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苹果采摘采摘机器人苹果采摘机器人是通过编程来完成苹果的采摘、转运相关作业任务的具有感知能力的自动化机器人。主要由机械手，驱动系统和视觉系统组成。特点如下（1）有精确度高的视觉识别系统，能够区分出果实和植物的枝蔓，准确识别出成熟果实和非成熟果实，提高准确率和成功率。（2）有灵活的机械臂和较为轻便柔软的机械末端，且能够在工作时避开枝蔓的阻挠。即自由度个数适中，同时能够保证采摘的效率。（3）有较为稳定的运动控制系统，能够及时配合机械臂、机械末端的工作，确保采摘工作的顺利完成。总体结构机械手定义机械手的升降行程、腰部、大臂、小臂，伸缩行程和末端执行器的长度分别表示为当d2,l2,l3,l4,d5和lm。结合采摘苹果的具体实际及相关机器人学原理，机械臂尺寸要满足以下要求(单位:米):依据仿生学原理1:人类的大小臂长度相等，是完美的机器人手臂 长度关系。这里，大臂长度应等于小臂加上末端执行器的长度(设计的末端执行器，法兰盘到手指抓取轴线的距离较长，不能忽略lm =0.2)。即:l3=l4+lm=l4+0.2 0 2)选用了商品化的电动推杆作为小臂伸缩关节部件，由于其机械结构的限制，小臂伸缩行程应小于或等于小臂长度的一半，即:d5=(1/2) l4。为增大机械手工作空间，这里设计d5=1/2l4。3)l2长度与腰部的机械结构有关，其包括腰部转动机构的高度和腰部升降机构的原始高度。由后面设计的结构可:知l2 = 0.84)以上关系汇总可知，大臂长度13、小臂长度14，小臂伸缩行程d5,有如下关系:l4=l3 -0.20 d5=0.5l3 -0.1 假设一个苹果果树的树干长是1m，长有苹果的树冠直径是1.5m，可以知道大臂长0.9m，小臂长0.7m，同时大臂最小转角是=40 大臂最大转角=140通常，机械臂关节驱动电机有交流伺服电机，直流伺服电机和步进电机三种类型。其中，步进电机不适合用于闭环控制系统，所以不予以考虑。而交流伺服电机与直流伺服电机相比有如下优点:1)结构简单，运行可靠，维修方便，外形尺寸小。2)能在重载下高速运行，加速性能好，能实现动态制动。所以确定选用交流伺服电机作为关节的驱动的执行部件，通过进行计算各关节负载的等效转动惯量和等效转矩，求得总负载力矩，再根据电机估算功率公式:x=Tm+Jm*m9.55*nmax机械手大小臂关节驱动电机型号如表所示.小臂伸缩杆选用美国DANAHER电动推杆, 具体型号为:EC2-X-10-04A-400-ME2-MTM-23X，其伸缩行程为400mm。最高速度Vmax = 0.3m/s。额定推力:F=120 N。 大小臂关节减速器选用德国Eisele减速机，大臂关节减速器型号:DPL118-100，小臂关节减速器型号:DPL 84-100。均为三级减速器，减速比100: 1。注意额定扭矩分别为250N.m和120N.m，虽然其可以承受瞬间的过载量，但当瞬间负载扭矩超过额定扭矩的两倍时，减速器因超载会停止工作，这对减速器寿命影响较大。所以大小臂输出轴的额定输出扭矩应按照减速器的额定扭矩来标定。即大臂关节额定扭矩为250N.m，小臂关节额定扭矩为120N.m。驱动系统假设车体重量是10千克，可以采摘的果实最大总重量是5千克。小车线速度为2/s(一般以最高速度加上一定的余量来以此我们通过计算力矩、输出功率方面来选择执行器即驱动电机) 轮半径为0.075。静态摩擦系数一般取0.2。减速比即为减速箱的齿轮比。我们选用14:1，其减速效率一般为80%。1 计算力矩M M轴上的力矩/(减速比*减速箱效率) 静态摩擦系数小车质量*g*轮半径/(减速比*减速箱效率)2 计算电机转速n =(线速度*60*减速比)/(2*pi*轴半径) 3 计算功率P0 4 根据最选择功率合适的电机，要求电机的输出功率满足PmaxP0,一般选择2 P0Pmax1.5 P05 进一步验证电机选择是否合适，验证方法： 因此，所选择的电机输出功率最好应在109.5146之间。通过查找电机的参数指标 ，后轮的步进电机可以选择FAULHBER3863型号。前轮的电机采用步进电机，可以使小车转向更加灵活，我们采用35BY48HJ120减速步进电动机。