多關(guān)節(jié)機(jī)械臂抓取系統(tǒng)探討

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摘要：在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，果實(shí)采摘是極度耗費(fèi)人力的工作。為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的人工成本，將人工智能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹且环N有效手段。基于單片機(jī)的控制設(shè)計(jì)出一款智能抓取系統(tǒng)，擁有六關(guān)節(jié)高自由度機(jī)械臂；爪子采用柔性材料，在加強(qiáng)爪子和果實(shí)貼合度的情況下減少對(duì)果實(shí)的損傷程度；采用視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，并采集三位坐標(biāo)；采用避障系統(tǒng)控制小車前進(jìn)；通過增加藍(lán)牙模塊讓人工參與變得更加簡(jiǎn)便。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂抓取系統(tǒng)，有望提高農(nóng)業(yè)采摘的效率，減少人工成本，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能化。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；機(jī)械臂；視覺系統(tǒng)；圖像采集；避障；藍(lán)牙

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，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[1]。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)。視覺系統(tǒng)通過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)小車的單目視覺正常行駛[2]。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示

2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.189C51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、電源和過流保護(hù)。89C51是一種高性能的CMOS8位處理器，通過電壓控制，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[3]。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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)[4]。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[5]。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。

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[6]。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)[7]。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[8]。模擬圖如圖5所示。

3結(jié)語

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、電源和過流保護(hù)等功能。用樹莓派作為視覺處理系統(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。

作者：董一波 劉立群 楊陽 李志華 顧任遠(yuǎn) 周煜博 單位：甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院