楊小慶，時(shí)　磊，王　娜，鮑秀蘭

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶　400052；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢　430070)

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基于單片機(jī)的仿人多指番茄采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

楊小慶1，時(shí)磊2，王娜2，鮑秀蘭3

(1.重慶工商職業(yè)學(xué)院，重慶400052；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，武漢430070)

摘要：為了降低番茄采摘過程的破碎率，提高采摘效率，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采摘過程，利用單片機(jī)和PID控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種新型的仿人多指采摘機(jī)械手，并采用反饋調(diào)節(jié)控制方案設(shè)計(jì)了仿人多指機(jī)械手的控制系統(tǒng)?；贏T89S52單片機(jī)構(gòu)建了單手指控制器，來對(duì)機(jī)械手手指夾緊力信號(hào)進(jìn)行采集和處理，并發(fā)出夾緊指令。為了測(cè)試機(jī)械手的有效性和可靠性，首先對(duì)番茄的質(zhì)量尺寸相關(guān)性和電壓產(chǎn)生的夾緊力進(jìn)行了測(cè)試，通過參數(shù)調(diào)整后得到了番茄夾緊力隨時(shí)間變化曲線和破碎率隨時(shí)間變化曲線，最后對(duì)果實(shí)采摘的采摘時(shí)間和漏采率進(jìn)行了8次試驗(yàn)。由測(cè)試結(jié)果可以看出：對(duì)于單顆番茄的采摘最高用時(shí)僅為2.32s，最高漏采率僅為0.42%，采摘作業(yè)效率和采摘精度均較高。

關(guān)鍵詞：多指機(jī)械手；番茄采摘；反饋調(diào)節(jié)；單片機(jī)；AT89S52；仿人

0引言

自1954年美國成功研制出第一臺(tái)可編程控制機(jī)器人之后，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。由于機(jī)器人的出現(xiàn)及進(jìn)一步完善，人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式逐漸發(fā)生改變，即人-機(jī)器-自然界過渡到人-機(jī)器人-機(jī)器-自然界這一新模式，把人從生產(chǎn)崗位逐步解放出來，成為了生成的組織者和指揮者。隨著自動(dòng)化水平的進(jìn)一步提高，機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，而機(jī)器人執(zhí)行末端的靈活性和柔性成為機(jī)器人自動(dòng)化水平的重要指標(biāo)。對(duì)于易碎果實(shí)的采摘，機(jī)器人的柔性和靈活性是降低果實(shí)損失率的重要方法，因此對(duì)于仿人番茄多指采摘機(jī)械手的研究具有重要的實(shí)際意義。

1仿人多指番茄采摘機(jī)械手總體設(shè)計(jì)

仿人多指靈巧手的控制由于涉及到機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，并且采取不同的驅(qū)動(dòng)方式，所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型也不相同，所以建立出來的控制模型比較復(fù)雜。對(duì)于番茄采摘多指機(jī)械手的設(shè)計(jì)，可以使用簡(jiǎn)單的PID閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)便可以滿足其設(shè)計(jì)要求，其總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

圖1　仿人采摘機(jī)械手總體設(shè)計(jì)框圖

圖1中，各手指動(dòng)作的協(xié)調(diào)主要通過傳感器信號(hào)的反饋來調(diào)節(jié)，傳感器接受信號(hào)經(jīng)過濾波后通過A/D轉(zhuǎn)換將信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)接受信號(hào)使用變頻器進(jìn)行調(diào)速，調(diào)整夾緊力；然后對(duì)果柄進(jìn)行切斷，將果實(shí)移動(dòng)到果箱，移動(dòng)過程中利用限位開關(guān)進(jìn)行啟停；當(dāng)達(dá)到果箱時(shí)，機(jī)械手松開，果實(shí)掉落到果箱中。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)使用直線步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行操作，驅(qū)動(dòng)過程如圖2所示。其中，信號(hào)檢測(cè)元件主要包括光電位置開關(guān)、壓力傳感器和霍爾傳感器。當(dāng)檢測(cè)到單片機(jī)信號(hào)后，開始進(jìn)行夾持動(dòng)作，當(dāng)傳感器檢測(cè)到夾持力達(dá)到一定大小時(shí)，步進(jìn)電機(jī)停止動(dòng)作，等待果柄和果實(shí)的分離；分離完成后步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)后復(fù)位，復(fù)位過程以霍爾傳感器標(biāo)定為基準(zhǔn)。

