采摘机器人设计-以苹果采摘为例

目录TOC\o"1-3"\h\u97961.绪论 绪论研究的背景及意义水果收获是农业生产链上最耗时费力的一项过程。根据相关的资料，蔬菜采集作业所需要的工人数约占全世界农作物生产总人的百分之四十，而蔬菜采集是一种劳动密集型的季节性作业，由于农业人力资源的短缺以及农业劳动者的老龄化，能参与农作物生产的劳动者越来越少，而单纯依赖人力劳作已无法适应当前的市场需求，这就很急切的要求用机器人来取代人力劳作[1]。苹果树属于落叶乔木，果园里苹果树大多为栽培树木，高约2.5米到3米，苹果树的树冠较大，只有提供给它足够的空间，才可以正常生长，提高苹果的产量，所以果农种植苹果树时会控制好间距，一般果园里果树株距为2米，行距4米。苹果果实向外形成扁平球状，直径1般在3厘米以上，苹果果实在熟透后为深红色，先端会看起来稍微突出，但鄂洼下陷，果梗也较粗短[5]。成熟的苹果，它口感爽脆，受到人们的喜爱，并且在市场上销售量高。目前，市面上的苹果采摘大多以人工为主，苹果的采摘季节性明显，工作强度较大，采摘工作比较单一，还具有一定的危险性、容易受到环境因素的影响，这些问题随着人口老龄化进程的加深正不断加剧。所以运用苹果采摘机器人采摘苹果是一种必然趋势，它一方面可以减轻果农的劳动量，另一方面可以降低生产成本，提高经济效益[11]。图1.1成熟的苹果图1.2苹果果园图片国内外苹果采摘机器人的发展现状苹果采摘机器人是一个综合控制系统，它包括对环境的感知功能、动态决策与规划路径、控制系统和执行机构[4]。在20世纪中后期，许多发达国家就开始研究采摘机器人，如葡萄采摘机器人[13]、日本的水果收获机器人[14]。但是，已开发的机器人环境成本偏高，并且不能处理复杂、动态和连续变化的任务，难以满足实际应用的挑战性要求[15]。目前，美国国外的AbundantRobotics的科技有限公司，最新推出了一种苹果采摘自动化机器人。该人工智能机器人在果园中工作时，利用内部的激光雷达射出激光，并使用人工智能机器人的视觉功能对苹果公司进行图像辨识。一旦认识到苹果公司已经形成，控制系统系统将会对其做出下一个排序，通过机器手臂采摘目标苹果。苹果树上，已熟透的苹果通过真空管中的空气吸取而被采集了下来，最后通过输送机，苹果被运送到收果箱中。这款苹果的采摘机器人能够每天二十四小时工作，在果园的小路上来来回回，跳过不太成熟的苹果，采摘成熟的苹果。该机器人虽然提高了苹果采摘的效率，但是采摘环境具有局限性，还没有被广泛推广使用，此外末端执行器的设计会影响苹果的采摘效率和损伤程度。图1.3AbundantRobotics公司的机器人正在采摘苹果我国在苹果采摘机器人领域的研究起步略晚一些。天津技术学院研发的一款经济实用的水果采摘机器人，并对其合理性进行了分析。云南大学胡国顺等人采用单片机和智能监测设计采摘机器人调速系统[8]，华北理工大学李俊良等人设计了基于连杆机构采摘的机械手[2]。桂林电子科技学院伍锡如等人设计了一种新式的苹果分拣自动化机器人，该自动化机器人由四轮驱动的移动平台、采摘机器臂、采摘手和视觉感知系统四大部分组成。它利用视觉控制系统的两个CCD照相机收集影像信号，进而对影像进行分析处理、测量和确定机械手前方的红色苹果，并进行算出红色苹果的空间方位坐标，然后传送到机械手的控制终端，不断调整位置，直到苹果出现在机械手的采摘范围内。经试验表明，平均采摘成功率达到了91.31%。