表1 FAULHBER3863型号电机性能参数正常电压24V极限电阻0.62 最大输出功率220W效率85%空载转速6700rpm空载电流0.24A静止转矩1250mNm摩擦转矩8.0mNm速度常数287rpm反电动势常数3.49mv/rpm转矩常数33.3mNm/A电流常数0.030A/mNmn-M曲线斜率5.4rpm/mNm转子电感130H机械时间常数6ms转子惯量110gcm最大转速8000rpm最大转矩110mNm（2）35BY48HJ120减速步进电动机特点，如表2所示表2 35BY48HJ120减速步进电动机特点型号相数步距角扭矩Nm电压V电流A电阻转速rpm驱动方式35BY48HJ1202/47.51.5120.44564-2视觉系统 苹果采摘机器人中传感器主要应用于果实的识别、系统的导航、以及避障。果实识别与采摘采用视觉传感器、位置传感器、力传感器，系统导航采用电磁传感器，运动系统避障采用超声波传感器。传感器种类多，应用广泛，以下是几种常用传感器的比较。如表3.2所示表3.2 传感器性能比较传感器类型优 点缺 点红外传感器超声波视觉价格合理，使用方便价格合理，可以测死物，夜间不受影响。易于多目标测量和分类，分辨率好。不受温度、天气影响。测量范围小，对空气温度变化敏感。测量范围有限，对天气环境变化敏感。不能直接测量距离，算法复杂，处理速度慢。视觉系统传感器选择 Senspart智能相机FA46位置传感器选择 Senspart反射式光电传感器F10力传感器选择 上海聚力BH-S测力传感器电磁传感器 杰航KG1010B-5-22磁性传感器超声波传感器选择SenspartUMT30微处理器的选择AVR单片机我们选用ATmega32，与其它8-Bit MCU相比，AVR 8-Bit MCU最大的特点是：1.哈佛结构，具备1MIPS / MHz的高速运行处理能力；2超功能精简指令集（RISC），具有32个通用工作寄存器，克服了如8051 MCU采用单一ACC进行处理造成的瓶颈现象；快速的存取寄存器组、单周期指令系统，大大优化了目标代码的大小、执行效率，部分型号FLASH非常大，特别适用于使用高级语言进行开发；3作输出时与PIC的HI/LOW相同，可输出40mA（单一输出），作输入时可设置为三态高阻抗输入或带上拉电阻输入，具备10mA-20mA灌电流的能力；4片内集成多种频率的RC振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，外围电路更加简单，系统更加稳定可靠；5支持ISP下载，程序烧写不需要烧些器；6片内具备多种独立时钟分频器，支持脉宽调制输出PWM； 以下是ATmega32引脚图： VCC 数字电路的电源GND地端口A(PA7.PA0) 端口A 做为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态端口B(PB7.PB0) 端口B为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口C(PC7.PC0) 端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。除去移出数据的TAP态外，TD0引脚为高阻态。端口D(PD7.PD0)端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。RESET 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。XTAL1 反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。XTAL2 反向振荡放大器的输出端。AVCC AVCC是端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用时应通过一个低通滤波器与VCC连接。AREF A/D的模拟基准输入引脚。工作图信号处理超声波传感器驱动系统功率放大光电隔离单片机电机信号处理视觉传感器果实机械手PID算法所谓的PID控制，就是对偏差信号进行比例、积分和微分运算变化后形成的一种控制规律，即由于视觉伺服控制系统是一种采样控制系统，它只能根据采样时刻图像数据计算当前目标位置偏差来得到控制量。因此，为了使该控制系统能实现式，必须将其离散化。由于数字控制器是在线进行控制的，对实时性要求较高，所以必须采用简单、可靠和足够精确的方法。常用的方法有差分变换法、零阶保持器法和双线性变换法35。令： 将式(4-2)离散化并整理得到 果树采摘机器人PID控制器原理图如图所示。 果树采摘机器人数字PID控制器输出计算公式： 根据采摘机器人工作过程、系统软硬件构成，利用V