基于ATmega32的遙控采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
摘要:針對(duì)機(jī)器視覺采摘機(jī)器存在的技術(shù)不成熟,成本過高等不足,提出采用人工操控的半自動(dòng)采摘技術(shù),并進(jìn)行了探索研究。設(shè)計(jì)了一款模擬采摘機(jī)器人,機(jī)器人以履帶底盤為基座,三自由度機(jī)械臂,紅外遙控操作。硬件電路以ATmega32為系統(tǒng)控制核心,采摘機(jī)器人的動(dòng)作采用BL35P12為核心紅外遙控控制。系統(tǒng)軟件基于AVR Studio4開發(fā)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的全方位精確控制。采摘機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì),抓取速度快,成本低,易于實(shí)現(xiàn),可擴(kuò)展性強(qiáng)。
關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人;三自由度;ATmega32;紅外遙控
目前采摘機(jī)器人研究重點(diǎn)大多集中在視覺系統(tǒng)對(duì)果實(shí)目標(biāo)的識(shí)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(hào)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(dòng)識(shí)別的能力,并且能夠自動(dòng)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(dòng)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(dòng),但能夠降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)于目前中國農(nóng)業(yè)的水平,能夠更好的普及。
針對(duì)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(dòng)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(hào)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??刂茩C(jī)器人的車體的前向運(yùn)動(dòng),左右轉(zhuǎn)向,三自由度的機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng),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(dòng)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(dòng)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(tái)FAULHABER電機(jī)驅(qū)動(dòng)。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(dòng),伺服電機(jī)4通過連桿和伺服電機(jī)5聯(lián)合驅(qū)動(dòng)大臂上下運(yùn)動(dòng)。
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(duì)微控制器提出苛刻要求?;陂_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(hào)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(dòng)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(hào)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(hào)給紅外接收模塊,通過紅外接收模塊將信號(hào)處理后傳入MCU中,外界傳感器模塊將感應(yīng)信號(hào)處理后傳入MCU中,其將各種輸入信號(hào)進(jìn)行處理分析后向執(zhí)行器件發(fā)出控制信號(hào)。
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??刂齐娐啡鐖D3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(chǔ)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(hào)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(dòng),操作數(shù)字鍵和特殊鍵可實(shí)現(xiàn)不同的動(dòng)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(dòng)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(duì)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(dòng)作由舵機(jī)控制,這里對(duì)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(dòng),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(dòng)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(dòng)速度快,動(dòng)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(duì)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(tái),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)。