测试效果虽然较为理想，但仍待解决的问题，苹果的采摘环境较复杂，需要不断地优化和测试[10]。沈阳工学院高群等人设计了一种轮式的苹果采摘机械，在产品设计过程中对二者的不同结构进行了比较分析，但对于机器人的机械结构、控制技术等方面还需要进一步研究[3]。综上所述，国内外现有苹果采摘机器人的仍然存在不足之处。首先要减少在采摘的过程中苹果的损伤率，其次要尽量简化苹果采摘机器人的结构，以便更好的适应复杂的采摘环境。最后，需要提高苹果采摘机器人的性价比，使苹果采摘机器人可以大规模投入使用。主要研究内容苹果采摘机器人的主要任务就是采摘苹果。一个完整的苹果采摘机器人主要由两大部分构成，一个是苹果采摘机器人的采摘臂部分，另一个是搭载采摘部分的行走机构。各个部分均由机械部分、动力驱动部分、控制系统部分、测量传感器部分、执行机构五部分所构成。本课题要研究的苹果采摘机器人是以单片机为控制器，利用传感器对苹果进行识别定位，再通过操控末端执行器实现对苹果的采摘并放置到指定位置。在这个过程中，苹果的采集机器人就可以完成采摘机械手臂运动、从末端执行器抓取苹果等关键动作的智能操作，从而完成了苹果的收获。在采摘时要求单个苹果的平均采摘时间不大于10s，最大爬坡角度为30°。它的难点是对于苹果的识别、定位，机械结构的选择。设计的苹果采摘机器人结构要尽量简化，能适应复杂的采摘环境，减少采摘过程中苹果的损伤率，使苹果采摘机器人的性价比有所提高，最好能被果农们大规模投入使用。苹果采摘机器人总体方案设计一个完整的苹果采摘机器人主要由两大部分构成，一个是苹果采摘机器人的采摘臂部分，另一个是搭载采摘臂部分的行走机构。总体方案图根据要求设计出苹果采摘机器人的总体方案图如图2.1所示。图2.1总体方案图图2.1中苹果采摘机器人的两大组成部分均由五个小部分构成，各个部分的功能如下。1) 机械部分机械部分则是指支撑着整个体系的机械构件，机械构造直接决定了苹果采摘机器人运动的灵活性和管理的复杂度。2) 动力驱动部分为整个系统的控制和执行提供能源动力。3) 控制部分根据采集到的苹果果实信息以及各传感器反馈回来的信息，进行分析、处理，实现对整个系统的控制。4) 检测传感部分保证系统的识别和定位的准确性以及对障碍物的感知能力和保护能力。采用传感器，获取目标苹果的位置信息。5) 执行机构通过对苹果果实的夹持以及对果梗的切割，尽量做到不损伤并且能成功采摘苹果。苹果采摘机器人采摘臂控制系统结构框图根据苹果采摘机器人系统所实现的目标要求设计了采摘臂部分的，系统设计框图如图2.2所示。图2.2苹果采摘机器人采摘臂的控制系统结构框图行走机构的选择国内外对苹果采摘机器人的运行方法大致有轮式和履带型二类。轮式的行驶方法主要有三轮结构和后四轮构造，并且都具有运行平稳、容易控制的特点，但是与地面摩擦力小、容易打滑，稳定性较差，在果园中行走容易颠簸。履带式的行驶方法是把履带绕到轮胎上，将轮胎和地面分离，从而增加了和地面之间的摩擦力，其通过能力高、附着能力好、可以在狭窄空间进行原地回转、对道路环境的适应能力好，因此能够在较崎岖的道路通行。考虑到苹果采摘机器人作业的环境是室外果园，这就要求苹果采摘机器人需要对路面的适应能力强，最好具有一定的爬坡能力、转弯半径要能够小一点，其次承载能力要好，稳定性能好，综合考虑以上因素，最终采用履带式行走机构。图2.3履带图片行走机构的结构框图根据行走机构的任务要求，画出行走机构的结构框图如图2.4所示。