蒯蘇蘇 沈志豪 王 震 謝 靜 費(fèi)鋮邦 朱明霞

（1. 江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 江蘇鎮(zhèn)江212013；2. 鎮(zhèn)江市第一人民醫(yī)院 江蘇鎮(zhèn)江212002）

國內(nèi)外對于葡萄套袋機(jī)械的研制，是通過葡萄圖像顏色特征分析，選取目標(biāo)和背景灰度差異較大的色差圖，分別采用人工閾值法和自動閾值法對其進(jìn)行分割，運(yùn)算量大，耗時(shí)多，目標(biāo)識別在夜間無法進(jìn)行。目前葡萄套袋機(jī)械的設(shè)計(jì)難點(diǎn)有：（1）對于（生長期）葡萄的識別難度大；（2）對于撐袋套袋過程缺乏靈活的結(jié)構(gòu)。針對以上問題，根據(jù)文獻(xiàn)蒯蘇蘇提出的 TRIZ效應(yīng)理論，通過“Makeblock”機(jī)器人創(chuàng)意組件，創(chuàng)新設(shè)計(jì)搭建了Arduino智能型葡萄（生長）自動套袋機(jī)器人，白天黑夜均可識別葡萄串，并自動套袋[1-6]。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

Arduino葡萄套袋智能機(jī)器人主要有行走系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。機(jī)器人樣機(jī)采用“Makeblock”鋁合金組件，獨(dú)特的螺紋槽和孔的連接方式，搭建了一種Arduino葡萄套袋智能機(jī)器人，如圖1所示。經(jīng)過Arduino的開源電子平臺設(shè)計(jì)新的運(yùn)算程序，對機(jī)器人模式識別和自動套袋進(jìn)行編程和創(chuàng)新。

1.1 行走系統(tǒng)

四輪履帶式小車左前輪安裝步進(jìn)電機(jī) M3，右前輪安裝步進(jìn)電機(jī)M4，電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動小車按照指令運(yùn)行。當(dāng)小車左輪速度小于右輪速度時(shí)，左轉(zhuǎn)； 當(dāng)小車左輪速度大于右輪速度時(shí)，右轉(zhuǎn)；當(dāng)小車左輪速度等于右輪速度時(shí)，小車走直線。由于兩個輪子在行進(jìn)過程中，分別遇到的阻力不一樣，兩輪的轉(zhuǎn)速會發(fā)生偏差，解決的方法是通過編碼器、Arduino控制器和電機(jī)驅(qū)動模塊、步進(jìn)電機(jī)形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，對電機(jī)驅(qū)動板的使能端口和轉(zhuǎn)向端口進(jìn)行設(shè)置，步進(jìn)電機(jī)中的編碼器反饋轉(zhuǎn)速送入Arduino控制器中，控制器實(shí)時(shí)計(jì)算出兩輪的轉(zhuǎn)速差，設(shè)立一個PID比例算法，讓轉(zhuǎn)速慢輪子的電機(jī)功率值加大，從而消除車輪的轉(zhuǎn)速差。

PID比例算式是：

PWM_3=（float）PWM_3+1.5（rpm_4—rpm_3）。算式中：rpm_4是步進(jìn)電機(jī)M4的轉(zhuǎn)速；rpm_3是步進(jìn)電機(jī)M3的轉(zhuǎn)速；PWM_3是步進(jìn)電機(jī)M3的PWM功率值。

二輪步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差乘以比例調(diào)節(jié)因子1.5，再疊加上一次PID計(jì)算得到的PWM_3，就得到了當(dāng)前步進(jìn)電機(jī)M3的PWM功率值PWM_3。如果步進(jìn)電機(jī)M4轉(zhuǎn)速rpm_4比步進(jìn)電機(jī)M3轉(zhuǎn)速rpm_3要低，則從算式中可以看到，會自動減小步進(jìn)電機(jī)M3功率值 PWM_3，反之亦然，通過循環(huán)執(zhí)行Arduino程序中PID算式，便可達(dá)到兩個步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速一致的目的。當(dāng)小車避障時(shí)，用超聲波傳感器檢測到機(jī)器人接近了相關(guān)障礙物體10 cm時(shí)，自動調(diào)整方向，避障或繞障行走，使小車執(zhí)行前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止和速度切換動作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自移動功能。

圖1 葡萄（生長）套袋智能機(jī)器人

葡萄串模式識別，根據(jù)TRIZ理論對效應(yīng)不足的完整模型，通過“物～場”分析的一般解法來解決，如圖2所示。S1—小車，S2—葡萄，F(xiàn)1—步進(jìn)電機(jī)的電能，為了使（小車）S1在（步進(jìn)電機(jī)）F1驅(qū)動行走時(shí)，（感知葡萄）S2，從 100個科學(xué)效應(yīng)中選用 E85—形變和E89—壓電效應(yīng)，插進(jìn)一個物質(zhì) S3—薄膜，并增加另一個場 F2—觸動傳感器開關(guān)信號的電能，來提高有用的效應(yīng)，去感知S2（葡萄）。

