導語：單片機(ji)多關節機(ji)械臂抓取系統探討一文來源于網友上傳，不代(dai)表本站觀點，若需要原(yuan)創文章可咨詢(xun)客服老師，歡迎參(can)考。

摘要：在農業發展過程中，果實采摘是極度耗費人力的工作。為了減少農業生產過程中的人工成本，將人工智能應用于農業領域將是一種有效手段。基于單片機的控制設計出一款智能抓取系統，擁有六關節高自由度機械臂；爪子采用柔性材料，在加強爪子和果實貼合度的情況下減少對果實的損傷程度；采用視覺系統進行圖像處理，并采集三位坐標；采用避障系統控制小車前進；通過增加藍牙模塊讓人工參與變得更加簡便。本文設計的基于單片機的多關節機械臂抓取系統，有(you)望(wang)提高農業采摘的效率(lv)，減(jian)少(shao)人工成本，將農業生產過程智能化(hua)。

關鍵詞：單片機(ji)；機(ji)械臂；視覺系(xi)統；圖像采(cai)集；避障；藍牙

中(zhong)國(guo)自古是(shi)農(nong)(nong)業大國(guo)，以(yi)傳統農(nong)(nong)業生(sheng)產(chan)(chan)方(fang)(fang)(fang)式為(wei)(wei)主。然而，隨著國(guo)際人口的(de)增長(chang)，對(dui)自然資(zi)源(yuan)的(de)需求也(ye)不(bu)斷(duan)加大。這使得傳統農(nong)(nong)業生(sheng)產(chan)(chan)出現(xian)了越來越嚴重(zhong)的(de)供應(ying)短缺(que)，自然環境的(de)負擔也(ye)成倍增加。為(wei)(wei)了緩解這種矛盾，最優最大化利(li)用(yong)自然資(zi)源(yuan)并且將人類從繁(fan)重(zhong)的(de)體(ti)力勞動中(zhong)解放出來，科(ke)學(xue)界(jie)提出了集(ji)中(zhong)生(sheng)產(chan)(chan)的(de)現(xian)代化農(nong)(nong)業構想。近幾(ji)年，智能機(ji)器(qi)人頻繁(fan)出現(xian)在其他領域，考(kao)慮將智能機(ji)器(qi)人運用(yong)于(yu)農(nong)(nong)業方(fang)(fang)(fang)面也(ye)是(shi)一個不(bu)錯的(de)方(fang)(fang)(fang)案[1]。迄今(jin)為(wei)(wei)止，應(ying)用(yong)于(yu)農(nong)(nong)業果實(shi)采(cai)摘(zhai)方(fang)(fang)(fang)面的(de)機(ji)器(qi)采(cai)集(ji)系(xi)統還沒有普及，因此本文(wen)設(she)計一種智能抓取(qu)系(xi)統，能夠幫助采(cai)摘(zhai)果實(shi)。

1系統的總體構成

本文(wen)設計的機(ji)械臂(bei)智能(neng)抓(zhua)取系統(tong)由三(san)大模(mo)(mo)塊(kuai)組(zu)成：視覺(jue)(jue)識(shi)別模(mo)(mo)塊(kuai)、機(ji)械臂(bei)和底座。系統(tong)以89C51單片(pian)機(ji)為核(he)心(xin)操(cao)作器、六自由度機(ji)械臂(bei)作為執(zhi)行(xing)合作機(ji)構。視覺(jue)(jue)系統(tong)通(tong)過攝像(xiang)頭捕獲圖像(xiang)后進行(xing)實時處理(li)，并(bing)反(fan)饋(kui)果(guo)實的三(san)維空間坐標(biao)，實現果(guo)實數(shu)據(ju)的精準獲得。底座通(tong)過紅外(wai)線(xian)掃描(miao)獲取數(shu)據(ju)，實時反(fan)饋(kui)前(qian)面(mian)路段的信(xin)息(xi)，實現小車(che)的單目視覺(jue)(jue)正常行(xing)駛[2]。系統(tong)組(zu)成結構如圖1所示。

