智能機(jī)器人應(yīng)用案例之農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人

目前采摘機(jī)器人研究重點(diǎn)大多集中在視覺系統(tǒng)對果實(shí)目標(biāo)的識別和定位上，利用攝像頭獲取果實(shí)圖片信息，通過復(fù)雜的圖像信號處理算法，編制程序進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現(xiàn)果實(shí)判斷，發(fā)出采摘命令。這種方式機(jī)器人具有較好的自動識別的能力，并且能夠自動采摘，無需人工操作，是農(nóng)業(yè)機(jī)器人最理想的方式，但目前相關(guān)技術(shù)不夠成熟，投入較高。本設(shè)計(jì)采用人機(jī)協(xié)作方式，即采用人工判別果實(shí)，機(jī)器人負(fù)責(zé)摘取。通過人工現(xiàn)場觀察判斷，使用無線遙控遠(yuǎn)程控制機(jī)器人動作。這種方式現(xiàn)有技術(shù)比較成熟，使得機(jī)器人研發(fā)周期縮短，造價(jià)成本低，雖然不能夠完全代替人勞動，但能夠降低人的勞動強(qiáng)度，對于目前中國農(nóng)業(yè)的水平，能夠更好的普及。

針對以上存在的問題，本文設(shè)計(jì)了一款基于ATmega32的模擬采摘機(jī)器人，能實(shí)現(xiàn)人工操作的機(jī)械采摘，通過紅外遙控控制機(jī)械臂使末端夾持器伸到目標(biāo)果實(shí)所在位置，進(jìn)行抓取工作，完成采摘任務(wù)。

1 機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)

機(jī)器人設(shè)計(jì)融合了機(jī)械制造技術(shù)，電子電路技術(shù)，自動控制和傳感器檢測技術(shù)，以及軟件開發(fā)編程等。本文中機(jī)器人的傳感器和紅外遙控器的信號輸人到主控制板，主控制板處理后輸出控制三自由度機(jī)械臂和履帶底盤結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，紅外遙控機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)抓取果實(shí)。機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

機(jī)器人的控制模式為無線控制機(jī)器人采用直接操縱方式，操縱者通過遙控器向遠(yuǎn)端發(fā)送操縱指令。控制機(jī)器人的車體的前向運(yùn)動，左右轉(zhuǎn)向，三自由度的機(jī)械臂的運(yùn)動，及夾持器旋轉(zhuǎn)、張與合。文中設(shè)計(jì)的機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)簡單，功能豐富，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

遙控采摘機(jī)器人機(jī)械裝置圖如圖2所示，主要包括兩部分：兩自由度的移動載體和三自由度帶夾持器的機(jī)械臂。機(jī)器人主體使用網(wǎng)孔鋁板材料和工程塑料組裝成機(jī)器人機(jī)體，結(jié)構(gòu)輕巧，方便在車體上增加模塊。移動載體為履帶式底盤，加裝了主控電路板、采摘輔助裝置、多種傳感器、電源模塊等。履帶底盤每一側(cè)采用雙履帶結(jié)構(gòu)，使用4臺FAULHABER電機(jī)驅(qū)動。機(jī)械臂固定在履帶式行走機(jī)構(gòu)上，機(jī)械臂上的伺服電機(jī)使用扭矩10 kg/cm的MG995金屬齒輪舵機(jī)，機(jī)械臂上伺服電機(jī)1控制夾持器的張開和合并，使得夾持器能夠完成采摘和剪切等任務(wù)。伺服電機(jī)2控制夾持器的左右旋轉(zhuǎn)。伺服電機(jī)3控制小臂上下運(yùn)動，伺服電機(jī)4通過連桿和伺服電機(jī)5聯(lián)合驅(qū)動大臂上下運(yùn)動。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

由于機(jī)器人需要處理眾多傳感器輸入數(shù)據(jù)，同時(shí)控制眾多電機(jī)，這對微控制器提出苛刻要求。基于開放性，可靠性，實(shí)時(shí)性等方面考慮，本設(shè)計(jì)采用高性能AVR處理器--ATmega系列，選擇芯片型號為ATmega32 16AU作為控制核心。ATmega32 16AU，具有44個(gè)Pin，是32KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的8位的高性能、低功耗微控制器。ATmega32是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。

ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問2個(gè)獨(dú)立的寄存器。其具有先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，131條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時(shí)，性能高達(dá)16 MIPS，只需2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。

3.1 控制主板設(shè)計(jì)

基于ATmega32主板電路由電源模塊，晶振模塊，通信模塊，電機(jī)驅(qū)動模塊，遙控編碼模塊和輸入輸出部分等。主板電路上設(shè)計(jì)了8個(gè)輸入接口、8個(gè)輸出接口、4個(gè)直流電機(jī)輸出接口，ISP接口和程序下載接口、IR紅外遙控接收頭接入端口及IR紅外遙控器通道設(shè)置撥碼開關(guān)，各個(gè)模塊接口采用插拔式，可便于各種模塊的使用和功能擴(kuò)展。輸入接口以多種傳感器，檢測信號輸入MCU中。在計(jì)算機(jī)上使用AVR開發(fā)軟件，編寫程序，然后將程序下載到ATmega32中。紅外發(fā)射模塊發(fā)出控制信號給紅外接收模塊，通過紅外接收模塊將信號處理后傳入MCU中，外界傳感器模塊將感應(yīng)信號處理后傳入MCU中，其將各種輸入信號進(jìn)行處理分析后向執(zhí)行器件發(fā)出控制信號。

