基于89C51單片機(jī)的機(jī)械臂智能抓取系統(tǒng)

董一波，劉立群，楊 陽，李志華，顧任遠(yuǎn)，周煜博 （甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

摘 要 ：在農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中，果實采摘是極度耗費人力的工作。為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的人工成本，將人工智能應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)⑹且环N有效手段?；?a target="_blank">單片機(jī)的控制設(shè)計出一款智能抓取系統(tǒng)，擁有六關(guān)節(jié)高自由度機(jī)械臂 ；爪子采用柔性材料，在加強(qiáng)爪子和果實貼合度的情況下減少對果實的損傷程度 ；采用視覺系統(tǒng)進(jìn)行圖像處理，并采集三位坐標(biāo) ；采用避障系統(tǒng)控制小車前進(jìn) ；通過增加藍(lán)牙模塊讓人工參與變得更加簡便。本文設(shè)計的基于單片機(jī)的多關(guān)節(jié)機(jī)械臂抓取系統(tǒng)，有望提高農(nóng)業(yè)采摘的效率，減少人工成本，將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程智能化。

中圖分類號 ：TP301 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ：A 文章編號 ：2095-1302（2022）09-0076-03 ?

0 引 言

中國自古是農(nóng)業(yè)大國，以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式為主。然而，隨著國際人口的增長，對自然資源的需求也不斷加大。這使得傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)出現(xiàn)了越來越嚴(yán)重的供應(yīng)短缺，自然環(huán)境的負(fù)擔(dān)也成倍增加。為了緩解這種矛盾，最優(yōu)最大化利用自然資源并且將人類從繁重的體力勞動中解放出來，科學(xué)界提出了集中生產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)構(gòu)想。近幾年，智能機(jī)器人頻繁出現(xiàn)在其他領(lǐng)域，考慮將智能機(jī)器人運(yùn)用于農(nóng)業(yè)方面也是一個不錯的方案 [1]。迄今為止，應(yīng)用于農(nóng)業(yè)果實采摘方面的機(jī)器采集系統(tǒng)還沒有普及，因此本文設(shè)計一種智能抓取系統(tǒng)，能夠幫助采摘果實。

1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本文設(shè)計的機(jī)械臂智能抓取系統(tǒng)由三大模塊組成 ：視覺識別模塊、機(jī)械臂和底座。系統(tǒng)以 89C51 單片機(jī)為核心操作器、六自由度機(jī)械臂作為執(zhí)行合作機(jī)構(gòu)。視覺系統(tǒng)通過攝像頭捕獲圖像后進(jìn)行實時處理，并反饋果實的三維空間坐標(biāo)，實現(xiàn)果實數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)獲得。底座通過紅外線掃描獲取數(shù)據(jù)，實時反饋前面路段的信息，實現(xiàn)小車的單目視覺正常行駛 [2]。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 89C51 單片機(jī)

采用51單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，以 89C51 為主控芯片，擁有 6 路接口的 PWM 舵機(jī)和四個獨立接口的總線舵機(jī)，實現(xiàn)按鍵控制、采集電路、電源和過流保護(hù)。89C51 是一種高性能的CMOS8位處理器，通過電壓控制，32 字節(jié)閃存邏輯器件和可擦除只讀存儲器是89C51的重要器件。目前，ATMEL 的 89C51 是一款高效的微控制器，它將8位多功能CPU 和閃存集成到一臺單片機(jī)中 [3]。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 機(jī)械臂模塊

本抓取系統(tǒng)的機(jī)械臂由力臂和多功能爪子兩部分構(gòu)成。力臂上擁有六個數(shù)字舵機(jī)，分別控制六個關(guān)節(jié)，每個數(shù)字舵機(jī)都由單片機(jī)單獨控制，可以實現(xiàn)不同關(guān)節(jié)伸展或延伸不同的角度，完成不同的工作。為了使機(jī)械手具有良好的柔性，獲得良好的運(yùn)動性能，并具有其他類型的角度冗余數(shù)據(jù)，采用了六自由度柔性機(jī)械手。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。采用新型可提升不同通道的機(jī)械臂，實現(xiàn)空間提升，使分揀機(jī)具有足夠的靈活性。另外，在移動平臺的橡膠墊上設(shè)置了一個360°旋轉(zhuǎn)緊固桿，避免了因旋轉(zhuǎn)角度不足或夾住殼體而給機(jī)械臂的選擇帶來不便。后續(xù)根據(jù)實際的工作情況，針對不同應(yīng)用領(lǐng)域，通過六個關(guān)節(jié)的力矩傳感器與編碼器等工具進(jìn)行數(shù)據(jù)采集 ；然后通過一系列方法，主要是人類策略的控制方法、傅里葉級數(shù)表達(dá)式擬合等，逐步建立一個運(yùn)動軌跡庫，有利于機(jī)械臂在以后的工作中適應(yīng)不同的作業(yè) [4]。