2系統的硬件設計

2.189C51單片機

采(cai)用51單(dan)片機作為(wei)控制(zhi)系統，以(yi)89C51為(wei)主控芯片，擁有(you)6路(lu)接口的(de)PWM舵(duo)機和四個獨立(li)接口的(de)總線(xian)舵(duo)機，實現按鍵控制(zhi)、采(cai)集電路(lu)、電源和過流保(bao)護。89C51是一種高(gao)性能的(de)CMOS8位處(chu)理器，通過電壓控制(zhi)，32字節閃存(cun)(cun)邏輯器件(jian)和可擦除只讀(du)存(cun)(cun)儲器是89C51的(de)重要器件(jian)。目前，ATMEL的(de)89C51是一款高(gao)效的(de)微控制(zhi)器，它將8位多功能CPU和閃存(cun)(cun)集成(cheng)到一臺(tai)單(dan)片機中[3]。單(dan)片機的(de)結構如圖2所示。

2.2機械臂模塊

本抓(zhua)取系統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)臂由(you)力臂和多功能爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)兩部分構(gou)成(cheng)。力臂上擁有(you)六個(ge)(ge)(ge)數(shu)字(zi)舵(duo)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)，分別控(kong)(kong)制(zhi)六個(ge)(ge)(ge)關(guan)(guan)節，每個(ge)(ge)(ge)數(shu)字(zi)舵(duo)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)都由(you)單片(pian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)單獨控(kong)(kong)制(zhi)，可以實現(xian)(xian)不同關(guan)(guan)節伸展或延伸不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)，完成(cheng)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)。為了使(shi)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)手具(ju)有(you)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，獲得(de)良(liang)(liang)好(hao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)運(yun)動(dong)(dong)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)能，并(bing)具(ju)有(you)其他類(lei)型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)角度(du)(du)冗余(yu)數(shu)據，采(cai)用(yong)了六自由(you)度(du)(du)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)手。機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)臂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構(gou)如(ru)圖(tu)3所(suo)示(shi)。采(cai)用(yong)新型可提(ti)(ti)升不同通(tong)道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)臂，實現(xian)(xian)空間提(ti)(ti)升，使(shi)分揀(jian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)具(ju)有(you)足夠的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)靈活性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。另(ling)外，在(zai)移動(dong)(dong)平臺的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)橡膠墊上設置(zhi)了一(yi)個(ge)(ge)(ge)360°旋轉(zhuan)緊固桿，避(bi)免了因旋轉(zhuan)角度(du)(du)不足或夾(jia)住殼(ke)體而給機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)臂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)選擇帶來(lai)不便。后(hou)續根(gen)據實際的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)情(qing)況，針對不同應(ying)用(yong)領(ling)域，通(tong)過六個(ge)(ge)(ge)關(guan)(guan)節的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)力矩傳(chuan)感(gan)器與編(bian)碼器等工(gong)具(ju)進(jin)行數(shu)據采(cai)集(ji)；然后(hou)通(tong)過一(yi)系列方法，主(zhu)要是(shi)(shi)人類(lei)策略的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)制(zhi)方法、傅里(li)葉級數(shu)表達(da)式擬合(he)等，逐(zhu)步建立一(yi)個(ge)(ge)(ge)運(yun)動(dong)(dong)軌(gui)跡庫，有(you)利(li)于機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)臂在(zai)以后(hou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)(zuo)中適應(ying)不同的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)作(zuo)(zuo)業(ye)[4]。爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)是(shi)(shi)由(you)三個(ge)(ge)(ge)數(shu)字(zi)舵(duo)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)控(kong)(kong)制(zhi)三個(ge)(ge)(ge)枝節組(zu)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)，三個(ge)(ge)(ge)枝節形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)三角形(xing)(xing)在(zai)抓(zhua)取果(guo)(guo)(guo)(guo)實時更具(ju)有(you)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)。三個(ge)(ge)(ge)數(shu)字(zi)舵(duo)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)與單片(pian)機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)相連接(jie)，具(ju)有(you)同時性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)，再提(ti)(ti)供足夠抓(zhua)力的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)前提(ti)(ti)下保障了爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)穩(wen)定性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)[5]。爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)材料采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)柔(rou)性(xing)(xing)(xing)(xing)(xing)材料，在(zai)抓(zhua)取果(guo)(guo)(guo)(guo)實時，爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)可以根(gen)據果(guo)(guo)(guo)(guo)實的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大小和形(xing)(xing)狀，產生相應(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)形(xing)(xing)變，減小爪(zhua)(zhua)(zhua)子(zi)(zi)與果(guo)(guo)(guo)(guo)實間的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)縫隙，盡可能地(di)實現(xian)(xian)完美閉合(he)，防(fang)止(zhi)果(guo)(guo)(guo)(guo)實脫落(luo)。機(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)械(xie)(xie)(xie)爪(zhua)(zhua)(zhua)結構(gou)如(ru)圖(tu)4所(suo)示(shi)。