图2.4行走机构的结构框图采摘机械臂的方案设计直角坐标机械臂直角坐标机械臂的运动主要包括X、Y、Z这三个轴上的直线运动，各个关节之间的夹角均为直角，一般采取闭环控制的形式来进行对直角坐标机械臂的位置控制，这种控制形式运动的直观性强，精度高稳定性好，可以很容易就达到很高的位置精度和运动精度，但是占据的空间比较大，相应的工作范围较小，灵活性较差。图2.5直角坐标机械臂圆柱坐标机械臂圆柱坐标式机械手臂是由垂直方向和水平方向运动的直动滑膜关节和回转关节组成，能够完成机械手臂横向和纵向移动以及在水平面上的回转。其结构紧凑、动作简单直观、占地面积较小，和直角坐标系机器臂相比较，圆锥坐标系机器臂的构造更简洁，操作更简单，不过也易受设备提升机构的影响，因此通常都无法提高地面上或降低位置上的工件，也不能抓取靠近立柱上的物体。图2.6圆柱坐标机械臂关节型机械臂关节型的机械臂主要包括三个回转运动。它还具备了人臂的某些特点，和另外一些身体形态的机械臂进行了比较，关节类机械臂的结构紧凑、动作也更加敏捷，并且占用操作空间小、工作范围大。此外它还可以绕过障碍物提取或运送工件，比较适合在果园中绕过障碍采摘水果。图2.7关节型机械臂综合分析上述的三种方法，关节式机械手臂操作更加灵巧、操作余地大而且有拟人的特点，可以在复杂的环境下工作，满足苹果采摘的工作环境要求。因此选取方案中三关节型机械臂为最终方案。苹果采摘机器人机械系统设计苹果在果树上的分布是随机的，并且分布的空间比较大。整个装置主要由移动平台、可移动的腰部、大臂、小臂及其末端部分执行器等构成。腰部底盘则采用旋转关节，大臂、小臂采用仿人手臂的运动方式。大臂小臂长度的确定苹果树属于落叶乔木，果园里苹果树大多为栽培树木，高约2.5米到3米，苹果树的树冠较大，只有提供给它足够的空间，才可以正常生长，提高苹果的产量，所以果农种植苹果树时会控制好间距，一般果园里果树株距为两米，行距4米。为了能够成功地采摘到苹果树上的果实，机械臂需要满足一定的尺寸要求。通过查阅相关参考文献，初步设计机械臂的尺寸。大臂的长度设计为1100mm，大臂结构由复合材料与金属合金骨架组成。小臂的长度设计为800mm，小臂结构与大臂结构类似，由复合材料骨架和薄钢板组成。基座基座它是作为支撑整个机械手臂的重要位置，考虑到要确保机械臂运动时的稳定性，初步决定采用灰铸铁制造加工基座。传动苹果采摘机器人的关节部通过交流伺服发电机作为驱动源。本设计的苹果采摘机器人滑膜关节，所需要的是低速度、大转矩的动力，所以就必须采用行星齿轮减速器对电动机进行减速器，使交流伺服电机系统所提供的高速度、低转矩的动力，转换成低速度、大转矩的动力，而通过行星齿轮传动，则能够使该结构结构更加紧凑，比较普通的减速器系统而言自身比重也较轻，因此能够达到很大的下降速比。行走机构第二章中已经说明了最终的履带式的行走机构，以电机为原动力，利用传动车轮和电力传动减速器的结合，把电力的动能传导到驱动轮位置上，从动车轮再利用履带传动带动运动，并且从动轮采取了和驱动轮类似的结构。所以驱动轮的设计是非常重要的一部分。履带式行走机构如下图3.1所示，它主要具有转向和移动两个功能。图3.1为履带式行走机构的转动机理示意图，由电机和驱动轮驱动固定在行走机构的二端的履带上，O点为行走机构转动时的圆心，B为履带行走机构的长度，当二侧的传动轮与电机的直线运动速度不一致时，两侧传动轮的行走机构的长度发生了一个差速移动，从而完成转动的作用。