圖2 加入物S3和場F2

當(dāng)S1（小車）由F1（步進(jìn)電機(jī)）驅(qū)動行走時(shí)，S3（薄膜）觸碰到葡萄時(shí)產(chǎn)生很小的力，發(fā)生形變，改變物體空間性質(zhì)，薄膜背面的觸動傳感器被外力觸發(fā)，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，F(xiàn)2（觸動傳感器）發(fā)出開關(guān)信號，用一個條件判斷

使得擴(kuò)展板上LED燈點(diǎn)亮，行走停止，S2—葡萄串目標(biāo)定位。

當(dāng)履帶式小車前進(jìn)時(shí)，薄膜表面探測識別觸碰物體，移動中的薄膜觸碰到物體產(chǎn)生動態(tài)應(yīng)力。

模式識別時(shí)由于莖葉的重量很輕，對于薄膜產(chǎn)生的應(yīng)力很弱小，薄膜背面的觸動傳感器不觸發(fā)；而一串葡萄產(chǎn)生的應(yīng)力相對較大，易于與莖葉區(qū)分；對于小概率會碰到樹枝時(shí)，因?yàn)闃渲Φ墓潭ㄐ裕瑢τ诒∧ぴ斐傻膽?yīng)力會很大，以至于戳破薄膜，通過編程設(shè)置一個極限值來排除樹枝的影響。當(dāng)識別到葡萄串的時(shí)候，編寫Arduino 的C語言程序：

控制RGB模塊，設(shè)置LED模塊連接到3號接口，設(shè)定紅色數(shù)值（20）、綠色數(shù)值（150）、藍(lán)色數(shù)值（255），延時(shí)等待0.5秒，LED燈滅，鎖定目標(biāo)，等待接下來的套袋工序的完成。

1.2 機(jī)械系統(tǒng)

套袋需要細(xì)分成四個過程：吸袋、撐袋、套袋、扎袋。二自由度飛輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)各構(gòu)件尺寸如下：

構(gòu)件1=85 mm、構(gòu)件2=86 mm、構(gòu)件3=160 mm、構(gòu)件4=180 mm、飛輪5直徑Φ50 mm、飛輪5與構(gòu)件1之間機(jī)架距離CD=260 mm，如圖3所示。

圖3 二自由度飛輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)簡圖

圖3中，設(shè)置構(gòu)件1是0~60°擺動，飛輪5是0~90°轉(zhuǎn)動。當(dāng)飛輪5轉(zhuǎn)動，構(gòu)件4從水平位置吸住紙袋一側(cè)轉(zhuǎn)動，當(dāng)構(gòu)件4運(yùn)動到垂直位置時(shí)，飛輪5停止轉(zhuǎn)動，紙袋被吸盤A吸??；構(gòu)件1逆時(shí)針轉(zhuǎn)動，帶動擺桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動，構(gòu)件3移動到左端吸住紙袋另一側(cè)，接著構(gòu)件1順時(shí)針轉(zhuǎn)動60°，構(gòu)件3移動到右端，紙袋被吸盤B吸住，紙袋撐開。

識別葡萄串目標(biāo)定位的 LED燈點(diǎn)亮后，通過ArduinoStepper庫函數(shù)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，控制二自由度飛輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動。

構(gòu)件4一側(cè)的吸盤A由電機(jī)M1驅(qū)動飛輪5旋轉(zhuǎn)一定角度后，延時(shí)等待，打開氣泵電機(jī)M5控制氣泵吸氣口吸氣，構(gòu)件4向下固定位置吸取一個葡萄果袋。吸住套袋后，構(gòu)件4上的吸盤A同套袋在電機(jī)M1控制下再回到豎直位置。電機(jī)M2轉(zhuǎn)動，帶動構(gòu)件3一側(cè)的吸盤B向構(gòu)件4方向合攏，延時(shí)等待，打開氣泵電機(jī)M6控制氣泵吸氣口吸氣，使構(gòu)件3一側(cè)吸盤B吸住套袋，此時(shí)一對真空吸盤分別吸住套袋兩側(cè)。在吸盤保持吸住套袋的條件下，構(gòu)件4靜止，構(gòu)件1在電機(jī)M2驅(qū)動下帶動構(gòu)件3向另一側(cè)移動，吸盤B吸住果袋撐開，果袋張開面積最大時(shí)完成撐袋過程。接著保持一對吸盤的位置，將袋口對準(zhǔn)葡萄串，完成套袋。

自動收扎套袋過程，用一只三自由度機(jī)械手拽拉果袋繩子扎袋（見圖1）。機(jī)械手大臂處裝有大臂電機(jī)M9、機(jī)械手腕處裝有手腕舵機(jī)M8，機(jī)械手指處裝有手指電機(jī) M7，控制機(jī)械手大臂仰、俯；手腕仰、俯；手指張開、合攏六個動作，手指伸進(jìn)繩圈，夾住繩子，手腕上仰，大臂后仰，拉出繩子，收縮果袋袋口，自動拽拉果袋繩子扎袋，同時(shí)控制氣泵電機(jī) M5、氣泵電機(jī) M6停止氣泵吸氣，使吸盤A、吸盤B松開果袋，完成自動套袋。機(jī)構(gòu)回到初始位置待命，開始下一個目標(biāo)識別。

