多关节机械臂抓取系统探讨

上传:mario 2022-09-21 18:46:52 版权声明 举报文章

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摘要:在农业发展过程中,果实采摘是极度耗费人力的工作。为了减少农业生产过程中的人工成本,将人工智能应用于农业领域将是一种有效手段。基于单片机的控制设计出一款智能抓取系统,拥有六关节高自由度机械臂;爪子采用柔性材料,在加强爪子和果实贴合度的情况下减少对果实的损伤程度;采用视觉系统进行图像处理,并采集三位坐标;采用避障系统控制小车前进;通过增加蓝牙模块让人工参与变得更加简便。本文设计的基于单片机的多关节机械臂抓取系统,有望提高农业采摘的效率,减少人工成本,将农业生产过程智能化。

关键词:单片机;机械臂;视觉系统;图像采集;避障;蓝牙

中国自古是农业大国,以传统农业生产方式为主。然而,随着国际人口的增长,对自然资源的需求也不断加大。这使得传统农业生产出现了越来越严重的供应短缺,自然环境的负担也成倍增加。为了缓解这种矛盾,最优最大化利用自然资源并且将人类从繁重的体力劳动中解放出来,科学界提出了集中生产的现代化农业构想。近几年,智能机器人频繁出现在其他领域,考虑将智能机器人运用于农业方面也是一个不错的方案[1]。迄今为止,应用于农业果实采摘方面的机器采集系统还没有普及,因此本文设计一种智能抓取系统,能够帮助采摘果实。

1系统的总体构成

本文设计的机械臂智能抓取系统由三大模块组成:视觉识别模块、机械臂和底座。系统以89C51单片机为核心操作器、六自由度机械臂作为执行合作机构。视觉系统通过摄像头捕获图像后进行实时处理,并反馈果实的三维空间坐标,实现果实数据的精准获得。底座通过红外线扫描获取数据,实时反馈前面路段的信息,实现小车的单目视觉正常行驶[2]。系统组成结构如图1所示

2系统的硬件设计

2.189C51单片机

采用51单片机作为控制系统,以89C51为主控芯片,拥有6路接口的PWM舵机和四个独立接口的总线舵机,实现按键控制、采集电路、电源和过流保护。89C51是一种高性能的CMOS8位处理器,通过电压控制,32字节闪存逻辑器件和可擦除只读存储器是89C51的重要器件。目前,ATMEL的89C51是一款高效的微控制器,它将8位多功能CPU和闪存集成到一台单片机中[3]。单片机的结构如图2所示。

2.2机械臂模块

本抓取系统的机械臂由力臂和多功能爪子两部分构成。力臂上拥有六个数字舵机,分别控制六个关节,每个数字舵机都由单片机单独控制,可以实现不同关节伸展或延伸不同的角度,完成不同的工作。为了使机械手具有良好的柔性,获得良好的运动性能,并具有其他类型的角度冗余数据,采用了六自由度柔性机械手。机械臂的结构如图3所示。采用新型可提升不同通道的机械臂,实现空间提升,使分拣机具有足够的灵活性。另外,在移动平台的橡胶垫上设置了一个360°旋转紧固杆,避免了因旋转角度不足或夹住壳体而给机械臂的选择带来不便。后续根据实际的工作情况,针对不同应用领域,通过六个关节的力矩传感器与编码器等工具进行数据采集;然后通过一系列方法,主要是人类策略的控制方法、傅里叶级数表达式拟合等,逐步建立一个运动轨迹库,有利于机械臂在以后的工作中适应不同的作业[4]。爪子是由三个数字舵机控制三个枝节组成的,三个枝节形成的三角形在抓取果实时更具有稳定性。三个数字舵机与单片机相连接,具有同时性,再提供足够抓力的前提下保障了爪子的稳定性[5]。爪子的材料采用的是柔性材料,在抓取果实时,爪子可以根据果实的大小和形状,产生相应的形变,减小爪子与果实间的缝隙,尽可能地实现完美闭合,防止果实脱落。机械爪结构如图4所示。

2.3底座模块

根据果园道路泥泞崎岖的突出特点,移动平台必须具备一定的道路选择和避障能力[6]。平台系统采用四轮差速器,提高了移动平台的承重能力和稳定性,并在一定程度上提高了转向精度,更适合通道内的路径选择和避障,使移动平台更加平稳安全。每个轮子由电机驱动芯片控制单独的伺服电机控制。移动平台使用锂电池作为能源,通过不同的电源处理器及稳压模块,输送不同电压和电流到相应的工作单位中,实现能源的驱动[7]。本文采用E18-D80NK-N红外线传感器和US-100超声波避障模块。E18-D80NK-N红外线传感器的功能:前方无障碍时输出高电平;有障碍时输出口电平会从高电平变成低电平,传感器检测到这一信号就可以确认正前方有障碍物,并传送给单片机,单片机通过输入内部的算法,协调小车两轮工作,从而完成躲避障碍物的动作。US-100超声波避障模块的主要功能:通过超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差就可以测算距离。超声波发射端在单片机前置电路的驱动下工作,接收端的信号放大、整形后在单片机的中断口产生中断,通过发射和接收的时间差计算出小车与障碍物的相对距离[8]。模拟图如图5所示。

3结语

本文的智能抓取系统以51单片机作为控制系统,89C51作为主控芯片,拥有六路接口的PWM舵机和四个独立接口的总线舵机,实现按键控制、采集电路、电源和过流保护等功能。用树莓派作为视觉处理系统的处理芯片进行图像采集;支持蓝牙4.0的远程操控,可以通过手柄、手机APP和电脑对机械臂进行操控,实现机械臂躯干的活动和机械爪的抓取工作。

作者:董一波 刘立群 杨阳 李志华 顾任远 周煜博 单位:甘肃农业大学 信息科学技术学院