn)行圖像采集 利用視覺系統(tǒng)檢測出 果實(shí)相對(duì)機(jī)械手坐標(biāo)系的位置信息 判斷西紅柿是否在收獲的范圍之內(nèi) 若可以收獲 則控制機(jī)械手靠近并摘取果實(shí) 吸盤把果實(shí)吸住后 機(jī)械手指抓住果實(shí) 然后通過機(jī) 械手的腕關(guān)節(jié)擰下果實(shí) 草莓采摘機(jī)器人 2 Kondo N 等人還針對(duì)草莓的不同栽培模式 高架栽培模式和傳統(tǒng)模式 研制出了相 應(yīng)的采摘機(jī)器人 高架栽培模式由于適合機(jī)器人作業(yè)被越來越多地采用 該機(jī)器人采 用 5 自由度采摘機(jī)械手 視覺系統(tǒng)與西紅柿采摘機(jī)器人類似 末端執(zhí)行器采用真空系 統(tǒng)加螺旋加速切割器 收獲時(shí) 由視覺系統(tǒng)計(jì)算采摘目標(biāo)的空間位置 接著采摘機(jī)械 手移動(dòng)到預(yù)定位置 末端執(zhí)行器向下移動(dòng)直到把草莓吸入 由 3 對(duì)光電開關(guān)檢測草莓 的位置 當(dāng)草莓位于合適的位置時(shí) 腕關(guān)節(jié)移動(dòng) 果梗進(jìn)入指定位置 由螺旋加速驅(qū) 動(dòng)切割器旋轉(zhuǎn)切斷果梗 完成采摘 黃瓜采摘機(jī)器人 3 黃瓜采摘機(jī)器人 采用 6 自由度的機(jī)械手 能在傾斜棚支架下工作 這種支架栽 培方式是專門為機(jī)械化采摘而設(shè)計(jì) 黃瓜果實(shí)在傾斜棚的下側(cè) 便于黃瓜與莖葉分離 使檢測與采摘更容易 在攝像機(jī)前加了濾波片 根據(jù)黃瓜的光譜反射特性來識(shí)別黃瓜 其末端執(zhí)行器上裝有果梗探測器 切割器和機(jī)械手指 采摘時(shí)由機(jī)械手指抓住黃瓜后 果梗探測器尋找果梗 然后切割器切斷果梗 功能葡萄采摘機(jī)器人 4 葡萄采摘機(jī)器人采用 5 自由度的極坐標(biāo)機(jī)械手 末端的臂可以在葡萄架下水平勻 速運(yùn)動(dòng) 視覺傳感器一般采用彩色攝像機(jī) 采用 PSD 三維視覺傳感器效果更好些 可 以檢測成熟果實(shí)及其距離信息的三維信息 在開放式的種植方式下 由 于采摘季節(jié) 6 太短 單一的采摘功能使得機(jī)器人的使用效率太低 因此開發(fā)了多種末端執(zhí)行器 如 分別用于采摘和套袋的末端執(zhí)行器 裝在機(jī)械手末端的噴嘴等 用于葡萄采摘的末 端執(zhí)行器有機(jī)械手指和剪刀 采摘時(shí) 用機(jī)械手指抓住果房 用剪刀剪斷穗柄 除了 以上介紹的幾種類型的采摘機(jī)器人 日本還開發(fā)了用于柑橘采摘 蘑菇和西瓜收獲等 的機(jī)器人 目前 果蔬采摘機(jī)器人的智能水平還很有限 離實(shí)用化和商品化還有一定 的距離 主要存在的問題 一是果實(shí)的識(shí)別率和采摘率不高 損傷率較高 二是果實(shí) 的平均采摘周期較長 三是采摘機(jī)器人制造成本較高 隨著傳感器及計(jì)算機(jī)視覺等技 術(shù)的發(fā)展 果蔬采摘機(jī)器人的研究還需在以下幾個(gè)方面進(jìn)行努力 一是要找到一種可 靠性好 精度高的視覺系統(tǒng)技術(shù) 能夠檢測出所有成熟果實(shí) 精確對(duì)其定位 二是提 高機(jī)械手和末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)柔性和靈巧性 成功避障 提高采摘的成功率 降低果 實(shí)的損傷率 三是要提高采摘機(jī)器人的通 用性 提高機(jī)器人的利用率 3 荷蘭的黃瓜采摘機(jī)器人 1996 年 荷蘭農(nóng)業(yè)環(huán)境工程研究所 MAG 研制出一種多功能黃瓜收獲機(jī)器 2 人 該研究在荷蘭 2hm 的溫室里進(jìn)行 黃瓜按照標(biāo)準(zhǔn)的園藝技術(shù)種植并把它培養(yǎng)為高拉線 纏繞方式吊掛生長 該機(jī)器人利用近紅外視覺系統(tǒng)辨識(shí)黃瓜果實(shí) 并探測它的位置 機(jī)械手只收獲成熟黃瓜 不損傷其他未成熟的黃瓜 采摘通過 末端執(zhí)行器來完成 它由手爪和切割器構(gòu)成 機(jī)械手安裝在行走車上 行走車為機(jī)械手的操作和采摘系統(tǒng) 初步定位 機(jī)械手有 7 個(gè)自由度 采用三菱公司 Mitsubishi RV E26 自由度機(jī)械手 另外在底座增加了一個(gè)線性滑動(dòng)自由度 收獲后黃瓜的運(yùn)輸由一個(gè)裝有可卸集裝箱 的自走運(yùn)輸車完成 整個(gè)系統(tǒng)無人工干預(yù)就能在溫室工作 試驗(yàn)結(jié)果為工作速度 10s 根 在實(shí)驗(yàn)室中效果良好 但由于制造成本和適應(yīng)性的制約 還不能滿足商用的要求 4 英國的蘑菇采摘機(jī)器人 英國 Silsoe 研究院研制了蘑菇采摘機(jī)器人 它可以自動(dòng)測量蘑菇的位置 大小 并選擇性地采摘和修剪 它的機(jī)械手包括 2 個(gè)氣動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié)和 1 個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的旋 轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 末端執(zhí)行器是帶有軟襯墊的吸引器 視覺傳感器采用 TV 攝像頭 安裝在頂 部用來確定蘑菇的位置和大小 采摘成功率在 75 左右 采摘速度為 617 個(gè) s 生長 傾斜是采摘失敗的主要原因 如何根據(jù)圖像信息調(diào)整機(jī)器手姿態(tài)動(dòng)作來提高成功率和 采用多個(gè)末端執(zhí)行器提高生產(chǎn)率是亟待解決的問題 3 5 國內(nèi)研究進(jìn)展 在國內(nèi) 果蔬采摘機(jī)器人的研究剛剛起步 東北林業(yè)大學(xué)的陸懷民研制了林木球 7 果采摘機(jī)器人 主要由 5 自由度機(jī)械手 行走機(jī)構(gòu) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和單片機(jī)控制系統(tǒng) 組成 采摘時(shí)機(jī)器人停在距離母樹 3 5m 操縱機(jī)械手回轉(zhuǎn)馬達(dá)對(duì)準(zhǔn)母樹 然后 單 片機(jī)控制系統(tǒng)控制機(jī)械手大 小臂同時(shí)柔性升起達(dá)到一定高度 采摘爪張開并擺動(dòng) 對(duì)準(zhǔn)要采集的樹枝 大小臂同時(shí)運(yùn)動(dòng) 使采摘爪沿著樹枝生 長方向趨近 1 5 2m 然 后采摘爪的梳齒夾攏果枝 大小臂帶動(dòng)采集爪按原路向后返回 梳下枝上球果 完成 一次采摘 這種機(jī)器人效率是 500 kg 天 是人工 的 30 50 倍 而且 采摘時(shí)對(duì)母 樹的破壞較小 采凈率高 另外 郭峰等運(yùn)用彩色圖像處理技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論 開 發(fā)了草莓揀選機(jī)器人 采用氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器將草莓推到不同的等級(jí)方向 浙江大學(xué)的應(yīng)義 斌等完成了水果自動(dòng)分級(jí)機(jī)器人的研究開發(fā) 趙杰文等研究了基于 HIS 顏色特征的田 