图3.1履带式行走机构转向示意图查阅相关的文献资料，得到苹果采摘机器人属于小功率机械的类别，参考相关的设计参数，最终选用P=FV/1000来进行计算。已知苹果采摘机器人的任务要求的最大爬坡角度为30°，我们假设苹果采摘机器人在苹果园的平坦路面上最大行驶速度为10km/h，最大爬坡速度为7km/h，那么可以得到电机负载力矩：Tm=其中Tm为电机负载力矩；M为车体质量。由设计要求估算苹果采摘机器人的本体重量为500kg，装果箱估算苹果重量为100kg，因此M=600kg；a是行走机构加速度；g是重力加速度；F是履带与地面之间的摩擦系数，在苹果园里，履带与果园泥土地面的摩擦系数为0.75；ɑ是爬坡角度；η是总的传动效率；RS是驱动轮分度圆半径；i是总的传动比。电机转速公式N=v2π其中v是履带行走机构前进的平均速度；RS为表示驱动轮分度圆半径；i为表示传动比。可以计算电机功率P=Tm×N根据果园的实际的工作情况要求，知道苹果采摘机器人要在1m范围内刹死，这个时候用上坡的最高速度7km/h代入计算公式。代入公式计算得到加速度aa=v22s=1.89m/s2根据上坡时取速度v=7km/ℎ，加速度a=1.89m/s2，摩擦系数f=0.75，传动比设为i=32，总传动效率η=0.7129，计算可得电机最大负载力矩TM=6.00N.m根据上述计算的条件，考虑到电机还要正反转的问题，最终选择功率为1.2kw的安川直流伺服电机，型号是SGMGH-12A，它的转速最高可以达到1000r/min，扭矩是11.5N∙m。同时选用型号为PLE80的行星减速器，它是德国EUGART品牌的配套减速器，它的减速比是i=32，传动效率非常高。末端执行器的选择苹果采摘机器人末端执行器的功能要求1.要能够准确采摘；2.尽量减少采摘过程中苹果的损伤；3.采摘过程平稳且速度不会太慢。末端执行器的确定目前使用的末端执行器大概有三种。第一种是采用两指、三指的机械钳爪采摘手，这种机械手由夹持机构来获取和回收苹果，结构灵巧简单、便于控制，其缺点是这种机械手容易损伤苹果的脆性表皮，不利于后期苹果的储藏与运输。图3.2两指式采摘机械手第二种是吸附式采摘手，这种采摘手可以用来采摘苹果，通过吸取的方式完成采摘，此种方式应用于工业机器人中搬运体积大、质量轻的硬质水果，但是采摘过程中也容易出现损伤，并且容易将不成熟的苹果也采摘下来，采摘效果也不太理想。图3.3吸附式采摘装置第三种是采用鱼鳍弯曲特性开发的柔性三爪机械手。它虽然具有自动适应物体形状、通用性强、抓取轻柔不损伤苹果的特点，但是采摘时容易扭断苹果的果梗，不利于苹果的储藏。图3.4柔性机械手目前的末端执行机由于在采摘过程中易对苹果产生伤害，所以经过总结，最终选择了筒状末端执行机，其结构主要有齿状的拢果器、切割刀片、接果器、位置感应器等.首先通过控制机械臂的动作使苹果完全进入了齿状拢果器，当末端执行机中的位置感应器探测到被摘的苹果完全进入接果器时，机械手臂便停止了动作，此时，通过控制切割刀片动作和齿状拢果器啮合并断开了苹果果梗，苹果便进入收果筒，从而完成下一个苹果的摘取任务。收果筒与收果箱通过一个柔性袋相连接，收果箱内具有缓冲装置，防止苹果的损伤，有利于后期苹果的运输与存储。设计了如图3.5所示的筒状末端执行机，图中的末端执行机主要由接果器、齿形拢果器、收果筒、位置传感器、刀刃、刀刃轮、拢果器轮和同步带轮等部分构成。