黄瓜采摘机械手设计【附赠CAD和三维模型图纸】

附赠CAD图纸和三维建模及说明书,领取加Q 197216396 或 11970985 摘 要农业是一国之本，农业的发展状况直接影响着国家的经济命脉和长治久安。随着社会科学的进步和人们生活水平的提高，传统的农业生产生活也逐渐被应用现代科学技术和现代工业生产的现代化农业所取代，各种新型自动化的大型农业器械也逐渐进入到了农业生产生活当中，称为现代农业中必不可少的重要组成部分。机械手在作物采摘过程中的应用，使得农业的科技水平发展又登上了一个新台阶。机械手是一种通过舵机或其他动力机构带动仿真的机械手臂构件，按照固定的流程来实现移动、抓取等动作的自动化操纵装置，广泛应用于各类现代化工业生产领域中。本项目设计了一款基于AT89C51单片机的黄瓜采摘机械手，该机械手拥有四路自由度，使用高精度舵机进行驱动，可以实现较为精细复杂的作物采摘工作。与其他作物采摘系统相比，具有动作灵巧、工作稳定、性能可靠、成本低廉等优点。关键词：单片机、机械手、现代农业、舵机AbstractAgriculture is the foundation of a country, the development of agriculture has a direct impact on the countrys economic lifeline and long-term stability. With the progress of social science and the improvement of peoples living standard, modern agriculture production of traditional life has gradually been applied to modern science and technology and modern industrial production replaced by large agricultural equipment of all kinds of new automation has gradually entered into agricultural production and life, as an important part of modern agriculture in china. The application of the manipulator in the process of crop harvesting makes the development of agricultural science and technology to a new level. The manipulator is a simulation driven by servo mechanism of the mechanical arm or other power components, according to a fixed process to achieve automation, mobile grabbing action control device, widely used in various fields of modern industrial production. This project designs a cucumber picking manipulator based on AT89C51 single chip microcomputer. The manipulator has four degrees of freedom, which can be used to drive the crop with high precision. Compared with other crop harvesting systems, it has the advantages of flexible operation, stable operation, reliable performance and low cost.Keywords: SCM, manipulator, modern