基于單片機(jī)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂抓取系統(tǒng)

董一波，劉立群，楊 陽(yáng)，李志華，顧任遠(yuǎn)，周煜博

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

中國(guó)自古是農(nóng)業(yè)大國(guó)，以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式為主。然而，隨著國(guó)際人口的增長(zhǎng)，對(duì)自然資源的需求也不斷加大。這使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了越來(lái)越嚴(yán)重的供應(yīng)短缺，自然環(huán)境的負(fù)擔(dān)也成倍增加。為了緩解這種矛盾，最優(yōu)最大化利用自然資源并且將人類從繁重的體力勞動(dòng)中解放出來(lái)，科學(xué)界提出了集中生產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)構(gòu)想。近幾年，智能機(jī)器人頻繁出現(xiàn)在其他領(lǐng)域，考慮將智能機(jī)器人運(yùn)用于農(nóng)業(yè)方面也是一個(gè)不錯(cuò)的方案。迄今為止，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)果實(shí)采摘方面的機(jī)器采集系統(tǒng)還沒(méi)有普及，因此本文設(shè)計(jì)一種智能抓取系統(tǒng)，能夠幫助采摘果實(shí)。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本文設(shè)計(jì)的機(jī)械臂智能抓取系統(tǒng)由三大模塊組成：視覺(jué)識(shí)別模塊、機(jī)械臂和底座。系統(tǒng)以89C51單片機(jī)為核心操作器、六自由度機(jī)械臂作為執(zhí)行合作機(jī)構(gòu)。視覺(jué)系統(tǒng)通過(guò)攝像頭捕獲圖像后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，并反饋果實(shí)的三維空間坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)果實(shí)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲得。底座通過(guò)紅外線掃描獲取數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)反饋前面路段的信息，實(shí)現(xiàn)小車的單目視覺(jué)正常行駛。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 89C51單片機(jī)

采用51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，以89C51為主控芯片，擁有6路接口的PWM舵機(jī)和四個(gè)獨(dú)立接口的總線舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)按鍵控制、采集電路、電源和過(guò)流保護(hù)。89C51是一種高性能的CMOS8位處理器，通過(guò)電壓控制，32字節(jié)閃存邏輯器件和可擦除只讀存儲(chǔ)器是89C51的重要器件。目前，ATMEL的89C51是一款高效的微控制器，它將8位多功能CPU和閃存集成到一臺(tái)單片機(jī)中。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片機(jī)的結(jié)構(gòu)

2.2 機(jī)械臂模塊

本抓取系統(tǒng)的機(jī)械臂由力臂和多功能爪子兩部分構(gòu)成。力臂上擁有六個(gè)數(shù)字舵機(jī)，分別控制六個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)數(shù)字舵機(jī)都由單片機(jī)單獨(dú)控制，可以實(shí)現(xiàn)不同關(guān)節(jié)伸展或延伸不同的角度，完成不同的工作。為了使機(jī)械手具有良好的柔性，獲得良好的運(yùn)動(dòng)性能，并具有其他類型的角度冗余數(shù)據(jù)，采用了六自由度柔性機(jī)械手。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖3所示。采用新型可提升不同通道的機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)空間提升，使分揀機(jī)具有足夠的靈活性。另外，在移動(dòng)平臺(tái)的橡膠墊上設(shè)置了一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)緊固桿，避免了因旋轉(zhuǎn)角度不足或夾住殼體而給機(jī)械臂的選擇帶來(lái)不便。后續(xù)根據(jù)實(shí)際的工作情況，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)六個(gè)關(guān)節(jié)的力矩傳感器與編碼器等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；然后通過(guò)一系列方法，主要是人類策略的控制方法、傅里葉級(jí)數(shù)表達(dá)式擬合等，逐步建立一個(gè)運(yùn)動(dòng)軌跡庫(kù)，有利于機(jī)械臂在以后的工作中適應(yīng)不同的作業(yè)。

圖3 機(jī)械臂總體結(jié)構(gòu)