图3.5筒状末端执行器结构简图图3.5中的接果器为前端开口的圆筒形状，中间通过了半圆形的切割刀片与齿形拢果器，从动带轮与刀片结果值是固定相连的，刀片传动齿轮与刀片解算结果值是固定相连的。而拢果器左端与拢果器传动齿轮也是固定相连的，它们都是和刀片齿轮相互啮合的状态。收果筒和接果器也是相连的状态，收果筒上部是与接果器前端底部联系在一起的。使用的是对射型光电位移感应器，嵌入装置在接果器前部与收果筒中上端的中间部位。为减轻末端执行机的重量，并增加运动运动精确度，接果器和收果筒均是以轻型硬塑胶材质所制造的。此外，还在筒状末端执行机的内部喷涂有一层硅橡胶，可以有效防止防止采摘过程中苹果出现损伤。同步带车轮由步进电机的驱使下回转，并引导从动带轮回旋转。根据任务要求可以得知，机器人所采摘的苹果为球形，直径一般为5cm≤D≤10cm，单个质量约为150g至300g。所以筒状末端执行器中接果器与收果筒内径都设计成105mm，方便采摘后的苹果落入收果箱。筒状末端执行器工作原理苹果摘机器人利用机械手臂的运动使接果器达到了目标苹果所在的最适宜摘取地点，此时目标苹果已进入接果器中，当末端执行器中的位置感应器侦测到目标苹果已完全进入接果器中时，机械手臂便停止了行动。由步进电机推动有齿拢果机的工作，使目标苹果逐步地赶入了接果器中并搂住目标苹果的果梗。通过控制切割刀片和带齿拢果机的啮合，机械切割苹果果梗后，将苹果落入收果筒，然后经过柔性袋后送到收果盒，再进行下一次苹果的收获。每一次苹果收获完毕后，通过机械手臂的继续运动，带动末端执行器去寻找下一个采摘目标。当所有目标苹果采摘完成时，机械臂运动返回苹果回收的位置。因为在苹果的整个采摘过程中不涉及夹持、扭断机构，大大的避免了采摘时苹果的损伤，并且苹果果梗是切断的，所以不存在扭断产生的损伤口。电动机的选择由于本文中设定的末端执行机负荷范围较小，同时对末端执行机也必须实现更准确的位移控制，于是采用了步进电动机为基础驱动。步进电机具有操作简便、运行可靠、响应快的特性。图3.6步进电动机初步选用的步进电动机的型号为42BYGH4604，具体参数见表3.1。表3.142BYGH4604具体参数电机型号步距角机身长(mm)相电压(V)相电流(A)静力矩(g.cm)转动惯量(g.cm2)功率（W）转速（r/min）42BYGH46041.84812V0.4A53206820500带轮的设计同步带轮由步进电机驱动旋转，并带动从动带轮旋转。主要是对带轮的选择。根据已知的条件，设定主动轮的参数：P=20w；传动比i=2；传动中心距160mm；转速n=500r/min。同步带的设计功率Pd=KP=1.2×20=24w（3-同步带的型号和节距根据设计功率24W和转速n=500r/min，查的机械手册可知：选择带的型号为3M型，小带轮的齿数Z由小带轮的转速n=500r/min，以及带的型号为3M型，查的机械手册选择的小齿轮的齿数：Z大带轮的齿数ZZ2=i×Z1=2×10=20带轮节圆的直径D小带轮的节圆直径D1D1=Pb×大带轮的节圆直径D2D2=Pb×计算带速VV=πD1n1初定中心距a0.7(D1+D2)≤带入数据计算得0.7（30.3+60.6）≤a0≤2(30.3+60.6)（3-可以得到72.7mm≤a最终确定实际的中心距为155mm。