間成熟番茄識(shí)別技術(shù) 該方法對(duì)田間成熟番茄之間相互分離的情況有很好的識(shí)別效果 梁喜鳳等為分析并改善番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)特性進(jìn)行了番茄收獲機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu) 化與仿真試驗(yàn) 取得了較好的效果 2 2 山茶采摘平臺(tái)創(chuàng)意設(shè)計(jì)與方案 2 1 采摘機(jī)器人一般組成 采摘機(jī)器人一般由執(zhí)行機(jī)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)裝置 檢測裝置和控制系統(tǒng)和復(fù)雜機(jī)械等組成 執(zhí)行機(jī)構(gòu)即機(jī)器人本體 其臂部一般采用空間開鏈連桿機(jī)構(gòu) 其中的運(yùn)動(dòng)副 轉(zhuǎn)動(dòng)副 或移動(dòng)副 常稱為關(guān)節(jié) 關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)通常即為機(jī)器人的自由度數(shù) 根據(jù)關(guān)節(jié)配置型式和 運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)形式的不同 機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)可分為直角坐標(biāo)式 圓柱坐標(biāo)式 極坐標(biāo)式和 關(guān)節(jié)坐標(biāo)式等類型 驅(qū)動(dòng)裝置是驅(qū)使執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu) 按照控制系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào) 借助于動(dòng) 力元件使機(jī)器人進(jìn)行動(dòng)作 它輸入的是電信號(hào) 輸出的是線 角位移量 機(jī)器人使用 的驅(qū)動(dòng)裝置主要是電力驅(qū)動(dòng)裝置 如步進(jìn)電機(jī) 伺服電機(jī)等 此外也有采用液壓 氣 動(dòng)等驅(qū)動(dòng)裝置 檢測裝置的作用是實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及工作情況 根據(jù)需要反饋給控制系 統(tǒng) 與設(shè)定信息進(jìn)行比較后 對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整 以保證機(jī)器人的動(dòng)作符合預(yù)定的 要求 控制系統(tǒng)有兩種方式 一種是集中式控制 即機(jī)器人的全部控制由一臺(tái)微型計(jì)算 機(jī)完成 另一種是分散式控制 即采用多臺(tái)微機(jī)來分擔(dān)機(jī)器人的控制 如當(dāng)采用上 下兩級(jí)微機(jī)共同完成機(jī)器人的控制時(shí) 主機(jī)常用于負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理 通訊 運(yùn)動(dòng)學(xué)和 動(dòng)力學(xué)計(jì)算 并向下級(jí)微機(jī)發(fā)送指令信息 作為下級(jí)從機(jī) 各關(guān)節(jié)分別對(duì)應(yīng)一個(gè) 8 CPU 進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算和伺服控制處理 實(shí)現(xiàn)給定的運(yùn)動(dòng) 并向主機(jī)反饋信息 2 2 山茶采摘平臺(tái)設(shè)計(jì)方案 對(duì)于智能可升降式移動(dòng)平臺(tái)來說 其主要性能是平臺(tái)運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性 準(zhǔn)確 性 安全性以及可操作性 通過學(xué)習(xí)和總結(jié)以往的各種產(chǎn)品 擬定了采摘平臺(tái)的設(shè)計(jì) 方案如下 1 移動(dòng)底盤采用自主研究設(shè)計(jì)的山地行走系統(tǒng)用全向履帶 使采摘平臺(tái)適用于 山區(qū)地形 而且在坡地行走的轉(zhuǎn)向過程中無需調(diào)整履帶的朝向 降低了操作的復(fù)雜度 提高了行走的穩(wěn)定性 2 升降機(jī)構(gòu)采用行星齒輪嚙合折疊式升降結(jié)構(gòu) 其具有升降平穩(wěn)準(zhǔn)確 運(yùn)輸狀 態(tài)尺寸小 安全可靠等優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)緊湊使其生產(chǎn)作業(yè)輕松自如 3 控制系統(tǒng)主控芯片采用 STM32 系列 其芯片高性能 低成本 低功耗的嵌入 式應(yīng)用等特點(diǎn) 在復(fù)雜的作業(yè)中更穩(wěn)定和實(shí)用以及方便工業(yè)方面的改裝 2 3 研制概要 課題要求設(shè)計(jì)山茶采摘平臺(tái) 目的是減輕人工的勞動(dòng)強(qiáng)度 提高工作效率 系統(tǒng) 主要包含以下內(nèi)容 1 采摘平臺(tái)的底盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求結(jié)合山茶生長區(qū)的地域特點(diǎn) 設(shè)計(jì)適合于該地 形行走的底盤結(jié)構(gòu) 并且具有較強(qiáng)的負(fù)載能力 2 采摘平臺(tái)的升降結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 要求結(jié)合山茶樹的外形尺寸特征 設(shè)計(jì)具有一定行 程的升降系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)采摘平臺(tái)的上升與下降 以達(dá)到方便采摘山茶的目的 3 采摘平臺(tái)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 結(jié)合各單元的機(jī)械結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的電氣控制 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)動(dòng)作的控制 3 山茶采摘平臺(tái)機(jī)械設(shè)計(jì) 3 1 底盤的設(shè)計(jì) 3 1 1 基于 45 全向輪的分析 作為移動(dòng)機(jī)器人而開發(fā)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)種類已相當(dāng)繁多 僅就地面移動(dòng)而言 移動(dòng)機(jī) 構(gòu)就有車輪式 履帶式 腿腳式 軀干式等多種形式 其中全方位輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)無需 車體做出任何轉(zhuǎn)動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)任意方向的移動(dòng) 并且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度 運(yùn)動(dòng)非常 靈活 可沿平面上任意連續(xù)軌跡走到要求的位置 1 單個(gè)輥?zhàn)拥倪\(yùn)動(dòng)原理 45 全向輪外形像一個(gè)斜齒輪 輪齒是能夠轉(zhuǎn)動(dòng)的鼓形輥?zhàn)?