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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。本項目設(shè)計了一款基于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。
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
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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 10
3.1 黃瓜采摘機(jī)械手總體參數(shù)設(shè)計 10
3.2 黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計 10
3.3 黃瓜采摘機(jī)械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計 11
3.3.1 黃瓜采摘機(jī)械手大臂尺寸設(shè)計 11
3.3.2 黃瓜采摘機(jī)械手小臂尺寸設(shè)計 12
3.3.3 黃瓜采摘機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計 13
3.4 黃瓜采摘機(jī)械手運動學(xué)方程設(shè)計 13
第四章 黃瓜采摘機(jī)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(jī)選型 15
4.1.2 舵機(jī)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(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計 18
4.3.2 四路舵機(jī)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(jī)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(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
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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(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)計的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當(dāng)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(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?、?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)步的一個重要標(biāo)志，由于地理或文化和其他因素導(dǎo)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(jìn)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(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)計出了一些模型機(jī)，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(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，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(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；按照運動形式，可以分為XYZ三軸運動方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運動的圓柱坐標(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，每一個自由度也就代表一個機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個自由度的多關(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，可以輕松的實現(xiàn)多種重復(fù)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(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)械手帶有一個可以進(jìn)行圓周運動的機(jī)械長臂，在機(jī)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(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，使用小型計算機(jī)進(jìn)行控制。從此，機(jī)械手正式進(jìn)入了實用性階段。
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)重點的第三代機(jī)械手能夠自主進(jìn)行各項復(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)動強力。同時，系統(tǒng)使用一個自彈式按鍵進(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(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(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，并介紹了本項目所設(shè)計的基于單片機(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(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。
第三章介紹了本項目所設(shè)計的基于單片機(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、機(jī)械爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計和各個機(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)計方案，包括基于AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計方案與電路原理圖、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)計方案，包括黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)運行流程設(shè)計、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(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(jī)可以實現(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(jìn)行動作，舵機(jī)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(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)控制來實現(xiàn)恒溫控制。對于舵機(jī)控制系統(tǒng)而言，舵機(jī)運動機(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)使用的場合和項目的實際需要，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)項目的實際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)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(jī)的一個重要參數(shù)。這兩個指標(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(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，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(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(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個電平控制信號，也就相當(dāng)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(jī)左滿舵。在高電平信號持續(xù)2000微秒時，舵機(jī)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(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(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，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(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(yīng)好等優(yōu)點成為了在數(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(jìn)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(xué)家提出，但受當(dāng)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(jì)八十年代之前一直未能應(yīng)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(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(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，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(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(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(jī)驅(qū)動的無刷電機(jī)驅(qū)動效果，這樣就可以實現(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(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(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(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，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
3.1 黃瓜采摘機(jī)械手總體參數(shù)設(shè)計
本項目所設(shè)計的機(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)對果蔬采摘時的復(fù)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(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。
按照機(jī)械手的工作特點和應(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；按照運動形式，可以分為XYZ三軸運動方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運動的圓柱坐標(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，每一個自由度也就代表一個機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個自由度的多關(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)果蔬采摘項目的實際需要，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(jī)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(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
本項目所設(shè)計的四自由度機(jī)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(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(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(jī)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(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)械手手部的兩個活動部分的連接位置，在進(jìn)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(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，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)，以滿足項目的實際要求。
3.3 黃瓜采摘機(jī)械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計
3.3.1 黃瓜采摘機(jī)械手大臂尺寸設(shè)計
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)計需要，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(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(jī)械手的大臂長230mm。各個部分的詳細(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，本項目設(shè)計的黃瓜采摘機(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(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
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)項目的實際需要，小臂的長度設(shè)計為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(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計
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，以及需要實現(xiàn)的功能，通常要設(shè)計不同結(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)。本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(jī)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(jī)械動作，并不需要較為復(fù)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(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(jī)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(jī)械手通常具有回轉(zhuǎn)性和平移型兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際需要，本項目使用回轉(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(jī)械手運動學(xué)方程設(shè)計
本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(jī)械手具有四個自由度，共四個舵機(jī)分別控制大臂、小臂和機(jī)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(jī)械手手部的開合運動。由于機(jī)械手具有四個自由度，因此若想要使末端機(jī)構(gòu)能夠正確的實現(xiàn)較為精確的坐標(biāo)運動，以實現(xiàn)較為精確的末端控制效果，就需要對整個機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間坐標(biāo)解析和運動學(xué)方程設(shè)計。運動學(xué)方程設(shè)計是機(jī)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(dá)出機(jī)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(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)械手的正運動學(xué)方程式。求得的運動學(xué)方程如下式所示：
M03=cosθ123-cosθ123l1cosθ1+l2cosθ12+l3cosθ123sinθ123-sinθ123l1sinθ1+l2sinθ12+l3sinθ123001 (式4)
得出了機(jī)械手的運動學(xué)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(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。
4.1 元件選型
4.1.1 單片機(jī)選型
由于本項目是一種以電機(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)钠放啤榱藵M足項目的需求，就要針對這些單片機(jī)的特點進(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，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。同時由于其老舊的硬件架構(gòu)導(dǎo)致其運行速度過慢，代碼效率極低。同時，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(jī)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(dá)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(xué)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(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(jī)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(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，本項目選ATC89C51單片機(jī)作為項目主控。
4.1.2 舵機(jī)選型
舵機(jī)是本項目的重要動力部分，舵機(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)項目的實際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)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(jī)的一個重要參數(shù)。這兩個指標(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(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，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)本項目的實際需要，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
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，本項目所設(shè)計的黃瓜采摘機(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，具有較高的實際意義。
4.3 硬件電路設(shè)計
4.3.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計
單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、復(fù)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(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)正常工作的一個重要部分。本項目所使用的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，復(fù)位引腳需要接一個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，為保證系統(tǒng)在開機(jī)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(fù)位功能。其原理是，在電源剛剛導(dǎo)通時，電容充電，為復(fù)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(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，為提供手動復(fù)位功能，在復(fù)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(fù)位引腳時系統(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(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
舵機(jī)（伺服電機(jī)）是在各類自動化設(shè)計應(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(jī)可以實現(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(jìn)行動作，舵機(jī)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(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)模的項目應(yīng)用。本項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，在本項目的設(shè)計中，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，所需的電流較大，同時由于舵機(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)斷的時候會產(chǎn)生較強的電流沖擊，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，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(xué)技術(shù)的發(fā)展，在手機(jī)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(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(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(jī)的對應(yīng)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(dāng)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(fù)保險絲構(gòu)成的防過流反接保護(hù)電路。如下圖所示，在電源正常時，二極管截止，不會對電源產(chǎn)生影響。當(dāng)電源反接時，二極管導(dǎo)通，使位于二極管前端的自恢復(fù)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(jī)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(jī)驅(qū)動部分和單片機(jī)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(jī)、繼電器等感性負(fù)載在導(dǎo)通和關(guān)斷的時候產(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，線圈中的感應(yīng)磁場會給線圈中的電流產(chǎn)