苹果采摘机器人控制系统设计控制器的选择苹果采摘机器人通过驱动履带式行走机构，使苹果采摘机器人靠近苹果树，利用传感器捕捉信息，机器人通过调整腰部、大臂、小臂的角度和位置，使末端执行器靠近目标苹果，从而实现苹果的采摘。苹果的识别、定位以及准确的采摘都是需要传感器采集到的信息。控制器是实现对各部分的精确控制，主要完成对各种传感器采集信号的分析处理工作。控制器的选择一般有两种，一种是可编程控制器(PLC)，另一种是单片机。PLC控制器虽然具备了故障率少、抗干扰力量较强、研发时间较短等优势，但其生产成本相对较高。单片机的软件程序设计方式灵活多样、算术运算控制功能强劲，能够用软件程序去完成对所有计算与逻辑的控制，同时该系统的耗电量较少、体积小、成本低，因此目前的单片机软件技术发展已相当成熟，在各个领域中使用普遍。所以，可以选用单片或微型计算机为主控核心，而是通过采用闭环控制系统，实现对苹果采摘机器人的智能控制，同时将电路设计得尽量简洁一点，可以提高苹果采摘机器人的动作灵活性。52单片机是一种应用非常广泛的集成控制芯片。根据芯片的用途去设计控制电路，单片机系统接受从各种传感器中收集来的信息，并对它们加以分析、计算、整理，然后输出相对应的信号去控制机械部分的运转，从而完成苹果的采摘[11]。它具有简单的输入、输出接口，除此之外，为了保护电路正常运行和有效地实现多功能的控制，还加入了复位电路、拓展电路。具体电路如下图4.1所示。图4.1单片机控制电路串口电路主要用于控制电路功能的拓展，为了更好地实现苹果采摘机器人的电路全能化，本文设计了扩展电路。它巧妙地运用芯片的控制将手臂与末端执行器合理地连接起来，只有当机械手臂完成控制后，末端执行器才开始进行工作，接着末端执行器完成采摘苹果的工作后，机械手臂才又开始工作。串口通讯系统具有构造简单、成本低、传输易行、电路板布线少的优点。另外，AT89C52单片式微型计算机的TXD、RXD等全双工串行接口，为使用串行通信带来了极大的便利。图4.2AT89C52芯片电源模块电源模块是苹果采摘机器人控制系统中必不可少的一部分，它是非常重要的。它为整个系统提供能源动力，所以选择合适的电源对于控制系统来说是非常有必要的。苹果采摘机器人系统电机及执行机构均必须采用24V电压供应。图4.3电源电路电机驱动控制模块电机驱动电路也是非常重要的一部分，本设计采用脉宽调制(PWM)来达到控制发动机的速度的目的。小功率直流电机一般由定子和转子所构成，用单片机实现脉冲宽度调制是很容易的，只要经过调节发电机电枢电压，开通日期和通电星期之间的差值(即占空比)就可以控制电机得速度了。小功率直流电动机的速度调节方式一般是把电动机电源开通很久，随后再断开电源，然后重新接上供电，通过调整电机与通断时刻的比列，就可以实现调速的目的，这种速度调制方式也叫做脉宽调制。通过调节变压器定子绕组电流的通过、断电时刻，就可以实现电机转速的调节。具体的电机驱动电路如图4.4所示。图4.4电机驱动电路显示模块考虑到苹果采摘机器人的使用者大多为没有技术经验的果农，所以本设计的显示模块是要能够清晰的显示出机器人运转信息，方便果农熟知机器的运转状态。表示系统的连接方法要使用灵活、简洁，带有十分简洁的控制命令，方便果农的使用。初步采用的是带中文字库的128X64LCD屏幕。图4.5显示电路报警模块报警功能，主要用来水果采摘机器人在工作中碰到障碍物时能够主动报警，提醒人工及时的检修机器和排除障碍，防止因为障碍物造成机器故障。