輥?zhàn)拥妮S線與輪的 軸線成 角度 這樣的特殊結(jié)構(gòu)使得輪體具備了三個(gè)自由度 繞輪軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和沿輥?zhàn)?9 軸線垂線方向的平動(dòng)和繞輥?zhàn)优c地面接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng) 這樣 驅(qū)動(dòng)輪在一個(gè)方向上具有 主動(dòng)驅(qū)動(dòng)能力的同時(shí) 另外一個(gè)方向也具有自由移動(dòng) 被動(dòng)移動(dòng) 的運(yùn)動(dòng)特性 輪子 的圓周不是由普通的輪胎組成 而是分布了許多小滾筒 這些滾筒的軸線與輪子的圓 周相切 并且滾筒能自由旋轉(zhuǎn) 當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)時(shí) 車輪以普通方式沿著垂直于 驅(qū)動(dòng)軸的方向前進(jìn) 同時(shí)車輪周邊的輥?zhàn)友刂涓髯缘妮S線自由旋轉(zhuǎn) 圖1為45 全 向輪的各結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)參量 圖 1 45 全向輪運(yùn)動(dòng)參量的定義 Fig 1 45 Omni wheel movement marameters of the definition 2 全方位輪協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)原理 圖 2 為采用全方位移動(dòng)機(jī)構(gòu)的車輪組合情況 輪中的小斜線表示觸地輥?zhàn)拥妮S線 方向 每個(gè)全方位輪都由一臺(tái)直流電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng) 通過四個(gè)全方位輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向適當(dāng) 組合 可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在平面上三自由度的全方位移動(dòng) 4 個(gè)全方位輪組成的機(jī)器人 底座的力分析如圖 其中 f 為輪子滾動(dòng)時(shí)小輥?zhàn)邮艿捷S向的摩擦力 F 為小輥?zhàn)幼鰪?動(dòng)滾動(dòng)時(shí)受到的滾動(dòng)摩擦力 為各輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度 4 10 圖 2 組合運(yùn)動(dòng)圖 Fig 2 Combined motion map 四邊形底盤 動(dòng)力輪分布在底盤的四個(gè)方向兩兩同軸且相互垂直 輪心到 P 底盤重 心 O 的距離都等于 a 如下圖所示 假設(shè)每個(gè)輪子與地面的摩擦力分別為 f1 f2 f3 f4 按照力學(xué)公式推導(dǎo)如下 圖 3四邊形底盤分析 Fig 3 Chassis Of Quadrilateral Fx f1 f3 Fy f2 f4 Mo f1 a f2 a f3 a f14 a 當(dāng) f1 f3 f1 與 f3 方向相同 f2 f4 0 此時(shí)機(jī)器人向 X 方向運(yùn)動(dòng) 1 當(dāng) f2 f4 f2 與 f4 方向相同 f1 f2 0 此時(shí)機(jī)器人向 Y 方向運(yùn)動(dòng) 2 f1 f2 f3 f4 f1 與 f3 方向相反 f2 與 f4 方向相反時(shí)此時(shí)機(jī)器人原地旋轉(zhuǎn) 3 11 f1 f3 F1 f2 f4 F2 F1 方向與 F2 相反 此時(shí)機(jī)器人向 F1 與 F2 的合力方向 4 移動(dòng) 3 45 全向輪的參數(shù)設(shè)計(jì) 假設(shè)圖 4 中所示的圓柱是全方位輪的理論設(shè)計(jì)圓柱 曲線 AB 是輪子滾動(dòng)時(shí)輥?zhàn)?與地面的接觸線 曲線 AB 是等速螺旋線 曲線 AB 繞直線 AB 旋轉(zhuǎn)一周就形成了全 方位輪輥?zhàn)拥那?圖 4 輥?zhàn)由蓤D 5 Fig 4 Roller generated map 由上述模型設(shè)計(jì)如下參數(shù) 輥?zhàn)幼钚《税霃?rmin mm 輥?zhàn)虞喞先我庖稽c(diǎn)相對(duì)于 AB 的距離 及其最大值 max mm 和最小值 min mm 由前面的推導(dǎo)知道 min r min 輥?zhàn)幼畲蟀霃?rmax max 輥?zhàn)虞S線與輪子 Z 軸的夾角 rad 輥?zhàn)虞S線與輪子 Z 軸的最小距離 Smin mm 輥?zhàn)拥臄?shù)目 N 輥?zhàn)拥拈L度 l mm 輪子的實(shí)際寬度 b mm 4 模型分析 6 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型是全方位輪協(xié)調(diào)無碰運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)規(guī)劃的理論依據(jù) 而動(dòng)力學(xué)模型是研 究動(dòng)態(tài)環(huán)境下的實(shí)際時(shí)變運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題的基礎(chǔ) 運(yùn)動(dòng)學(xué)建?？梢詮睦碚撋献C明全方位 輪是如何協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位運(yùn)動(dòng)的 并且為進(jìn)一步建立動(dòng)力學(xué)模型提供基礎(chǔ) 12 本文作了三個(gè)合理的假設(shè) 忽略本體及輥?zhàn)拥娜嵝?1 忽略工作場地的不規(guī)則 即四個(gè)全方位輪能同時(shí)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 2 全方位輪與工作面有足夠大的摩擦力 輪體不存在打滑現(xiàn)象 3 首先設(shè)定移動(dòng)機(jī)器人的幾個(gè)不同坐標(biāo)系 推導(dǎo)不同坐標(biāo)系間的變換關(guān)系進(jìn)而求輪 體雅可比矩陣 并求出運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的正逆問題最小二乘解 在運(yùn)動(dòng)學(xué)基礎(chǔ)上 求輪體 復(fù)合系統(tǒng)在固定坐標(biāo)系中的加速度及加速度能 并求出動(dòng)力學(xué)正逆問題解 為全方位 移動(dòng)機(jī)器人的進(jìn)一步研究提供理論模型 7 圖 5 山茶采摘平臺(tái)移動(dòng)底盤 Fig 5 Molile chassis of the camellia picking platform 3 1 2 一種山地行走系統(tǒng)用全向履帶 行走系統(tǒng)可分為輪式和履帶式兩大類 