1.3 控制系統(tǒng)

由模塊化設(shè)計(jì)思想、任務(wù)要求及機(jī)器人工作的軟硬體，設(shè)計(jì)了計(jì)算機(jī)、Arduino的開源電子平臺，葡萄套袋智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體框圖見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)總體框圖

該控制系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)二部分構(gòu)成：上位機(jī)采用計(jì)算機(jī)，編寫Arduino圖形化程序，作為智能機(jī)器人的控制軟件，下位機(jī)采用 Arduino微處理器來實(shí)現(xiàn)對葡萄套袋智能機(jī)器人的整體控制。有三種運(yùn)行模式：（1）計(jì)算機(jī)在線控制機(jī)器人；（2）Arduino控制器控制機(jī)器人；（3）Andriod手機(jī)控制機(jī)器人。

機(jī)器人套袋流程框圖如圖5所示。用戶通過計(jì)算機(jī)與 Arduino 通信，Arduino機(jī)器人使用的每個程序中，由Arduino的接口收集從數(shù)字量收到的數(shù)值，然后送到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)把數(shù)值量的輸出數(shù)值反饋傳送到接口上，Arduino的微處理器接收來自計(jì)算機(jī)的程序指令，由程序自動打開或關(guān)閉相連的電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、舵機(jī)。

圖5 機(jī)器人套袋流程框圖

2 程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，在搭建機(jī)器人硬件的基礎(chǔ)上，按照功能要求，程序設(shè)計(jì)包括主程序、驅(qū)動程序、避障程序、支架平臺升降程序、套袋程序以及機(jī)械手程序，實(shí)現(xiàn)高層次分級控制。

2.1 Arduino 單片機(jī)程序

（1）Arduino程序結(jié)構(gòu)中沒有main（）函數(shù)，而是main（）函數(shù)的定義隱藏在Arduino的核心庫文件中。在進(jìn)行Arduino開發(fā)上，一般不直接操作main（）函數(shù)，而是使用setup（）和loop（）這兩個函數(shù)。

（2）loop（）函數(shù)是一個死循環(huán)，通常是在loop（）函數(shù)中完成驅(qū)動各種模塊和采集數(shù)據(jù)等功能。

（3）While“當(dāng)”型循環(huán)，引入 millis()函數(shù)，不用占用CPU時(shí)間，對長程序非常有用。如延時(shí)可采用while(millis() < endTime)_loop() 語句。

2.2 系統(tǒng)程序

搭載在機(jī)器人上的電機(jī) M10驅(qū)動絲杠螺母機(jī)構(gòu)運(yùn)動，絲杠螺母薄膜感應(yīng)器上升，感知上方葡萄串時(shí)小車停止前進(jìn)，進(jìn)行模式識別后，絲杠螺母薄膜感應(yīng)器下降30 mm；電機(jī)M11驅(qū)動同步齒形帶運(yùn)動，與同步齒形帶一側(cè)固結(jié)的支架升降平臺開始上升30 mm，二自由度飛輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)與吸盤開始撐袋、套袋、機(jī)械手扎袋，相關(guān)程序見圖 6。其中Arduino主程序、C語言頭文件如下：

圖6分別表示了模式識別程序、套袋程序、三自由度機(jī)械手扎袋程序和同步齒形帶升降平臺Arduino圖形化程序。

圖6 Arduino葡萄（生長）套袋智能機(jī)器人程序

3 結(jié)語

設(shè)計(jì)了基于Arduino葡萄套袋智能機(jī)器人，提出了各個功能模塊的設(shè)計(jì)和具體實(shí)現(xiàn)方法，根據(jù)TRIZ效應(yīng)理論E85—形變和E89—壓電效應(yīng)分析，葡萄模式識別通過薄膜觸動傳感器被外力觸發(fā)，產(chǎn)生正壓電效應(yīng)，Arduino控制器上LED燈點(diǎn)亮，動態(tài)感知葡萄串。創(chuàng)新設(shè)計(jì)了二自由度飛輪擺桿滑塊機(jī)構(gòu)與一對吸盤吸住套袋，實(shí)現(xiàn)撐袋、套袋功能。結(jié)果表明，控制系統(tǒng)PID比例算法對小車直線運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了智能機(jī)器人前進(jìn)、避障、自動套袋等功能。以控制晶片的Arduino編寫程式碼，完成機(jī)械手臂俯、仰；機(jī)械手腕俯、仰；機(jī)械手指抓取、松開等功能，在機(jī)器人領(lǐng)域有較為廣闊的應(yīng)用前景，為研究智能機(jī)器人提供了重要的參考依據(jù)。

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