本设计中完成的声光报警的显示，是利用单片微式电脑所产生不同的声音信息来控制的，并利用闪光LED指向灯和鸣声器来提醒操作者进行检修。图4.6报警电路循迹模块将苹果采摘机器人在行走过程中不断读取的数据，通过单片机进行处理。苹果采摘机器人之所以能够寻迹，主要是由前方的反射式传感器来完成的，因为光具有反射特性。所要寻迹的轨道的变化情况取决于搭载采摘臂的行走机构前方传感器的反映，通过对AT89S52单片机的初始化处理，然后对各个传感器按一定的顺序进行扫描。然后通过传感器扫描到得的信息，再经过相应的I/O口将信息输入给单片机处理，然后单片机再通过一定的算法来传递给PWM控制器信息。从而调节电动机的速度，以便控制直流电机适当的转向。传感器选择视觉传感器视觉感应器，是人类用来收集苹果的定位信号，相当于在搜索目标苹果的眼睛，也可用于判断机器人末端执行机和苹果之间的相应距离，从而进行适当的判断，将视觉感应器装在末端执行机上，在采摘过程中捕捉苹果图像，将末端执行器前方采集到的信息传输到中心控制系统单片机，提示末端执行器移动位置，通过移动机械臂，准确的识别苹果的位置并使末端执行器移动到苹果的合适采摘位置。位置传感器位置传感器用来检测位置的，主要用于检测目标苹果是否完全进入接果器，它安装在接果器中。只有当检测到目标苹果完全进入接果器时，控制切割刀片与齿状拢果器的咬合，割断苹果果梗，才完成一个苹果的采摘。初步应用为对射型的光电感应器，其主要由发出与接收器二部分所构成，发出端产生红光或红外，由接收端接受，当苹果的光被遮挡后，就会输出信号，从而确定苹果是否完全进入接果器。红外传感器通过机器视觉去实现不接触探测物体信息是非常复杂的。目前为止，很多机器人都可以通过采用雷达或者声纳来完成对物体的探测。除此以外，还有一种更简便的方法，是利用红外线来照射机器人的路线，并通过判断何时有光线从目标反弹过来来实现对物体的侦察。近年来，随着红外线远程控制的发展，红外发射机和检测器的售价非常低廉并开始被广泛使用。综合多种因素，本设计初步采用红外传感器，具体电路如图4.7所示。图4.7红外传感器模软件设计软件流程图苹果采摘机器人开始工作时，搭载采摘臂部分的行走机构通过循迹功能到达苹果树下的合适位置，此时行走机构停止运动，采摘机械臂开始运动，利用传感器寻找目标苹果，目标苹果位置合适时，末端执行器开始运动，执行采摘苹果的指令，最后，苹果通过柔性袋落入收果箱，完成了一个苹果的采摘。软件部分的设计，采用C语言编程，通过一个苹果的采摘作业流程设计控制系统软件流程图，详见图4.8软件流程图。图4.8软件流程图程序仿真图本次设计采用的仿真软件是matlab软件，它能够比较清晰的模拟机械臂的运动过程以及各种参数，各个关节的冲击速度，加速度，速度与位置随时间变化曲线如图4.9所示图4.9加速度，速度与位置随时间变化曲线图关节轨迹规划仿真如图4.10所示4.10关节轨迹规划仿真图4.11轨迹定义条件仿真图MATLAB不但对二维曲线和三维曲面的处理和绘制等一般软件都具有的功能有所补充，而且对于图形的色度处理、四维数据以及光照处理的这些其他软件所没有的功能表现出了出色的处理能力。MATLAB还具有数据可视化功能，这项从开发时就拥有的功能可以方便用户使用，数据可视化功能能够以图形的形式将矩阵和向量表达出来。高层次的作图包括二维和三维的图象处理、可视化、表达式和动画作图可用于工程绘图和科学计算。对机械臂进行运动学仿真，为了使机械臂运动的状况能够更