輪式行走裝置的特點(diǎn)是功耗低 較機(jī)動(dòng) 但是通過性能比履帶式差 履帶式的特點(diǎn)則是與地面接觸面積大 通過能力強(qiáng) 且履 帶式行走裝置可利用履帶的差速實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎 轉(zhuǎn)彎半徑小 甚至是原地轉(zhuǎn)彎 但目前履 帶行走裝置在使用的過程中存在兩個(gè)較嚴(yán)重的缺點(diǎn) 一是轉(zhuǎn)向時(shí)由于與地面接觸面積 大摩擦力大 所以功率消耗大 零件易磨損 二是在改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)需要調(diào)整履帶的 朝向 增加了操作的復(fù)雜性 1 一種全向履帶 可實(shí)現(xiàn)履帶不同角度橫向平移的履帶 其特征在于 所述全 向履帶具有 履帶主體 其由履帶板和履帶銷組成 履帶銷將履帶板連接起來構(gòu)成履 帶鏈環(huán) 履帶板中間有孔 與主動(dòng)輪嚙合 每塊履帶板兩側(cè)各安裝一個(gè)轂輪 轂輪通 過軸和軸承安裝在履帶板上 可以靈活的轉(zhuǎn)動(dòng) 13 2 根據(jù)所述的全向履帶 其中履帶板兩側(cè)的輪轂平行排列 轂輪的中心軸與傳 動(dòng)軸線空間所成夾角為 0 90 度 綜上分析 這種無需調(diào)整履帶朝向便可實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)向的全向履帶尤其適用于山區(qū) 地形的果園采摘平臺(tái) 它即具有履帶的通過性強(qiáng)的特點(diǎn)適合山地坡地行走 而且在坡 地行走的轉(zhuǎn)向過程中無需調(diào)整履帶的朝向 降低了操作的復(fù)雜度 提高了行走的穩(wěn)定 性 其效果是電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)履帶鏈環(huán)運(yùn)動(dòng) 在兩側(cè)履帶鏈環(huán)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差時(shí) 會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 由于本發(fā)明的履帶板上安裝有轂輪 所以此刻履帶的轉(zhuǎn)向無需改變 朝向 適合安裝于農(nóng)業(yè)用作業(yè)機(jī)械 土木用作用機(jī)械或建設(shè)用作用機(jī)械等行駛車輛的 全向履帶 我們結(jié)合輪式底盤和履帶式底盤的優(yōu)點(diǎn)和使用條件 決定用我們自主研究 設(shè)計(jì)的全向履帶作為山茶采摘平臺(tái)的移動(dòng)底盤 3 2 升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 升降機(jī)構(gòu)可以選擇絲桿 導(dǎo)軌 滑塊 直線滑軌式和直線軸承式等機(jī)構(gòu) 并且我 和指導(dǎo)老師也同時(shí)討論了這幾種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案 但為了滿足實(shí)驗(yàn)的要求 必須穩(wěn)定 可靠 速度快 動(dòng)作準(zhǔn)確 方便控制等特點(diǎn) 在指導(dǎo)教師的組織下 我進(jìn)行了多次選 擇和分析 1 采用直線軸承式升降 是一種以低成本生產(chǎn)的直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 用于無限行程與 圓柱軸配合使用 由于承載球與軸呈點(diǎn)接觸 故使用載荷小 鋼球以極小的摩擦阻力 旋轉(zhuǎn) 從而能獲得高精度的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng) 直線軸承是與淬火直線傳動(dòng)軸配合使用 作無 限直線運(yùn)動(dòng)的系統(tǒng) 負(fù)荷滾珠和淬火傳動(dòng)軸因?yàn)槭屈c(diǎn)接觸 容許載荷較小 但直線運(yùn) 動(dòng)時(shí) 摩擦阻力最小 精度高 運(yùn)動(dòng)快捷 2 采用同步帶傳輸動(dòng)力 同步帶是以鋼絲繩或玻璃纖維為強(qiáng)力層 外覆以聚氨酯 或氯丁橡膠的環(huán)形帶 帶的內(nèi)周制成齒狀 使其與齒形帶輪嚙合 同步帶傳動(dòng)時(shí) 傳 動(dòng)比準(zhǔn)確 對(duì)軸作用力小 結(jié)構(gòu)緊湊 耐油 耐磨性好 抗老化性能好 對(duì)于要求同步 的傳動(dòng) 也可用于低速傳動(dòng) 同步帶傳動(dòng)是由一根內(nèi)周表面設(shè)有等間距齒形的環(huán)行 帶及具有相應(yīng)吻合的輪所組成 它綜合了帶傳動(dòng) 鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)各自的優(yōu)點(diǎn) 轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí) 通過帶齒與輪的齒槽相嚙合來傳遞動(dòng)力 傳輸?shù)耐綆鲃?dòng)具有準(zhǔn)確的傳動(dòng)比 無滑差 可獲得恒定的速比 傳動(dòng)平穩(wěn) 能吸振 噪音小 傳動(dòng)比范圍大 傳動(dòng)效率 高 結(jié)構(gòu)緊湊 適宜于多軸傳動(dòng) 不需潤滑 無污染 因此可在不允許有污染和工作 環(huán)境較為惡劣的場所下正常工作 3 絲桿傳輸動(dòng)力 絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng) 或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn) 運(yùn)動(dòng)的一種傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 典型的絲杠由螺桿 螺母和滾珠組成 它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 14 轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng) 這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展 這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸 承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作 由于具有很小的摩擦阻力 絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè) 設(shè)備和精密儀器 4 行星齒輪傳輸動(dòng)力 行 星 齒 輪 在 一 對(duì) 互 相 嚙 合 的 齒 輪 中 有 一 個(gè) 齒 輪 作 為 主 動(dòng) 輪 動(dòng) 力 從 它 那 里 輸 入 另 一 個(gè) 齒 輪 作 為 從 動(dòng) 輪 動(dòng) 力 從 它 輸 出 行 星 齒 輪 傳 動(dòng) 的 主 要 特 點(diǎn) 是 體 積 小 承 載 能 力 大 工 作 平 穩(wěn) 綜上分析幾種升降機(jī)構(gòu)都可以實(shí)現(xiàn)任務(wù)要求 進(jìn)行就效率和質(zhì)量優(yōu)劣分析可知道 直線滑軌式的優(yōu)點(diǎn) 精度高 