2.3底座模塊

根(gen)據(ju)果園道路泥濘崎嶇的(de)(de)(de)(de)突(tu)出特(te)點，移動(dong)平(ping)(ping)臺(tai)必須具備一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)道路選擇(ze)(ze)和(he)避(bi)(bi)(bi)障(zhang)能(neng)(neng)(neng)力[6]。平(ping)(ping)臺(tai)系(xi)統采用(yong)(yong)四輪差(cha)速器(qi)(qi)，提高了(le)移動(dong)平(ping)(ping)臺(tai)的(de)(de)(de)(de)承(cheng)重能(neng)(neng)(neng)力和(he)穩(wen)定性，并在一(yi)(yi)定程度上提高了(le)轉向(xiang)精(jing)度，更(geng)適合通(tong)道內(nei)的(de)(de)(de)(de)路徑選擇(ze)(ze)和(he)避(bi)(bi)(bi)障(zhang)，使移動(dong)平(ping)(ping)臺(tai)更(geng)加平(ping)(ping)穩(wen)安全。每個輪子(zi)由電(dian)(dian)機(ji)驅動(dong)芯片(pian)控制單(dan)(dan)(dan)獨的(de)(de)(de)(de)伺服電(dian)(dian)機(ji)控制。移動(dong)平(ping)(ping)臺(tai)使用(yong)(yong)鋰電(dian)(dian)池作(zuo)為能(neng)(neng)(neng)源(yuan)，通(tong)過(guo)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)電(dian)(dian)源(yuan)處理器(qi)(qi)及穩(wen)壓模(mo)塊(kuai)，輸(shu)送不同(tong)電(dian)(dian)壓和(he)電(dian)(dian)流到(dao)(dao)相(xiang)應的(de)(de)(de)(de)工作(zuo)單(dan)(dan)(dan)位中，實現能(neng)(neng)(neng)源(yuan)的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)[7]。本文采用(yong)(yong)E18-D80NK-N紅外(wai)線傳感(gan)器(qi)(qi)和(he)US-100超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)避(bi)(bi)(bi)障(zhang)模(mo)塊(kuai)。E18-D80NK-N紅外(wai)線傳感(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)功能(neng)(neng)(neng)：前方無障(zhang)礙(ai)時(shi)(shi)輸(shu)出高電(dian)(dian)平(ping)(ping)；有(you)障(zhang)礙(ai)時(shi)(shi)輸(shu)出口電(dian)(dian)平(ping)(ping)會從高電(dian)(dian)平(ping)(ping)變成低電(dian)(dian)平(ping)(ping)，傳感(gan)器(qi)(qi)檢測(ce)到(dao)(dao)這一(yi)(yi)信號就可以(yi)確認正前方有(you)障(zhang)礙(ai)物(wu)(wu)，并傳送給(gei)單(dan)(dan)(dan)片(pian)機(ji)，單(dan)(dan)(dan)片(pian)機(ji)通(tong)過(guo)輸(shu)入內(nei)部的(de)(de)(de)(de)算法，協(xie)調(diao)小車兩輪工作(zuo)，從而(er)完(wan)成躲避(bi)(bi)(bi)障(zhang)礙(ai)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)動(dong)作(zuo)。US-100超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)避(bi)(bi)(bi)障(zhang)模(mo)塊(kuai)的(de)(de)(de)(de)主(zhu)要功能(neng)(neng)(neng)：通(tong)過(guo)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)發(fa)射(she)裝置發(fa)出超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)，根(gen)據(ju)接收器(qi)(qi)接到(dao)(dao)超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)時(shi)(shi)的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)差(cha)就可以(yi)測(ce)算距離(li)。超(chao)(chao)聲(sheng)(sheng)波(bo)發(fa)射(she)端在單(dan)(dan)(dan)片(pian)機(ji)前置電(dian)(dian)路的(de)(de)(de)(de)驅動(dong)下(xia)工作(zuo)，接收端的(de)(de)(de)(de)信號放大、整形后在單(dan)(dan)(dan)片(pian)機(ji)的(de)(de)(de)(de)中斷(duan)口產生中斷(duan)，通(tong)過(guo)發(fa)射(she)和(he)接收的(de)(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)差(cha)計算出小車與(yu)障(zhang)礙(ai)物(wu)(wu)的(de)(de)(de)(de)相(xiang)對(dui)距離(li)[8]。模(mo)擬圖如圖5所示(shi)。

