基于A(yíng)Tmega32的遙控采摘機器人設計

　　目前采摘機器人研究重點(diǎn)大多集中在視覺(jué)系統對果實(shí)目標的識別和定位上，利用攝像頭獲取果實(shí)圖片信息，通過(guò)復雜的圖像信號處理算法，編制程序進(jìn)行邏輯處理，實(shí)現果實(shí)判斷，發(fā)出采摘命令。這種方式機器人具有較好的自動(dòng)識別的能力，并且能夠自動(dòng)采摘，無(wú)需人工操作，是農業(yè)機器人最理想的方式，但目前相關(guān)技術(shù)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(shí)，機器人負責摘取。通過(guò)人工現場(chǎng)觀(guān)察判斷，使用無(wú)線(xiàn)遙控遠程控制機器人動(dòng)作。這種方式現有技術(shù)比較成熟，使得機器人研發(fā)周期縮短，造價(jià)成本低，雖然不能夠完全代替人勞動(dòng)，但能夠降低人的勞動(dòng)強度，對于目前中國農業(yè)的水平，能夠更好的普及。

　　針對以上存在的問(wèn)題，本文設計了一款基于ATmega32的模擬采摘機器人，能實(shí)現人工操作的機械采摘，通過(guò)紅外遙控控制機械臂使末端夾持器伸到目標果實(shí)所在位置，進(jìn)行抓取工作，完成采摘任務(wù)。

　　1 機器人總體方案設計

　　機器人設計融合了機械制造技術(shù)，電子電路技術(shù)，自動(dòng)控制和傳感器檢測技術(shù)，以及軟件開(kāi)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(pán)結構的機器人，紅外遙控機械臂，實(shí)現抓取果實(shí)。機器人結構框圖如圖1所示。

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

　　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(dòng)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(chē)體上增加模塊。移動(dòng)載體為履帶式底盤(pán)，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(pán)每一側采用雙履帶結構，使用4臺FAULHABER電機驅動(dòng)。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(kāi)和合并，使得夾持器能夠完成采摘和剪切等任務(wù)。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(dòng)，伺服電機4通過(guò)連桿和伺服電機5聯(lián)合驅動(dòng)大臂上下運動(dòng)。

　　3 硬件電路設計

　　由于機器人需要處理眾多傳感器輸入數據，同時(shí)控制眾多電機，這對微控制器提出苛刻要求?；陂_(kāi)放性，可靠性，實(shí)時(shí)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(gè)Pin，是32KB系統內可編程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的數據吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統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(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)2個(gè)獨立的寄存器。其具有先進(jìn)的RISC結構，131條指令大多數指令執行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè)8位通用工作寄存器，全靜態(tài)工作，工作于16 MHz時(shí)，性能高達16 MIPS，只需2個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器。

　　3.1 控制主板設計

　　基于A(yíng)Tmega32主板電路由電源模塊，晶振模塊，通信模塊，電機驅動(dòng)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(gè)輸入接口、8個(gè)輸出接口、4個(gè)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(kāi)關(guān)，各個(gè)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(kāi)發(fā)軟件，編寫(xiě)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(guò)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(jìn)行處理分析后向執行器件發(fā)出控制信號。

　　本設計的控制主板具有很強的擴展性，通過(guò)增添模塊和修改程序，可用于各種機器人開(kāi)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(jìn)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(wú)法與UART端口直接相連，故需要一個(gè)USB轉UART的轉換器。綜合實(shí)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(wú)需外部電阻，集成的時(shí)鐘無(wú)需外部振蕩器，集成的512字節EEPROM用于存儲產(chǎn)品，片內電壓調節器為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(lèi)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，現精確控制，故采用此芯片作為遙控主控制芯片。通過(guò)操作方向鍵控制機器人前后左右運動(dòng)，操作數字鍵和特殊鍵可實(shí)現不同的動(dòng)作。

　　4 軟件程序設計

　　本采摘機器人控制系統的軟件設計主要考慮控制的確性和系統的開(kāi)放性，采用AVR Studio4的編程環(huán)境，AVRStudio4是一個(gè)完整的開(kāi)發(fā)工具，包括編輯、仿真功能，利用這個(gè)工具，可以編輯源代碼，并在A(yíng)VR器件上運行。采摘機器人系統的控制軟件由主程序、伺服馬達驅動(dòng)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(shí)器/計數器)、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(xiě)思想，使程序的可用性和可讀性達到較佳狀態(tài)。通過(guò)調用各個(gè)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，調試到機器人機械手到最佳角度，根據控制策略進(jìn)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

　　本系統設計的遙控模擬采摘機器人伸展后長(cháng)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(cháng)遙控距離為3 m。機器人機械臂動(dòng)作由舵機控制，這里對機械臂舵機進(jìn)行測試，各個(gè)舵機角度如表1所示。機器人組裝測試后完成后抓取實(shí)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，可根據作業(yè)環(huán)境選擇合適的模式進(jìn)行采摘。同時(shí)，功能模塊具有很好的擴展性，可通過(guò)編程進(jìn)行模塊擴展。同時(shí)，可多種任務(wù)并行工作，提高了采摘效率。

　　6 結論

　　文中設計了一個(gè)基于A(yíng)Tmega32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，穩定。機器人采用履帶底盤(pán)驅動(dòng)，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(shí)物。

　　輸入控制程序后，機器人通過(guò)外接傳感器，可以實(shí)現半自主控制和紅外遙控。機器人具有振動(dòng)搖樹(shù)和逐個(gè)夾持兩種互補采摘模式。通過(guò)實(shí)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(wù)，本設計系統體積小，重量輕。通過(guò)試驗驗證，系統的人機交互能力較強，運行穩定可靠，控制靈活反應迅速，達到了預期的設計目的。尤其是運動(dòng)速度快，動(dòng)作靈敏，能夠適應復雜果園環(huán)境，其快速性和穩定性都達到了規定的要求，機器人擴展性強，功能強大，成本低，具有一定的參考價(jià)值。

　　當然，這只是作為采摘機器人的一種探索設計，離實(shí)際作業(yè)有很大的差距。在以后的研究工作中，還需要根據實(shí)際作業(yè)，對掛果果樹(shù)的高度和果實(shí)的大小尺寸，以及果實(shí)的脆弱性等實(shí)際情況作深入的研究和改進(jìn)，如果采用完全智能采摘還須加入機器視覺(jué)，以等視頻監視模塊，根據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，以便智能調節張開(kāi)度，以免損傷果實(shí)。