可自制 弊端 價(jià)格昂貴 重量較重 1 絲桿傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 簡單 成本低廉 傳動(dòng)力大 弊端 傳動(dòng)緩慢 需要軟件 2 算法提高精度 同步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 精度高 有瞬時(shí)傳動(dòng)比質(zhì)量輕 3 行星齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn) 體 積 小 承 載 能 力 大 工 作 平 穩(wěn) 弊端 需要軟件算 4 法提高精度 需要定制 由于實(shí)驗(yàn)要求在較短的時(shí)間內(nèi)完成升降動(dòng)作 升降精度要求高 所以我選擇行星 齒輪折疊式升降機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)的方式來實(shí)現(xiàn)升降動(dòng)作 圖 5 所示為用于比賽的收集機(jī)器人 其上升下降機(jī)構(gòu)為采摘平臺(tái)的升降機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?圖 6 升降結(jié)構(gòu) 收集機(jī)器人 Fig 6 Lifting stucture Collection of robots 15 行星齒輪折疊式升降機(jī)構(gòu)各齒輪參數(shù)如下 大齒輪 太陽輪 的參數(shù) 模數(shù) M 1 75 齒數(shù) Z 320 壓力角 20 齒點(diǎn)高系數(shù) ha 1 齒頂間隙數(shù) c 0 25 升降齒輪的參數(shù) 模數(shù) M 1 75 齒數(shù) Z 160 壓力角 20 齒點(diǎn)高系數(shù) ha 1 齒頂間隙數(shù) c 0 25 選定小齒輪類型 精度等級(jí) 齒輪材料及齒數(shù) 1 考慮此減速器的功率及現(xiàn)場安裝限制 故大小齒輪都選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng) 2 升降運(yùn)動(dòng)速度不高 故選用八級(jí)精度 GB T10095 1998 3 小齒輪材料選用 45Cr 調(diào)質(zhì) 齒面硬度為小齒輪 280HBS 大齒輪材料為 45 鋼 調(diào)質(zhì) 硬度為 240HBS 4 選小齒輪齒數(shù) 17 Z 初步設(shè)計(jì)小齒輪傳動(dòng)的主要尺寸 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 2131 2 HEdt uKTd 確定各參數(shù)的值 1 試選 1 6t 2 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 mNnPT 950160 5 905 911 3 由 16 表 10 7 查得 1d 4 由 16 表 10 6 得材料的彈性影響系數(shù) 189 8 EZ2 1Mpa 5 齒輪的疲勞強(qiáng)度極限 16 由 16 圖 10 21d 查小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度 大齒輪的接觸疲勞Mpa601lim 強(qiáng)度 MPa501lim 6 由 16 公式 10 13 計(jì)算應(yīng)力值環(huán)數(shù) N 60n j 60 160 1 8 300 10 hL 2 304 10 h8 N 60n j 60 14 1 8 300 10 21 2 016 10 h 7 7 查 16 圖 10 19 取接觸疲勞壽命系數(shù) K 0 90 K 0 931 2 8 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1 安全系數(shù) S 1 由 16 公式 10 12 得 0 90 600 540 H 1SHN1limMPa 0 93 550 511 5 2KN2li 許用接觸應(yīng)力 papaHH 75 225 140 21 綜上計(jì)算主動(dòng)小齒輪 行星輪 的參數(shù) 模數(shù) M 1 75 齒數(shù) Z 17 壓力角 20 齒點(diǎn)高系數(shù) ha 1 齒頂間隙數(shù) c 0 25 4 機(jī)器人電路硬件電路設(shè)計(jì) 4 1 系統(tǒng)原理框圖 系統(tǒng)工作原理 系統(tǒng)核心 CPU 為 STM32 其中電源電路給 STM32 提供 3 3V 正常工作電 壓 按鍵電路通過改變其輸入引腳的電平信號(hào) 并通過 CPU 處理來提供所需要的輸出 信號(hào) STM32 的定時(shí)器輸出 PWM 信號(hào)給伺服器 從而達(dá)到對(duì)伺服電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速 的控制 STM32電 源 電 路按 鍵 電 路 伺 服 器 伺 服 電 機(jī) 17 圖 7 系統(tǒng)原理框圖 Fig 7 System block diagram 4 2 機(jī)器人主控制板結(jié)構(gòu)及說明 山茶采摘平臺(tái)能完成控制 運(yùn)算速度 定位精確和可靠性等要求 以及在復(fù)雜的 作業(yè)中更穩(wěn)定和實(shí)用以及工業(yè)方面的改裝 我選擇芯片 STM32 STM32 系列基于專為要求高性能 低成本 低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM Cortex M3 內(nèi)核 按性能分成兩個(gè)不同的系列 STM32F103 增強(qiáng)型 系列和 STM32F101 基本型 系列 增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz 是同類產(chǎn)品中性能最高 的產(chǎn)品 基本型時(shí)鐘頻率為 36MHz 以 16 位產(chǎn)品的價(jià)格得到比 16 位產(chǎn)品大幅提升的 性能 是 16 位產(chǎn)品用戶的最佳選擇 兩個(gè)系列都內(nèi)置 32K 到 128K 的閃存 不同的是 SRAM 的最大容量和外設(shè)接口的組合 時(shí)鐘頻率 72MHz 時(shí) 從閃存執(zhí)行代碼 STM32 功 耗 36mA 是 32 位市場上功耗最低的產(chǎn)品 相當(dāng)于 0 5mA MHz STM32F 系列屬于中等 容量增強(qiáng)型 32 位基于 ARM 核心的帶 64 或者 128K 字節(jié)閃存的微控制器 USB CAN 7 個(gè) ADC 9 個(gè)通信接口 4 2 1 最小系統(tǒng) 如下圖所示是 STM32 的最小工作系統(tǒng)原理圖 18 圖 8 最小系統(tǒng) Fig 8 Minimum system 4 2 2 主控板硬件實(shí)物圖 圖 9 控制板實(shí)物圖 Fig 9 Physical map panel 此電路板為 HY STM32 學(xué)習(xí)板 其硬件資源豐富包括 STM32 最小系統(tǒng) 適配 器電源座 復(fù)位電路 獨(dú)立的按鍵 RS232 和串口 MAX232 以及 20PinJLINK 仿真調(diào) 試接口等 4 3 電源模塊 為了系統(tǒng)的穩(wěn)定性 系統(tǒng)電源采用兩節(jié) 12V 輸出的鋰電池串聯(lián) 