圖2　直線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)過程圖

圖3表示機(jī)械手的硬件系統(tǒng)框架圖。其中，控制中心是單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)接收外部數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)和發(fā)出指令的功能；控制面板使用人機(jī)交互界面，并且具有液晶顯示功能，通過監(jiān)控系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)和自動(dòng)化控制。

圖3　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2多指采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多指仿人番茄采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)主要采用弧形面手指抓持，設(shè)果實(shí)受到的重力為G，施加的載荷力為F；為了防止番茄夾碎，在弧形面里使用橡膠，設(shè)橡膠和果實(shí)的摩擦因數(shù)為υ，最大靜摩擦力為Ff，其示意圖如圖4所示。

根據(jù)牛頓第三定律和力學(xué)平衡條件，果實(shí)不滑落的條件為重力等于手指產(chǎn)生的最大靜摩擦力，由此可得

(1)

一般的果實(shí)和橡膠的摩擦因數(shù)在0.38～0.51之間，于是夾持力的大小與果實(shí)的平均質(zhì)量存在較大的關(guān)系，對(duì)于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)還與果實(shí)的尺寸有關(guān)。因此，可以通過對(duì)果實(shí)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的方法來分析質(zhì)量和物理尺寸的相關(guān)性，計(jì)算后得到了如表1所示的相關(guān)性結(jié)果，其顯著性水平為α=0.05。

圖4　番茄采摘示意圖

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由表1可以得到：果實(shí)的各項(xiàng)尺寸參數(shù)和果實(shí)質(zhì)量存在顯著的相關(guān)性，其后幾項(xiàng)的絕對(duì)系數(shù)R2均大于 0.9，P=0<α。利用這些相關(guān)參數(shù)可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)和夾緊力進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，其機(jī)械手的總體功能設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5　末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)示意圖

機(jī)械手執(zhí)行末端，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)，絲杠和螺紋的連接帶動(dòng)手指的閉合和張開，內(nèi)置的電熱絲將番茄的果柄進(jìn)行加熱切斷，其拇指的設(shè)置如圖6所示。

圖6　拇指結(jié)構(gòu)示意圖

拇指結(jié)構(gòu)根據(jù)仿生原理，將尺寸設(shè)計(jì)為人手指尺寸的1.5倍，共有3個(gè)關(guān)節(jié)和3個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了手指的彎曲和側(cè)擺動(dòng)。對(duì)于手指的控制，可以使用簡(jiǎn)單的PID閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行控制，閉環(huán)輸出可以用u(t)來表示，其公式為

(2)

其中，Kp表示比例系數(shù)；Ki表示積分時(shí)間常數(shù)；Kd表示微分時(shí)間常數(shù)；e(t)表示控制誤差。對(duì)式(1)進(jìn)行拉氏變換，可以得到傳遞函數(shù)為

(3)

對(duì)于PID反饋閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，需要對(duì)控制過程進(jìn)行離散化，變?yōu)閿?shù)字式的控制。假設(shè)T為采樣周期，使用許多采樣點(diǎn)kT替代時(shí)間t，將積分形式用求和來替代，將微分使用后項(xiàng)差分來替代，用求和代替積分，用后項(xiàng)差分代替微分，并令t=kT(k=0,1,2…)，則離散化的微分方程為

(4)

PID控制類型使用位置型PID控制算法，其第k次采樣計(jì)算機(jī)的輸出值u(k)為

(5)

其中，k表示采樣序號(hào)，k=0,1,2…；e(k)表示第k次采樣測(cè)得的偏差值；e(k-1)表示第k-1次采樣測(cè)得的偏差值。采用信號(hào)的輸入與輸出可以采用單片機(jī)來進(jìn)行控制。

作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，單片機(jī)的性能及技術(shù)參數(shù)將影響到整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建及運(yùn)行，為了降低功耗，使用了Atmel公司生產(chǎn)AT89S52 的單片機(jī)。其具有8位CMO工藝處理器，使用8K 在線可編程 Flash 存儲(chǔ)器，該單片機(jī)性價(jià)比較高，使用靈活，可以作為許多嵌入式系統(tǒng)的單片機(jī)，并且具有較好的兼容性，后續(xù)可以進(jìn)行功能的擴(kuò)充。

3多指番茄采摘機(jī)械手性能測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的仿人多指番茄采摘機(jī)械手的有效性和可靠性，通過番茄采摘試驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試。由于番茄屬于易碎果實(shí)，因此主要測(cè)試項(xiàng)目主要包括定位準(zhǔn)確度和果實(shí)的破碎率。