2.4視覺模塊

為了能(neng)夠精準(zhun)地(di)抓取(qu)果實，在抓取(qu)系(xi)(xi)(xi)統(tong)中(zhong)增加(jia)視(shi)覺系(xi)(xi)(xi)統(tong)。視(shi)覺模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)相(xiang)當于(yu)抓取(qu)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)眼睛，其作(zuo)(zuo)用決定了采(cai)摘(zhai)(zhai)果實的(de)(de)質量和現場采(cai)摘(zhai)(zhai)的(de)(de)速度；同(tong)時在視(shi)覺模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)中(zhong)引入了深度學習，重新建立(li)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)型和模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)擬人的(de)(de)大腦進(jin)行(xing)(xing)分析和預測，進(jin)而處理(li)3D圖(tu)像(xiang)和數據(ju)。通(tong)過(guo)對攝像(xiang)機以(yi)各(ge)種方(fang)式采(cai)集的(de)(de)圖(tu)像(xiang)進(jin)行(xing)(xing)分析，可(ke)以(yi)得(de)到PTZ緩動(dong)(dong)控制的(de)(de)能(neng)力(li)，以(yi)便將來將運動(dong)(dong)目標保持在中(zhong)心區域(yu)。運動(dong)(dong)目標跟蹤(zong)(zong)在過(guo)去的(de)(de)十(shi)年中(zhong)得(de)到了廣(guang)泛(fan)的(de)(de)研究，但(dan)在相(xiang)同(tong)的(de)(de)經濟背景下，運動(dong)(dong)目標跟蹤(zong)(zong)面臨著許多新的(de)(de)挑戰(zhan)。進(jin)一(yi)步(bu)的(de)(de)優(you)化算法(fa)可(ke)以(yi)提高(gao)目標跟蹤(zong)(zong)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)魯棒(bang)性[9]。2.5藍(lan)(lan)牙(ya)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)本(ben)文的(de)(de)操作(zuo)(zuo)系(xi)(xi)(xi)統(tong)增添了HC-08藍(lan)(lan)牙(ya)串行(xing)(xing)通(tong)信(xin)處理(li)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，該模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)是新一(yi)代數據(ju)傳輸系(xi)(xi)(xi)統(tong)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)，基于(yu)藍(lan)(lan)牙(ya)規范V4.0藍(lan)(lan)色協(xie)議。增添藍(lan)(lan)牙(ya)模(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)塊(kuai)的(de)(de)作(zuo)(zuo)用在于(yu)：操作(zuo)(zuo)人員可(ke)以(yi)根據(ju)任務需(xu)求手動(dong)(dong)控制操作(zuo)(zuo)系(xi)(xi)(xi)統(tong)來完成(cheng)相(xiang)應的(de)(de)工作(zuo)(zuo)。手機可(ke)以(yi)在開放的(de)(de)環境(jing)中(zhong)實現80m網(wang)絡通(tong)信(xin)[10]。電(dian)路如圖(tu)6所示。

3結語

本文的智能抓取系(xi)統(tong)以(yi)51單片(pian)機(ji)(ji)作(zuo)為控(kong)制系(xi)統(tong)，89C51作(zuo)為主控(kong)芯片(pian)，擁有六路(lu)接(jie)口(kou)的PWM舵機(ji)(ji)和四個獨立接(jie)口(kou)的總線舵機(ji)(ji)，實現按鍵(jian)控(kong)制、采集電路(lu)、電源和過流(liu)保護等功能。用(yong)樹莓派作(zuo)為視覺處理系(xi)統(tong)的處理芯片(pian)進行(xing)圖像采集；支持藍牙4.0的遠(yuan)程(cheng)操控(kong)，可以(yi)通(tong)過手柄(bing)、手機(ji)(ji)APP和電腦對機(ji)(ji)械(xie)臂進行(xing)操控(kong)，實現機(ji)(ji)械(xie)臂軀干(gan)的活(huo)動(dong)和機(ji)(ji)械(xie)爪的抓取工作(zuo)。

作者(zhe)：董一(yi)波 劉立群 楊陽 李志(zhi)華 顧任遠 周煜博 單位：甘肅農業大學(xue) 信息科學(xue)技(ji)術學(xue)院