給伺服電機(jī)提供 24V 的工作電壓 同時(shí)通過圖 9 所示電路把 24V 轉(zhuǎn)為 5V 為伺服器提供一個(gè)穩(wěn)定的 5V 工作電壓 19 圖 10 24V 轉(zhuǎn) 5V電源電路圖 Fig 10 24V to turn the 5V power supply circuit STM32 使用的是 3 3V 電源 8 對(duì)電源要求很高 過大的電源噪聲很容易使得程 序跑飛或者芯片燒毀 使用 LM117 3 3 穩(wěn)壓芯片 9 能很好的解決這一問題如下圖所示 是該電源模塊的原理圖 圖 11 STM32 電源模塊 Fig 11 Power module 4 4 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 其設(shè)計(jì)中 采用了 DCS3810 全數(shù)字直流伺服驅(qū)動(dòng)器 10 采用專用運(yùn)動(dòng)控制 DSP 和 高效 MOSFET 等先進(jìn)技術(shù) 控制指令信號(hào)與步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器兼容 用戶不用更換控制器 就可將所用的步進(jìn)驅(qū)動(dòng)升級(jí)為全數(shù)字直流伺服驅(qū)動(dòng) 由 DCS810 組成的小功率運(yùn)動(dòng)控 制系統(tǒng)在速度 精度 噪聲和低速平穩(wěn)性等方面達(dá)到甚至超越數(shù)字式交流伺服系統(tǒng) 而系統(tǒng)成本遠(yuǎn)低于交流伺服 其體積小巧 安裝方便 可靠性高 調(diào)試簡單 用戶可 通過雷賽 PRO TUNER 調(diào)試軟件 文本顯示器或 STU 伺服調(diào)試器輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)整定 和保存 11 20 圖 12 伺服器 Fig 12 Server 1 適用范圍 適合驅(qū)動(dòng)有刷 永磁直流伺服電機(jī) 空心杯永磁直流伺服電機(jī) 力矩電機(jī) 最大連續(xù)電流 10A 最大峰值電流 20A 直流電源 12 38V 功率 400 瓦以內(nèi) 過載能力達(dá) 800 瓦 速度 位置的四象限控制 2 主要功能 輸入模擬信號(hào)進(jìn)行速度控制 輸入 PWM 信號(hào)進(jìn)行速度控制 通過 RS232 口進(jìn)行速度控制 通過 RS232 口進(jìn)行位置控制 輸入脈沖 方向信號(hào)進(jìn)行步進(jìn)模式控制 外部零位信號(hào)輸入 外部制動(dòng)信號(hào)輸入 通過 RS232 實(shí)現(xiàn) PC 控制 參數(shù)調(diào)整 在線監(jiān)測 實(shí)時(shí)讀取驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部溫度 過流 過載 過壓 欠壓保護(hù) 溫度保護(hù) 超調(diào) 失調(diào)保護(hù) 動(dòng)態(tài)跟蹤誤差保護(hù) 3 技術(shù)參數(shù) 表1 伺服器技術(shù)參數(shù) Table 1 Technical data server 參數(shù) 標(biāo)號(hào) 參數(shù)值 單位 21 電源電壓 U 12 38 VDC PWM開關(guān)頻率 fPWM DS3810E DS3810 62 5 DS3810TE DS3810T 20 kHz 效率 95 最大連續(xù)輸出電流 Idauer 10 A 最大峰值輸出電流 Imax 20 A 硬件保護(hù)電流 Ip 26 A 電源保險(xiǎn) 30 A 靜態(tài)功耗 待機(jī)電流 Iel 115 12V 65 24V 45 38V mA 續(xù)表 可控速度范圍 1 30000 Rpm 輸出編碼器電源 VCC 5 VDC ICC 60 mA 模擬輸入端 輸入阻抗 25 K 模擬信號(hào)速度控制 輸入電壓范圍 10V V PWM控制 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn) 低電平0 0 3 高電平3 5 V 頻段 100 500 Hz 占空比范圍 1 占空比 99 占空比 50 0 RPM 占空比 50 電機(jī)反轉(zhuǎn) CCW PWM控制 占空比 50 電機(jī)正轉(zhuǎn) CW 步進(jìn)脈沖最高頻率 fmax 800 KHz 故障輸出 集電極開路輸出 最大電壓為30V 電流5mA 有故障 低電平輸出 EN 邏輯電平 低電平0 0 3 高電平3 5 V DIR 邏輯電平 低電平0 0 3 高電平3 5 V 邏輯電平 低電平0 0 3 高電平3 5 V 編碼器輸入 最高頻率 200 KHz 欠壓保護(hù) 10 5 V 過壓保護(hù) 54 V 22 通訊端口 RS232 9600 2400 4800 19200 bps 內(nèi)置存儲(chǔ)器 EEPROM 256 Bytes DS3810 DS3810T 小于 10 或大于70 保護(hù) 高低溫保護(hù) DS3810E DS3810TE 小于 40 或大于85 保護(hù) 工作溫度 DS3810 DS3810T 10 70 DS3810E DS3810TE 40 85 DS3810 DS3810T 40 85 儲(chǔ)存溫度 DS3810E DS3810TE 55 125 4 接口定義 圖13 端口定義 Fig 13 Port definition 5 步進(jìn)控制模式 脈沖 方向模式 a 信號(hào)來源 CLK DIR b 設(shè)置模式 步進(jìn)控制模式 信號(hào)源 SCS3 c 常用指令 設(shè)置最大速度 SSP 參數(shù) 設(shè)置最大跟蹤誤差 SER 參數(shù) 設(shè)置最大加速度 A 參數(shù) 設(shè)置步寬 STW 參數(shù) 23 讀取步寬值 GSTW 切換到步進(jìn)模式 S e 工作原理 在步進(jìn)模式下 脈沖輸入端每接收一個(gè)脈沖 電機(jī)將運(yùn)轉(zhuǎn)一個(gè)步寬 這種工作模式能同時(shí)實(shí)現(xiàn)位置和速度控制 由于允許設(shè)置步寬 STW 輸入 頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速的比率可以根據(jù)需要設(shè)置 轉(zhuǎn)速與脈沖頻率之間的關(guān)系如下 轉(zhuǎn)速 脈沖頻率X步寬 STW X 60 編碼器分辨率 4倍線數(shù) 位置與脈沖個(gè)數(shù)之間的關(guān)系如下 位置 圈數(shù) 脈沖個(gè)數(shù)X步寬 STW 編碼器分辨率 4倍線數(shù) f 優(yōu)點(diǎn) 與步進(jìn)電機(jī)比較 步寬可編程設(shè)定 沒有因齒槽效應(yīng)而引起的轉(zhuǎn)矩?fù)p失 具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性 無震動(dòng) 發(fā)熱小 采用閉環(huán)控制 不會(huì)產(chǎn)生 丟步 現(xiàn)象 功率隨著負(fù)載變化動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié) 效率高 6 伺服器的運(yùn)用 伺服器主要運(yùn)用在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制上 伺服器是一種電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 它的采樣與 電機(jī)同軸的編碼盤通過自身的 PID 算法能很快的對(duì)電機(jī)的狀態(tài)進(jìn)行控制其中包括電機(jī) 的轉(zhuǎn)速與圈數(shù) 在收到電機(jī)停止信號(hào)時(shí)能很好的鎖死電機(jī)使機(jī)器人能在任何時(shí)候迅速 停止運(yùn)行 它集成的過流過壓保護(hù)能很好的保護(hù)電機(jī)延長使用壽命 我們運(yùn)用他的強(qiáng) 大功能對(duì)機(jī)器人的速度和行程進(jìn)行理論控制 為什么是理論控制呢 因?yàn)榇蚧褪Р?