手持級速采果機械臂的設計探索

何雨龍

（四川農業大學，重慶 402260）

中國是世界上最大的水果生產國和世界上最大的水果消費國。果樹種植業的快速發展，增加了果園機械的市場需求。目前市場上還沒有具有稱重功能的水果采果機械。傳統的人工采摘并分步稱重，不僅效率低、勞動強度大，且容易造成果實損害。因此，研制具有稱重功能的采果機械具有十分重要的意義。

1 采果機械臂設計方案

1.1 采果機械臂工作流程

當采果機系統啟動時，通過攝像頭將伸縮桿伸向目標果實，機械爪抓取果實，同時通過稱重感應平臺單片機完成稱重，及時在顯示屏上顯示出目標果實重量。

1.2 機械臂組成及工作原理

采果機的硬件主要由機械爪、顯示屏、攝像機鏡頭、電子感應平臺、伸縮桿等組成。機械爪有閉合爪和鉗爪，通過單片機控制舵機通電實現機械爪角度增減變化，張合角度0～180可實現對任何果實的抓取與釋放。其原理是：舵機控制信號為周期是20ms的脈寬調制（PWM）信號，脈沖寬度從0.5～2.5ms呈線性變化。也就是說，一定的脈沖寬度決定了其輸出軸保持的相應角度。同樣，舵機內有一個基準電路，產生周期20ms，寬度1.5ms的基準信號，由比較器將外部信號和基準信號加以比較，判斷出信號的方向和大小，實現電機任意方向旋轉。

2 晶體振動電路設計

2.1 晶體振蕩器電路

設計STC89C52中有一個構成內部振蕩器的高增益反相放大器，晶振電路由晶體振蕩器y1和電容器C1和C2組成（為了便于敘述，用字母數字加以指代，下同）。單片機u1的引腳XTAL1腳和XTAL2腳用于連接晶體振蕩器。為了計算單片機的時鐘周期，文章選用y1為11.0592MHz的陶瓷無源晶體振蕩器，C3和C4為輔助晶振起振的電容器。這種電容一般是陶瓷片電容，C3和C4只用一個也可接入電路，也可以同時連接，這樣振蕩效果更好。文章選用30pF陶瓷片電容器。

復位電路是單片機運行中硬件不可缺少的一部分。單片機的復位功能相當于計算機的重啟功能。當單片機死機或程序運行進入死循環時，需要單片機復位電路幫助單片機重啟或跳出死循環。本單片機復位電路主要有兩種復位方式：按鍵開關復位和電源重啟復位。

2.2 電阻應變片結構

文章采用懸臂梁固定電阻應變片。應變片電阻R1和R2固定在力敏型懸臂梁的頂部，R3和R4固定在懸臂梁的下側。當懸臂梁上端受力時，彈性懸臂梁發生變形。應變片應變進而引起應變電阻阻值的變化，最后信號輸出導線的S+和S-之間的電壓值發生變化，如此實現將電路物理參數轉換成電參量加以處理。

2.3 電阻應變片和懸臂梁的固定

電阻應變片密封固定完成后，懸臂梁的安裝固定就是應變片設計的最后一步工序了：要注意受力端一定要懸空，下側不能接觸地面，否則會影響懸臂梁的正常變形，使應變片的應變會出現誤差。此外，受力物體必須垂直作用在懸臂梁的受力面上。

3 電路及軟件

將系統電路繪制完成的硬件電路圖，采用模塊化電路設計，便于各部分的電路分析和標注。電路設計完成后，需要檢查電路的電氣連接。由Protel99SE繪圖軟件自帶的ERC電氣檢測功能進行檢測，直到ERC錯誤為零，方可開始下一步設計工作。

3.1 信號放大及AD轉換電路設計

系統信號放大和模數轉換采用HX71AD模塊實現。AVDD外控電源輸出，為應變電阻傳感器提供勵磁調節電源。AVDD電壓的調節輸出值由電阻器R5和R6共同來確定。

3.2 LCD1602LCD電路設計

本系統設計采用LCD1602液晶作為顯示器。LCD1602液晶最多可顯示2行32個字符。文章LCD接口電路采用并行通信模式加以實現。

3.3 工作電壓和功耗

功耗是電子產品的一個重要參數。在設計之初，應充分考慮功耗。通過查閱主要電子器件的手冊，通過對主要有源器件功耗的統計，發現系統的最小功耗需要滿足500MA的要求。系統的單片機、液晶顯示器和AD轉換模塊均在直流5V電壓下工作，因此文章最后采用DC5V-1A電源為系統供電（計算機USB接口供電也可以），從而保證系統對工作電壓和功耗的要求。

3.4 報警輸出頻率和分貝

本系統的報警輸出采用DC5V有源蜂鳴器鳴笛實現。報警輸出頻率為1Hz，鳴笛聲大小為50～60分貝，在不產生太大噪聲的情況下給出有效報警。

3.5 使用環境要求

本系統使用極限溫度環境-20℃～85℃，考慮到溫度變化造成的溫飄影響，系統不推薦超出范圍值使用；同時本系統也不具備防水的功能，因而盡量避免在潮濕環境中使用，以免損壞系統。

4 結 語

手持式級速采果機械臂體積小、重量輕，使用靈活方便，簡單操作就能夠利用機械臂伸縮摘果并對果實進行稱重，在采摘的同時即完成了稱重的需要，并且還很好地保護了果實不受損傷。文章設計研究的新一代采果機進一步提高了采摘效率，減輕了勞動強度，極具有推廣價值，利于較快普及使用。