作者：付宗國,，王 麗

    目前采摘機器人研究重點大多集中在視覺系統(tǒng)對果實目標的識別和定位上，利用攝像頭獲取果實圖片信息,，通過復雜的圖像信號處理算法,，編制程序進行邏輯處理，實現(xiàn)果實判斷,，發(fā)出采摘命令。這種方式機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)機器人最理想的方式,，但目前相關技術不夠成熟,，投入較高。本設計采用人機協(xié)作方式,，即采用人工判別果實,，機器人負責摘取。通過人工現(xiàn)場觀察判斷,，使用無線遙控遠程控制機器人動作,。這種方式現(xiàn)有技術比較成熟，使得機器人研發(fā)周期縮短,，造價成本低,，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,，本文設計了一款基于ATmega32的模擬采摘機器人,，能實現(xiàn)人工操作的機械采摘,，通過紅外遙控控制機械臂使末端夾持器伸到目標果實所在位置，進行抓取工作,，完成采摘任務,。

1 機器人總體方案設計

    機器人設計融合了機械制造技術，電子電路技術,，自動控制和傳感器檢測技術,，以及軟件開發(fā)編程等。本文中機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械臂和履帶底盤結構的機器人,，紅外遙控機械臂，實現(xiàn)抓取果實,。機器人結構框圖如圖1所示,。


    機器人的控制模式為無線控制機器人采用直接操縱方式，操縱者通過遙控器向遠端發(fā)送操縱指令,?？刂茩C器人的車體的前向運動，左右轉向,，三自由度的機械臂的運動,，及夾持器旋轉、張與合,。文中設計的機器人具有結構簡單,，功能豐富，可擴展性強等特點,。

2 機械裝置設計

    遙控采摘機器人機械裝置圖如圖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械臂。機器人主體使用網(wǎng)孔鋁板材料和工程塑料組裝成機器人機體,，結構輕巧,，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,。履帶底盤每一側采用雙履帶結構，使用4臺FAULHABER電機驅動,。機械臂固定在履帶式行走機構上,，機械臂上的伺服電機使用扭矩10 kg／cm的MG995金屬齒輪舵機，機械臂上伺服電機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,。伺服電機2控制夾持器的左右旋轉,。伺服電機3控制小臂上下運動，伺服電機4通過連桿和伺服電機5聯(lián)合驅動大臂上下運動,。

3 硬件電路設計

    由于機器人需要處理眾多傳感器輸入數(shù)據(jù),，同時控制眾多電機，這對微控制器提出苛刻要求,?；陂_放性，可靠性,，實時性等方面考慮,，本設計采用高性能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Pin，是32KB系統(tǒng)內可編程Flash的8位的高性能,、低功耗微控制器,。ATmega32是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。

    ATmega32的數(shù)據(jù)吞吐率高達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,。其內核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術邏輯單元(ALU)相連接,，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問2個獨立的寄存器,。其具有先進的RISC結構，131條指令大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期,，32個8位通用工作寄存器,，全靜態(tài)工作,，工作于16 MHz時,，性能高達16 MIPS，只需2個時鐘周期的硬件乘法器,。

3．1 控制主板設計

    基于ATmega32主板電路由電源模塊,，晶振模塊，通信模塊,，電機驅動模塊,，遙控編碼模塊和輸入輸出部分等。主板電路上設計了8個輸入接口,、8個輸出接口,、4個直流電機輸出接口，ISP接口和程序下載接口,、IR紅外遙控接收頭接入端口及IR紅外遙控器通道設置撥碼開關,，各個模塊接口采用插拔式,，可便于各種模塊的使用和功能擴展。輸入接口以多種傳感器,，檢測信號輸入MCU中,。在計算機上使用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信號處理后傳入MCU中,，其將各種輸入信號進行處理分析后向執(zhí)行器件發(fā)出控制信號。


    本設計的控制主板具有很強的擴展性,，通過增添模塊和修改程序,，可用于各種機器人開發(fā)和智能電路制作，應用廣泛,?？刂齐娐啡鐖D3所示。

3．2 USB轉UART下載電路

    AVR與PC之間進行串口通信,，主板下載端口采用UART的串行通信方式,，而計算機無法與UART端口直接相連，故需要一個USB轉UART的轉換器,。綜合實用性及可靠性等因素,，設計轉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，片內電壓調節(jié)器為3．3 V輸出,。

3．3 紅外遙控器設計

    本設計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器人前后左右運動,，操作數(shù)字鍵和特殊鍵可實現(xiàn)不同的動作,。

4 軟件程序設計

    本采摘機器人控制系統(tǒng)的軟件設計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是一個完整的開發(fā)工具,，包括編輯、仿真功能，利用這個工具,，可以編輯源代碼,，并在AVR器件上運行。采摘機器人系統(tǒng)的控制軟件由主程序,、伺服馬達驅動子程序,、遙控接收端子程序、傳感器處理子程序,、直流電機控制子程序等組成,。


    程序主要是對AVR單片機I／O口、T／C(定時器／計數(shù)器),、PWM調速,、中斷處理及全局變量、宏定義等的處理,。程序采用結構化和模塊化編寫思想,，使程序的可用性和可讀性達到較佳狀態(tài)。通過調用各個子程序,，修改主程序上的直流電機的速度和伺服電機的角度等參數(shù),，調試到機器人機械手到最佳角度，根據(jù)控制策略進行了軟件設計,，編制主程序流程圖如圖4所示,。

5 采摘機器人調試與試驗

    本系統(tǒng)設計的遙控模擬采摘機器人伸展后長為1．2 m，寬度0．38 m,，機器人最大速度為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,。機器人機械臂動作由舵機控制,，這里對機械臂舵機進行測試，各個舵機角度如表1所示,。機器人組裝測試后完成后抓取實物圖測試效果如圖5所示,。

　


    本機器人采用模塊化設計，各模塊功能互補,，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行采摘,。同時,，功能模塊具有很好的擴展性，可通過編程進行模塊擴展,。同時,，可多種任務并行工作，提高了采摘效率。

6 結論

    文中設計了一個基于ATmega32采摘機器人,，機器人主體使用堅固輕巧材料,，保證機器人輕巧，穩(wěn)定,。機器人采用履帶底盤驅動,，創(chuàng)新設計了雙履帶條結構，采摘結構設計了二三自由度機械臂,，能夠靈活地抓取實物,。

    輸入控制程序后，機器人通過外接傳感器,，可以實現(xiàn)半自主控制和紅外遙控,。機器人具有振動搖樹和逐個夾持兩種互補采摘模式。通過實際測試表明這款智能采摘機器人能夠較好的完成預期的任務,，本設計系統(tǒng)體積小,，重量輕。通過試驗驗證,，系統(tǒng)的人機交互能力較強,，運行穩(wěn)定可靠，控制靈活反應迅速,，達到了預期的設計目的,。尤其是運動速度快，動作靈敏,，能夠適應復雜果園環(huán)境,，其快速性和穩(wěn)定性都達到了規(guī)定的要求，機器人擴展性強,，功能強大,，成本低，具有一定的參考價值,。

    當然,，這只是作為采摘機器人的一種探索設計，離實際作業(yè)有很大的差距,。在以后的研究工作中,，還需要根據(jù)實際作業(yè)，對掛果果樹的高度和果實的大小尺寸,，以及果實的脆弱性等實際情況作深入的研究和改進,，如果采用完全智能采摘還須加入機器視覺，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器人平臺,，指導機械手操作,，機械采摘手也應設計應力傳感器，以便智能調節(jié)張開度,，以免損傷果實,。