agriculture, steering gear1目录摘 要1第一章 绪论11.1 选题背景及意义11.2 现代农业技术国内外发展概述11.3 机械手介绍与发展历史21.4 本文的主要内容3第二章 黄瓜采摘机械手控制系统相关原理介绍52.1 舵机原理与应用52.1.1 舵机结构52.1.2 常见舵机种类62.1.3 舵机驱动原理62.2 脉宽调制原理与应用72.2.1 脉宽调制原理72.2.2 脉冲宽度调制技术发展历史72.3.3 常用脉宽调制技术种类8第三章 黄瓜采摘机械手机械结构设计103.1 黄瓜采摘机械手总体参数设计103.2 黄瓜采摘机械手结构设计103.3 黄瓜采摘机械手主要构件尺寸设计113.3.1 黄瓜采摘机械手大臂尺寸设计113.3.2 黄瓜采摘机械手小臂尺寸设计123.3.3 黄瓜采摘机械手手部结构设计133.4 黄瓜采摘机械手运动学方程设计13第四章 黄瓜采摘机械手控制系统硬件设计。154.1 元件选型154.1.1 单片机选型154.1.2 舵机选型164.2 硬件架构设计174.3 硬件电路设计174.3.1 单片机最小系统电路设计184.3.2 四路舵机驱动电路设计184.3.3 按键控制电路设计194.3.4 直流电源电路设计204.3.5 供电隔离电路设计20第五章 黄瓜采摘机械手控制系统软件设计225.1 软件流程设计225.1.1 系统流程设计225.2 驱动程序设计225.2.1 舵机驱动程序22第五章 总结24致谢25参考文献26附录1 控制系统原理图27附录2 程序源码281第一章 绪论1.1 选题背景及意义果蔬种植和采摘是农业劳动生产中的重要环节之一。传统的果蔬采摘往往使用手工采摘或使用简单器械进行采摘，劳动较为繁重，同时大多数为无意义的重复性劳动。与插秧和收割等类似，传统的农业生产都使用反复的人工劳动来进行，其生产工作效率往往较低。因此，在现代农业生产工作生活中，往往使用各种半自动或全自动的大型自动化机械设备进行农业生产工作，如全自动插秧机和联合收割机等各种设备。使用自动化设备来代替人工的重复性劳动可以极大的提高农业生产效率。将机械手应用于果蔬生产工作，是将仿生学与自动化技术结合的产物。由于果蔬在采摘时无法像传统的水稻、小麦等按照切割的方式进行收割，因此采用类似手工采摘的自动机械手进行采摘是一个非常好的方法。根据黄瓜采摘的流程和工作设计要求，本项目设计了一款基于单片机的黄瓜采摘机械手，该机械手具有四路自由度，使用舵机进行驱动，动作灵活，工作稳定，效果良好。1.2 现代农业技术国内外发展概述应用现代的工业技术和科学设备和管理方法所设计的现代农业是当前农业生产生活的重点发展方向。农业生活是人类生活的极为重要的组成部分，农业发展的状况在很多情况下可以直接影响和决定当前人类的社会科学发展状况。早期原始人类采用狩猎采集的方式来获取实物。随着群落成员数量的增长，基于大自然的馈赠的不稳定的食物来源使得群体成员经常要面临饿肚子的威胁。为了获取稳定和可靠的食物，同时由于偶然的播种和收获的过程在不经意间被发现，使得早期人类从传统的狩猎采集的生活方式逐渐转变为了播种收获的定居式的生活方式。与狩猎采集相比，定居生活使得人们在解决了食物供给的最大的一个问题的同时，还使得人们可以存储一些其他的物资，同时多余的食物供给还可以用于养活更多的人口，同时还可以用于养活一些非农业生产的专业性人才和管理性人才，从而诞生了贵族阶层和手工艺者等不同的社会分工，使得人类社会结构从传统的部落结构转变为高级、复杂的酋长部落乃至早期国家的形式。这就是农业生产生活影响人类社会进步的一个重要标志，由于地理或文化和其他因素导致在史前时期没有诞生出农业生产的地区和群落，随着历史的发展都被埋没到了历史的尘埃中。从此之后，历史的发展已经证明，农业的发展水平直接影响着国家的兴亡，尽管采用放牧和狩猎方式进行生活的国家在某些时候可以征服采用农业生产方式的国家，但最终也会由于自身的落后性导致其被淘汰。随着人类社会的进一步发展，国家规模的进一步扩大和人口的进一步增多，对农业生产的要求又进一步提高，尤其是在近代国家中，由于人口密度的增高和农业人口所占比例的下降，传统的手工农业生产工作在很大程度上无法满足日益增长的粮食需求，因此各种专用于粮食生产和收割的大型自动化器械营运而生。