爪子是由三個(gè)數(shù)字舵機(jī)控制三個(gè)枝節(jié)組成的，三個(gè)枝節(jié)形成的三角形在抓取果實(shí)時(shí)更具有穩(wěn)定性。三個(gè)數(shù)字舵機(jī)與單片機(jī)相連接，具有同時(shí)性，再提供足夠抓力的前提下保障了爪子的穩(wěn)定性。爪子的材料采用的是柔性材料，在抓取果實(shí)時(shí)，爪子可以根據(jù)果實(shí)的大小和形狀，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，減小爪子與果實(shí)間的縫隙，盡可能地實(shí)現(xiàn)完美閉合，防止果實(shí)脫落。機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 機(jī)械爪結(jié)構(gòu)

2.3 底座模塊

根據(jù)果園道路泥濘崎嶇的突出特點(diǎn)，移動(dòng)平臺(tái)必須具備一定的道路選擇和避障能力。平臺(tái)系統(tǒng)采用四輪差速器，提高了移動(dòng)平臺(tái)的承重能力和穩(wěn)定性，并在一定程度上提高了轉(zhuǎn)向精度，更適合通道內(nèi)的路徑選擇和避障，使移動(dòng)平臺(tái)更加平穩(wěn)安全。每個(gè)輪子由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制單獨(dú)的伺服電機(jī)控制。移動(dòng)平臺(tái)使用鋰電池作為能源，通過(guò)不同的電源處理器及穩(wěn)壓模塊，輸送不同電壓和電流到相應(yīng)的工作單位中，實(shí)現(xiàn)能源的驅(qū)動(dòng)。本文采用E18-D80NK-N紅外線傳感器和US-100超聲波避障模塊。E18-D80NK-N紅外線傳感器的功能：前方無(wú)障礙時(shí)輸出高電平；有障礙時(shí)輸出口電平會(huì)從高電平變成低電平，傳感器檢測(cè)到這一信號(hào)就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)輸入內(nèi)部的算法，協(xié)調(diào)小車兩輪工作，從而完成躲避障礙物的動(dòng)作。US-100超聲波避障模塊的主要功能：通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以測(cè)算距離。超聲波發(fā)射端在單片機(jī)前置電路的驅(qū)動(dòng)下工作，接收端的信號(hào)放大、整形后在單片機(jī)的中斷口產(chǎn)生中斷，通過(guò)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出小車與障礙物的相對(duì)距離。模擬圖如圖5所示。

圖5 避障模擬圖

2.4 視覺(jué)模塊

為了能夠精準(zhǔn)地抓取果實(shí)，在抓取系統(tǒng)中增加視覺(jué)系統(tǒng)。視覺(jué)模塊相當(dāng)于抓取系統(tǒng)的眼睛，其作用決定了采摘果實(shí)的質(zhì)量和現(xiàn)場(chǎng)采摘的速度；同時(shí)在視覺(jué)模塊中引入了深度學(xué)習(xí)，重新建立模型和模擬人的大腦進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，進(jìn)而處理3D圖像和數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)攝像機(jī)以各種方式采集的圖像進(jìn)行分析，可以得到PTZ緩動(dòng)控制的能力，以便將來(lái)將運(yùn)動(dòng)目標(biāo)保持在中心區(qū)域。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤在過(guò)去的十年中得到了廣泛的研究，但在相同的經(jīng)濟(jì)背景下，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤面臨著許多新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步的優(yōu)化算法可以提高目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的魯棒性。

2.5 藍(lán)牙模塊

本文的操作系統(tǒng)增添了HC-08藍(lán)牙串行通信處理模塊，該模塊是新一代數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模塊，基于藍(lán)牙規(guī)范V4.0藍(lán)色協(xié)議。增添藍(lán)牙模塊的作用在于：操作人員可以根據(jù)任務(wù)需求手動(dòng)控制操作系統(tǒng)來(lái)完成相應(yīng)的工作。手機(jī)可以在開放的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)80 m網(wǎng)絡(luò)通信。電路如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙模塊電路

3 結(jié) 語(yǔ)

本文的智能抓取系統(tǒng)以51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，89C51作為主控芯片，擁有六路接口的PWM舵機(jī)和四個(gè)獨(dú)立接口的總線舵機(jī)，實(shí)現(xiàn)按鍵控制、采集電路、電源和過(guò)流保護(hù)等功能。用樹莓派作為視覺(jué)處理系統(tǒng)的處理芯片進(jìn)行圖像采集；支持藍(lán)牙4.0的遠(yuǎn)程操控，可以通過(guò)手柄、手機(jī)APP和電腦對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行操控，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂軀干的活動(dòng)和機(jī)械爪的抓取工作。