的影響會(huì)降低控制精度 4 5 按鍵電路 圖 13 為山茶采摘平臺(tái)按鍵電路圖 控制采摘平臺(tái)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方向和上升下降運(yùn)動(dòng) 的按鍵功能如下 按鍵 S1 控制平臺(tái)前進(jìn) 按鍵 S2 控制平臺(tái)后退 按鍵 S3 控制平臺(tái)左轉(zhuǎn) 按鍵 S4 控制平臺(tái)右轉(zhuǎn) 24 開 始系 統(tǒng) 初 始 化等 待 按 鍵按 下 按 鍵 按 下 延 時(shí) 20ms 按 鍵 按 下 按 鍵 S2 按 鍵 S3 按 鍵 S4 按 鍵 S5 按 鍵 S6按 鍵 S1輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 前進(jìn) 輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 后退 輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 左轉(zhuǎn) 輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 右轉(zhuǎn) 輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 上升 輸 出 PWM信 號(hào) 至伺 服 器 驅(qū) 動(dòng) 伺 服 電機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 實(shí) 現(xiàn) 平 臺(tái) 下降 YYNN YYYYYYNNNNN 按鍵 S5 控制平臺(tái)上升 按鍵 S6 控制平臺(tái)下降 圖 14 按鍵電路圖 Fig 14 Button schematic 5 主控制板程序設(shè)計(jì) 在本系統(tǒng)中 ARM 7 的控制程序用 IAR Embedded Workbench 編寫的 5 1 系統(tǒng)主程序流程圖 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)思路是 STM32 接受來自按鍵的信息 發(fā)出對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng) 伺服器控制伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)采摘平臺(tái)的前后左右移動(dòng) 及采摘平臺(tái)的升降 系統(tǒng)主程序流程圖如圖下圖所示 25 圖 15 主流程圖 Fig 15 Main flow 5 2 PWM的產(chǎn)生 5 2 1 軟件生成 PWM 軟件 PWM 產(chǎn)生是通過軟件給一個(gè)或幾個(gè) I O 口賦值為高電平然后延遲一定時(shí)間 后轉(zhuǎn)換為低電平以此循環(huán) 延遲時(shí)間決定該脈沖信號(hào)的頻率 這樣做的好處就是程序 設(shè)計(jì)簡單 對(duì)于初學(xué)者來說簡單明了 這樣我們使用的循環(huán)能根據(jù)開發(fā)者要求立刻跳 出 能方便快捷的對(duì)脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行控制 如果要改變占空比則改變兩個(gè)延遲的時(shí)間 具 體操作如下 如下程序 GPIO PE7 口發(fā)送了 100 個(gè)頻率為 1K 的脈沖 17 include stm32f10 x h 系統(tǒng)初始化 void GPIO Init function void GPIO 的初始化函數(shù) 先定義一個(gè)初始化類型結(jié)構(gòu)體變量 我們?yōu)檫@個(gè)結(jié)構(gòu)體里的各個(gè)變量賦值 最后將此變量傳遞到庫里初始化寄存器的函數(shù)里即可 當(dāng)然 你也可以不這么做 直接給相關(guān)控制寄存器復(fù)制 使用庫可能會(huì)讓程序慢上那么一點(diǎn) 但是庫中的程序基本都進(jìn)行了傳入?yún)?shù) 正確與否的校驗(yàn) 性能穩(wěn)定 而且調(diào)用方便 建議初學(xué)者使用庫 void GPIO Init function void GPIO 的初始化函數(shù) GPIO InitTypeDef GPIO InitStructure RCC APB2PeriphClockCmd RCC APB2Periph GPIOE ENABLE 26 GPIO InitStructure GPIO Pin GPIO Pin 7 GPIO InitStructure GPIO Mode GPIO Mode Out PP GPIO InitStructure GPIO Speed GPIO Speed 50MHz GPIO Init GPIOE int main void 主函數(shù) int i 100 SystemInit 初始化系統(tǒng) 包括選擇系統(tǒng)時(shí)鐘頻率 GPIO Init function do GPIO SetBits GPIOE GPIO Pin 0 高 delay us 500 GPIO ResetBits GPIOE GPIO Pin 0 低 delay us 500 while i 但是這種軟件 PWM 的方式將占用大量的 CPU 資源 使得 CPU 在處理其他事件 的時(shí)候有明顯的性能下滑現(xiàn)象 5 2 2 硬件生成 PWM 硬件的 PWM 產(chǎn)生是由 ARM 的事件管理器中自帶的定時(shí)器來控制 如下圖定時(shí) 器開始后會(huì)不停的計(jì)數(shù) 從 0 加到最大值后返回 0 繼續(xù)計(jì)數(shù) 計(jì)數(shù)器增加的快慢由定 時(shí)器分頻器的值來決定 它把 CPU 的時(shí)鐘頻率分頻后使計(jì)數(shù)器的累加加快或減慢 這時(shí)我們?cè)O(shè)定一個(gè)比較值與之匹配 當(dāng)計(jì)數(shù)器累加到這個(gè)值時(shí)就自動(dòng)遞減 遞減到 0 后重復(fù)前面操作 當(dāng)相應(yīng)的 IO 口被設(shè)定為使用硬件功能時(shí)我們?cè)O(shè)定其電平跳變寄存 器 讓這個(gè) IO 口在計(jì)數(shù)匹配時(shí)電壓自動(dòng)跳變 1 由高到底 2 由低到高 這樣就可以 得到一個(gè)可以調(diào)整頻率的脈沖信號(hào) 18 27 圖 16 定時(shí)器中斷 Fig 16 Timer interrupt 下面為PWM硬件功能的具體操作 我們?cè)O(shè)置了STM32硬件功能口定時(shí)器4發(fā)出一 個(gè)頻率為1K的脈沖 void TIM4 Configuration