以其中应用最为普遍且典型的联合收割机为例，在18世纪开始，在英国就开始了关于自动化收割机的研究，有很多人获得了相关的专利并设计出了一些模型机，但由于其大都缺少基本的实用价值，因此未能得到市场的认可。1831年，美国出现了第一台使用马匹作为动力的自动收割机，其收割效率要高于三十个工人的手工作业，因此得到了广泛关注。最后，甚至出现了由四十匹马拉动的大型收割机。之后，美国又出现了由瓦特蒸汽机来驱动的直走式联合收割机，随着内燃机技术的成熟和普及，采用内燃机技术的谷物收割机逐渐成为了主流。在19世纪后期，采用内燃机技术的联合收割机在美国逐渐流行开来，并得到了市场的认可，并开始向澳大利亚等地进行推广。二十世纪初，联合收割机又向苏联和加拿大等其他城市推广开来，并逐渐流行于各个发达国家和较为富裕的发展中国家，成为了现代农业生产生活中必不可少的重要一部分。我国尽管是农业大国，但由于国情所限，因此我国的现代化农业发展起步较晚，在早期通常从苏联或其他发达国家直接引进联合收割机系统进行使用，或在其基础上进行仿制，由于工业基础薄弱，同时对联合收割机系统本身并没有太过成熟和系统化的了解，因此早期仿制出的联合收割机产品往往具有体积过于庞大和过于笨重的缺点，不利于在国内使用和推广。随着社会经济水平的提高和工业生产、科学技术的进步，我国的粮食收割机产品在很大程度上已经基本实现了国产化，其高端型号的性能往往还要优于国外同类产品。由于我国依旧是一个农业大国，农业人口占全国人口的比例依旧非常高，因此联合收割机在我国依旧具有广泛的市场和推广空间，在很多重要的粮食产地，如华北平原、三江平原等重要的水稻和小麦等粮食作物的大型产区，联合收割机的使用已经极为普遍。随着现代农业发展进程的进一步加快，农业生产工作的自动化水平将会进一步提高，农民的生产力也将会得到进一步的解放。1.3 机械手介绍与发展历史机械手技术是自动化技术的典型代表之一，也是机械自动化领域的高端应用之一，属于机器人的研究领域。根据不同的使用范围，可以分为只有固定动作流程控制的专用机械手和可以使用编程或遥控方式进行控制的通用机械手；按照运动形式，可以分为XYZ三轴运动方向的直角坐标系机械手和进行圆周或球形运动的圆柱坐标机械手和球坐标机械手，以及具有关节结构的，动作更加灵活的关节式机械手。关节式机械手是机械手的主要发展方向，其往往使用自由度的多少来进行划分，每一个自由度也就代表一个机械手臂的关节。如本项目所设计的黄瓜采摘机械手就是一款具有四个自由度的多关节式机械手。按照不同的驱动方式，可以分为使用油压机作为动力的液压机械手、利用空气压缩机提供动力的气压机械手、使用电动机作为动力的电力机械手，和采用各种机械式传动机构进行动力动作的机械式机械手。本项目使用舵机作为系统的动力机构，是一种典型的采用伺服系统控制的电力驱动机械手。在现代工业生产生活工作中，在各类自动化流水生产线中，机械手得到了极为广泛的应用。虽然现阶段的机械手的灵活度还无法与真正的人手相比，但它具有人工无法比拟的优点，可以轻松的实现多种重复性的劳动，不知疲倦，不怕危险和腐蚀，同时还可以实现重物抓举的效果。随着工业4.0时代的到来，自动化流水线建设的日益推广，机械手的研制工作得到了绝大多数厂商的重视，并得到了越来越广泛的应用。机械手最早由美国的科学家研究出来。在1958年的联合控制中心，世界上第一台机械手从此诞生。该机械手带有一个可以进行圆周运动的机械长臂，在机械长臂的顶端装有一个电磁铁部件，可以用于铁质工件的抓取和放置动作。1962年，在电磁铁机械臂的基础上，又改进出第一台数控机械手，可以实现坐标动作。1978年，斯坦福大学研制出了一种定位误差小于1mm的工业用机械手，使用小型计算机进行控制。从此，机械手正式进入了实用性阶段。目前，市面上所广泛应用的大部分为第一代和第二代机械手系统。第一代机械手主要使用人工进行控制，第二代机械手在人工控制的基础上集成了多种传感器和自动控制系统，使得机械手具有了一定的感觉和反馈控制效果。目前作为研发重点的第三代机械手能够自主进行各项复杂动作和功能，在工业生产和生活中进一步提高其工作效率。我国的机械手起步较晚，在现代化工业工厂设计和生产工作领域中，所使用的高精度机械手系统和设备大多使用国外进口的高成本设备。