爪子是由三個數(shù)字舵機(jī)控制三個枝節(jié)組成的，三個枝節(jié)形成的三角形在抓取果實時更具有穩(wěn)定性。三個數(shù)字舵機(jī)與單片機(jī)相連接，具有同時性，再提供足夠抓力的前提下保障了爪子的穩(wěn)定性 [5]。爪子的材料采用的是柔性材料，在抓取果實時，爪子可以根據(jù)果實的大小和形狀，產(chǎn)生相應(yīng)的形變，減小爪子與果實間的縫隙，盡可能地實現(xiàn)完美閉合，防止果實脫落。機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。

2.3 底座模塊

根據(jù)果園道路泥濘崎嶇的突出特點，移動平臺必須具備一定的道路選擇和避障能力 [6]。平臺系統(tǒng)采用四輪差速器，提高了移動平臺的承重能力和穩(wěn)定性，并在一定程度上提高了轉(zhuǎn)向精度，更適合通道內(nèi)的路徑選擇和避障，使移動平臺更加平穩(wěn)安全。每個輪子由電機(jī)驅(qū)動芯片控制單獨的伺服電機(jī)控制。移動平臺使用鋰電池作為能源，通過不同的電源處理器及穩(wěn)壓模塊，輸送不同電壓和電流到相應(yīng)的工作單位中，實現(xiàn)能源的驅(qū)動 [7]。本文采用 E18-D80NK-N 紅外線傳感器和 US-100 超聲波避障模塊。E18-D80NK-N 紅外線傳感器的功能 ：前方無障礙時輸出高電平 ；有障礙時輸出口電平會從高電平變成低電平，傳感器檢測到這一信號就可以確認(rèn)正前方有障礙物，并傳送給單片機(jī)，單片機(jī)通過輸入內(nèi)部的算法，協(xié)調(diào)小車兩輪工作，從而完成躲避障礙物的動作。US-100 超聲波避障模塊的主要功能 ：通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以測算距離。超聲波發(fā)射端在單片機(jī)前置電路的驅(qū)動下工作，接收端的信號放大、整形后在單片機(jī)的中斷口產(chǎn)生中斷，通過發(fā)射和接收的時間差計算出小車與障礙物的相對距離 [8]。模擬圖如圖 5 所示。

2.4 視覺模塊

為了能夠精準(zhǔn)地抓取果實，在抓取系統(tǒng)中增加視覺系統(tǒng)。視覺模塊相當(dāng)于抓取系統(tǒng)的眼睛，其作用決定了采摘果實的質(zhì)量和現(xiàn)場采摘的速度 ；同時在視覺模塊中引入了深度學(xué)習(xí)，重新建立模型和模擬人的大腦進(jìn)行分析和預(yù)測，進(jìn)而處理 3D圖像和數(shù)據(jù)。通過對攝像機(jī)以各種方式采集的圖像進(jìn)行分析，可以得到 PTZ 緩動控制的能力，以便將來將運(yùn)動目標(biāo)保持在中心區(qū)域。運(yùn)動目標(biāo)跟蹤在過去的十年中得到了廣泛的研究，但在相同的經(jīng)濟(jì)背景下，運(yùn)動目標(biāo)跟蹤面臨著許多新的挑戰(zhàn)。進(jìn)一步的優(yōu)化算法可以提高目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)的魯棒性 [9]。

2.5 藍(lán)牙模塊

本文的操作系統(tǒng)增添了 HC-08 藍(lán)牙串行通信處理模塊，該模塊是新一代數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)模塊，基于藍(lán)牙規(guī)范 V4.0 藍(lán)色協(xié)議。增添藍(lán)牙模塊的作用在于 ：操作人員可以根據(jù)任務(wù)需求手動控制操作系統(tǒng)來完成相應(yīng)的工作。手機(jī)可以在開放的環(huán)境中實現(xiàn) 80 m 網(wǎng)絡(luò)通信 [10]。電路如圖 6 所示。

3 結(jié) 語

本文的智能抓取系統(tǒng)以 51 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，89C51作為主控芯片，擁有六路接口的 PWM 舵機(jī)和四個獨立接口的總線舵機(jī)，實現(xiàn)按鍵控制、采集電路、電源和過流保護(hù)等功能。用樹莓派作為視覺處理系統(tǒng)的處理芯片進(jìn)行圖像采集 ；支持藍(lán)牙 4.0 的遠(yuǎn)程操控，可以通過手柄、手機(jī) APP 和電腦對機(jī)械臂進(jìn)行操控，實現(xiàn)機(jī)械臂軀干的活動和機(jī)械爪的抓取工作。

注：本文通訊作者為劉立群。

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作者簡介： 董一波（2004—），男，山西運(yùn)城人，就讀于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究領(lǐng)域為電子信息工程。 劉立群（1982—），女，甘肅天水人，甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授，主要研究方向為智能計算、圖像處理。 楊 陽（1999—），男，甘肅蘭州人，就讀于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究領(lǐng)域為電子信息工程。 李志華（2002—），男，甘肅天水人，就讀于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)，研究領(lǐng)域為電子信息工程。 顧任遠(yuǎn)（1998—），男，浙江諸暨人，碩士研究生，研究方向為深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺。 周煜博（1996—），男，湖南湘潭人，碩士研究生，研究方向為圖像處理。

編輯：黃飛

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