unsigned int PWM1 Val TIM TimeBaseInitTypeDef TIM TimeBaseStructure TIM OCInitTypeDef TIM OCInitStructure GPIO InitTypeDef GPIO InitStructure RCC APB1PeriphClockCmd RCC APB1Periph TIM4 ENABLE RCC APB2PeriphClockCmd RCC APB2Periph GPIOB ENABLE TIM TimeBaseStructure TIM Period 60000 TIM Period 24000 計(jì)數(shù)器向上計(jì)數(shù)到 65535 后產(chǎn)生更新事件 計(jì)數(shù)值歸零 TIM TimeBaseStructure TIM Prescaler 2 設(shè)置預(yù)分頻器分頻系數(shù) 0 TIM TimeBaseStructure TIM ClockDivision 0 設(shè)置了時(shí)鐘分割 TIM TimeBaseStructure TIM CounterMode TIM CounterMode Up TIM CounterMode CenterAligned1 選擇向上計(jì)數(shù) TIM TimeBaseStructure TIM RepetitionCounter 0 TIM TimeBaseInit TIM4 TIM OCInitStructure TIM OCMode TIM OCMode PWM2 定時(shí)模式 TIM OCInitStructure TIM OutputState TIM OutputState Enable 輸出使能 TIM OCInitStructure TIM OCPolarity TIM OCPolarity Low TIM 輸出極性 28 TIM OCInitStructure TIM Pulse PWM1 Val 比較數(shù) TIM OC1Init TIM4 初始化 GPIO InitStructure GPIO Pin GPIO Pin 6 OC1 GPIO InitStructure GPIO Mode GPIO Mode AF PP GPIO InitStructure GPIO Speed GPIO Speed 50MHz GPIO Init GPIOB int main void SystemInit TIM4 Configuration 12000 TIM4 Cmd while 1 這樣做的好處是節(jié)約了大量的 CPU 資源 可以使用這些資源做其他的操作和判 斷 從而提高了 CPU 的效率 6 系統(tǒng)調(diào)試 在本此設(shè)計(jì)當(dāng)中本人充分考慮了實(shí)用的要求 實(shí)驗(yàn)室條件和經(jīng)濟(jì)性 旨在設(shè)計(jì)一 款能減輕人工勞動(dòng)強(qiáng)度和提高工作效率要求 價(jià)格適中 操作方便的產(chǎn)品 突出表現(xiàn) 在一下幾點(diǎn) 1 精確性 底盤自身的精確性很好 升降動(dòng)作定位精準(zhǔn) 采用編碼盤定位技術(shù) 使得采摘機(jī)器人的自動(dòng)行走和定點(diǎn)停車可以很準(zhǔn)確不會(huì)有嚴(yán)重的偏移 2 創(chuàng)新性 這臺(tái)智能可升降移動(dòng)平臺(tái)是在以往的各類平臺(tái)的基礎(chǔ)上的創(chuàng)新 所 以以前是沒有這種設(shè)計(jì)的 完全是自主研究設(shè)計(jì)制作和實(shí)驗(yàn) 7 總 結(jié) 通過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì) 使我的大學(xué)生活更加充實(shí) 三年來大部分的課余時(shí)間包括 寒暑假都是在實(shí)驗(yàn)室度過的 在這個(gè)小小的實(shí)驗(yàn)室里 匯集了全校機(jī)器人機(jī)械電子方 面的愛好者 通過交流相互學(xué)習(xí) 共同進(jìn)步 實(shí)驗(yàn)室生活極大的提高我的動(dòng)手能力 還能獨(dú)立設(shè)計(jì)制作比賽機(jī)器人 也提高了我收集利用資料的能力 因?yàn)槲覀冊(cè)O(shè)計(jì)中會(huì) 遇到很多技術(shù)難關(guān) 單憑課堂上學(xué)的知識(shí)很難解決 只有詢問老師 查看有關(guān)書籍 或者在網(wǎng)絡(luò)上尋找資料 29 山茶采摘平臺(tái) 采摘機(jī)器人 涉及到機(jī)械原理 機(jī)械設(shè)計(jì) 特種加工 電子技術(shù) 微機(jī)控制 接口技術(shù) 傳感測試技術(shù) 程序編寫及調(diào)試等多方面的知識(shí) 鍛煉綜合應(yīng) 用能力 在設(shè)計(jì)時(shí)自學(xué)了大量的技術(shù)資料 充實(shí)了自己 參考文獻(xiàn) 1 岡本嗣男 生物農(nóng)業(yè)智能機(jī)器人 M 北京 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社 1994 2 馮建農(nóng) 柳明 自主移動(dòng)機(jī)器人智能導(dǎo)航研究進(jìn)展 J 機(jī)器人 1997 19 6 468 478 3 方建軍 采摘機(jī)器人開放式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào) 2005 36 5 83 86 4 Patrick F Muir and Charles P Neuman Kinematic Modeling For Feedback Control Of An Omnidirectional wheeled Mobile Robot J CH2413 3 87 0000 1772S01 00 c1987 IEEE PA 15213 1772 1778 5 Isik Can Meystel M Alexander Pilot Level of A Hierarchical Controller for An Unmanned Mobile Robot IEEE Journal of Robotics INT TEMP3 0 INT N0 0 INT N1 0 INT N2 0 INT N3 0 INT L1 L2 L 文件名稱 TIM GPIO 初始化 INCLUDE STM32F10X H 32 函數(shù) 底盤定時(shí)器 1 初使化 參數(shù) PWM 初始值 說明 注意中斷 VOID TIM1 PWM UNSIGNED INT PWM1 VAL UNSIGNED INT PWM2 VAL UNSIGNED INT PWM3 VAL UNSIGNED INT PWM4 VAL VU16 CCR1 VAL PWM1 VAL VU16 CCR2 VAL PWM2 VAL VU16 CCR3 VAL PWM3 VAL VU16 CCR4 VAL PWM4 VAL TIM TIMEBASEINITTYPEDEF TIM TIMEBASESTRUCTURE TIM OCINITTYPEDEF TIM OCINITSTRUCTURE GPIO INITTYPEDEF GPIO INITSTRUCTURE RCC APB2PERIPHCLOCKCMD RCC APB2PERIPH GPIOA RCC APB2PERIPH TIM1 RCC APB2PERIPH AFIO ENABLE RCC APB2PERIPH AFIO TIM TIMEBASESTRUCTURE