圖7為仿人多指的番茄采摘執(zhí)行末端測(cè)試示意圖。在測(cè)試過程中，首先利用手指對(duì)番茄進(jìn)行夾緊，番茄屬于易碎番茄類，因此在采摘過程中需要施加相應(yīng)的壓力，如果壓力過大會(huì)造成果實(shí)的破碎。使用不同的電壓對(duì)手指的壓力進(jìn)行控制，通過測(cè)試得到了如圖8所示的壓力隨電壓變化曲線。

圖7　番茄采摘末端執(zhí)行器

圖8　果實(shí)壓力隨電壓變化曲線

為了實(shí)現(xiàn)番茄采摘的無損性，對(duì)果實(shí)的夾持力度進(jìn)行了測(cè)試，使用FSR402壓力傳感器測(cè)試執(zhí)行末端夾持力，采用壓力加載標(biāo)定的方式對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。試驗(yàn)時(shí)，采用砝碼加載的形式對(duì)傳感器加載，間隔加載量是50g，重復(fù)次數(shù)為4次，取平均值后得到了如圖9所示的結(jié)果變化曲線。

圖9　抓緊力隨時(shí)間變化曲線

由圖9可以看出：加載力在6ms時(shí)可以調(diào)整出穩(wěn)定的結(jié)果，超調(diào)量較低，調(diào)整時(shí)間很短，達(dá)到了精確控制的目的。

圖10表示破碎率隨采摘時(shí)間的變化曲線。由圖10可以看出：隨著采摘時(shí)間的增加，破碎率也有所增加；但是增加負(fù)幅度不大，在1 800min時(shí)，破碎率僅為0.046 8，符合番茄采摘的需求。

圖10　破碎率隨采摘時(shí)間變化曲線

表2表示通過8次測(cè)試得到的果實(shí)的采摘時(shí)間和漏采率的測(cè)試結(jié)果。由表2可以看出：對(duì)于單顆番茄的采摘時(shí)間較短，最高用時(shí)僅為2.32s，采摘作業(yè)效率較高；多指機(jī)械手的漏采率也很低，最高僅為0.42%，采摘精度較高。

表2　果實(shí)采摘時(shí)間和漏采率測(cè)試

4結(jié)論

1)采用單片機(jī)技術(shù)和PID閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一款新型的仿人多指采摘機(jī)械手，并設(shè)計(jì)了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。其中，控制系統(tǒng)的核心采用了一款性價(jià)比較高、使用靈活的AT89S52單片機(jī)。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械手指夾緊力信號(hào)的收集、處理，并能夠發(fā)出動(dòng)作指令。

2)為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)械手的有效性和可靠性，對(duì)機(jī)械手進(jìn)行了果實(shí)采摘試驗(yàn)，得到了果實(shí)采摘的破碎率、果實(shí)采摘時(shí)間及果實(shí)的漏采率等性能指標(biāo)。其中，破碎率在1 800min時(shí)僅為0.046 8，單顆番茄的采摘最高用時(shí)僅為2.32s，最高漏采率僅為0.42%，符合番茄采摘作業(yè)高效率高精度的要求，為番茄采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

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Design and Implementation of a New Type of Humanoid Multi Finger Tomato Picking Manipulator Based on SCM

Yang Xiaoqing1, Shi Lei2, Wang Na2, Bao Xiulan3

(1.Chongqing Technology and Business Institute, Chongqing 400052，China; 2.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000，China; 3.Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to reduce tomato picking broken rate, improve the picking efficiency, realize automatic picking process, by MCU and PID control technology design a new type of humanoid multi fingered picking manipulator, and the feedback control scheme, the humanoid multi-fingered manipulator control system.The single finger controller is constructed based on the AT89S52 microcontroller, and the finger clamping force signal of the manipulator is collected and processed, and the clamping instruction is issued. For mechanical testing of validity and reliability, are first generated on tomato quality dimension relativity and voltage clamping force were tested through adjusting the parameters obtained the tomato clamping force with time change curve and broken rate versus time curve, at the end of the fruit picking picking time and loss rate of 8 experiments,by the test results can be seen, for single tomato picking with the highest is only 2.32s,maximum loss rate is only 0.42%, picking operation efficiency and picking accuracy is higher.

Key words：multi finger manipulator; tomato picking; feedback regulation; SCM; AT89S52; human like

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0080-05

中圖分類號(hào)：S225.92

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：楊小慶(1984-)，女，湖北宜昌人，講師，碩士。通訊作者：王娜(1980-),女，河南焦作人，講師，碩士，(E-mail)wangna0377@163.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-06-16