本設(shè)計(jì)的控制主板具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，通過增添模塊和修改程序，可用于各種機(jī)器人開發(fā)和智能電路制作，應(yīng)用廣泛。控制電路如圖3所示。

3.2 USB轉(zhuǎn)UART下載電路

AVR與PC之間進(jìn)行串口通信，主板下載端口采用UART的串行通信方式，而計(jì)算機(jī)無法與UART端口直接相連，故需要一個(gè)USB轉(zhuǎn)UART的轉(zhuǎn)換器。綜合實(shí)用性及可靠性等因素，設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換電路芯片為單芯片橋接器CP2101。CP2101上集成的USB收發(fā)器無需外部電阻，集成的時(shí)鐘無需外部振蕩器，集成的512字節(jié)EEPROM用于存儲產(chǎn)品，片內(nèi)電壓調(diào)節(jié)器為3.3 V輸出。

3.3 紅外遙控器設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)紅外遙控器采用上海貝嶺的BL35P12芯片，BL35P12是一款OTP類型低功耗8位通用微控制器(MCU)，完成按鍵的掃描和紅外編碼信號的生成，現(xiàn)精確控制，故采用此芯片作為遙控主控制芯片。通過操作方向鍵控制機(jī)器人前后左右運(yùn)動，操作數(shù)字鍵和特殊鍵可實(shí)現(xiàn)不同的動作。

4 軟件程序設(shè)計(jì)

本采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要考慮控制的確性和系統(tǒng)的開放性，采用AVR Studio4的編程環(huán)境，AVRStudio4是一個(gè)完整的開發(fā)工具，包括編輯、仿真功能，利用這個(gè)工具，可以編輯源代碼，并在AVR器件上運(yùn)行。采摘機(jī)器人系統(tǒng)的控制軟件由主程序、伺服馬達(dá)驅(qū)動子程序、遙控接收端子程序、傳感器處理子程序、直流電機(jī)控制子程序等組成。

程序主要是對AVR單片機(jī)I/O口、T/C(定時(shí)器/計(jì)數(shù)器)、PWM調(diào)速、中斷處理及全局變量、宏定義等的處理。程序采用結(jié)構(gòu)化和模塊化編寫思想，使程序的可用性和可讀性達(dá)到較佳狀態(tài)。通過調(diào)用各個(gè)子程序，修改主程序上的直流電機(jī)的速度和伺服電機(jī)的角度等參數(shù)，調(diào)試到機(jī)器人機(jī)械手到最佳角度，根據(jù)控制策略進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，編制主程序流程圖如圖4所示。

5 采摘機(jī)器人調(diào)試與試驗(yàn)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的遙控模擬采摘機(jī)器人伸展后長為1.2 m，寬度0.38 m，機(jī)器人最大速度為0.5 m/s，最大爬坡角度為45°。紅外遙控器最長遙控距離為3 m。機(jī)器人機(jī)械臂動作由舵機(jī)控制，這里對機(jī)械臂舵機(jī)進(jìn)行測試，各個(gè)舵機(jī)角度如表1所示。機(jī)器人組裝測試后完成后抓取實(shí)物圖測試效果如圖5所示。

本機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)，各模塊功能互補(bǔ)，提供多種不同的采摘模式，可根據(jù)作業(yè)環(huán)境選擇合適的模式進(jìn)行采摘。同時(shí)，功能模塊具有很好的擴(kuò)展性，可通過編程進(jìn)行模塊擴(kuò)展。同時(shí)，可多種任務(wù)并行工作，提高了采摘效率。

6 結(jié)論

文中設(shè)計(jì)了一個(gè)基于ATmega32采摘機(jī)器人，機(jī)器人主體使用堅(jiān)固輕巧材料，保證機(jī)器人輕巧，穩(wěn)定。機(jī)器人采用履帶底盤驅(qū)動，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了雙履帶條結(jié)構(gòu)，采摘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了二三自由度機(jī)械臂，能夠靈活地抓取實(shí)物。

輸入控制程序后，機(jī)器人通過外接傳感器，可以實(shí)現(xiàn)半自主控制和紅外遙控。機(jī)器人具有振動搖樹和逐個(gè)夾持兩種互補(bǔ)采摘模式。通過實(shí)際測試表明這款智能采摘機(jī)器人能夠較好的完成預(yù)期的任務(wù)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)體積小，重量輕。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)的人機(jī)交互能力較強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，控制靈活反應(yīng)迅速，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。尤其是運(yùn)動速度快，動作靈敏，能夠適應(yīng)復(fù)雜果園環(huán)境，其快速性和穩(wěn)定性都達(dá)到了規(guī)定的要求，機(jī)器人擴(kuò)展性強(qiáng)，功能強(qiáng)大，成本低，具有一定的參考價(jià)值。

當(dāng)然，這只是作為采摘機(jī)器人的一種探索設(shè)計(jì)，離實(shí)際作業(yè)有很大的差距。在以后的研究工作中，還需要根據(jù)實(shí)際作業(yè)，對掛果果樹的高度和果實(shí)的大小尺寸，以及果實(shí)的脆弱性等實(shí)際情況作深入的研究和改進(jìn)，如果采用完全智能采摘還須加入機(jī)器視覺，以等視頻監(jiān)視模塊，根據(jù)采集的圖像信息饋送到遙控機(jī)器人平臺，指導(dǎo)機(jī)械手操作，機(jī)械采摘手也應(yīng)設(shè)計(jì)應(yīng)力傳感器，以便智能調(diào)節(jié)張開度，以免損傷果實(shí)。