随着现代化建设的进一步发展，自动化流水线等新式生产流程必将取代传统的低效率人工生产线，因此自动机械手行业将会具有更加广阔的市场，在市场的刺激下，国产的机械手产品和相关研究也会得到进一步的发展，并逐渐缩短与发达国家产品的差距，进一步提高自主产品的核心竞争力。1.4 本文的主要内容本文在总结和分析前人研究的基础上，通过对各类农业自动化大型生产机械进行分析和了解，并对果蔬采摘过程中的工作环节和注意事项进行了研究探讨，针对目前黄瓜种植行业中的采摘系统的缺陷和不足之处，设计出了一款基于AT89C51单片机的黄瓜采摘机械手系统。该系统具有一个四自由度的机械臂作为动力组件，使用高精度的电子舵机为机械手臂部件提供驱动力，精度高，到位迅速，驱动强力。同时，系统使用一个自弹式按键进行控制，操作极为简单。为了提高系统的稳定性，系统的电源部分使用型隔离滤波电路将舵机供电与单片机系统供电相隔离，避免舵机工作时产生的电源干扰造成单片机系统工作不稳定。与传统或其他结构和设计方案的果蔬采摘系统相比，本系统所设计的基于单片机的黄瓜采摘机械手具有动作灵活、操作简单、结构稳固、运行可靠、使用寿命长、成本低廉等优点。各章节内容安排如下：第一章为绪论，本章主要介绍了现代农业的定义和相关技术，和用于现代农业生产中的各类大型机械化设备，如联合收割机的发展例程，以及自动化农业生产在现代农业建设过程中的重要地位，并介绍了本项目所设计的基于单片机的黄瓜采摘机械手的原理说明、应用场合和市场前景，同时阐明了本课题的研究意义与主要内容。第二章介绍了本项目所设计的基于单片机的黄瓜采摘机械手的各功能结构的相关原理，包括舵机（伺服电机）的工作原理、组成结构和驱动原理，和用于舵机驱动技术的基于单片机电子系统的脉宽调频控制技术的相关原理说明。第三章介绍了本项目所设计的基于单片机的黄瓜采摘机械手的机械结构设计方案。包括机械手的自由度（即关节数、伺服电机数量）选择、机械臂机械结构设计、机械爪机械结构设计和底盘机械结构设计和各个机械结构的3D模型图等。第四章介绍了基于单片机的黄瓜采摘机械手控制系统的硬件设计方案，包括基于AT89C51单片机的最小系统设计方案与电路原理图、四路舵机及其驱动电路原理图、直流电源电路接口、保护电路和电源指示灯电路原理图、电源隔离抗干扰电路设计方案与原理图和按键接口电路原理图等。第五章介绍了基于单片机的黄瓜采摘机械手控制系统的单片机程序设计方案，包括黄瓜采摘机械手系统运行流程设计、基于AT89C51单片机的四路PWM脉宽调制输出驱动程序设计等。第六章为总结章，总结了全文的工作，点明了本文创新点，同时指出本文研究的不足以及尚未解决的问题，对后续研究提出建议。第二章 黄瓜采摘机械手控制系统相关原理介绍2.1 舵机原理与应用舵机（伺服电机）是在各类自动化设计应用中广泛使用的一种动力驱动系统。在各种自动化控制系统中，都离不开伺服电机的应用。伺服电机，即通过伺服系统来控制的直流或交流电动机系统。伺服系统，指一个系统的输出量，如位置、方向和其他状态量都可以通过输入量的变化（或定值）来实现闭环反馈控制的一类自动控制系统。伺服电机可以实现其电机转速或转矩的精确控制，其中，采用伺服系统实现电机转矩的系统通常为称为舵机系统。电机转矩，通俗的讲，就是电机的旋转角度。因此，舵机的工作方式往往并不是普通电机那样的持续进行圆周运动，而是可以根据需要旋转出不同的角度，并且可以精确的停下来。因此，如果项目需要使用某些结构按照设计的想法来进行动作，舵机是一种非常合适的选择，可以很方便的实现数字控制的可调速的精确定位效果。同时，舵机控制方便，驱动结构简单，而且种类繁多，便于各种不同类型和规模的项目应用。2.1.1 舵机结构图2-1 舵机内部结构拆解图舵机是一种采用伺服控制系统原理进行工作的一种自动控制设备，是一种糅合了多项不同的技术和结构的电子机械系统，主要由直流电动机、减速齿轮组、转速传感器和转矩控制系统等结构组成，是一种典型的自动控制系统。所谓自动控制系统，就是一种采用闭环控制回路结构，通过传感器和运算结构获取当前系统与设置参数的偏差，并进行反馈调节，使其输出能够精确控制到系统的需要程度。在生活中极为常见的恒温控制系统就是一种典型的闭环控制系统，通过温度传感器或热敏电阻来获取当前恒温控制环境的温度，将其作为系统的反馈量，来控制系统中的加热器的工作，若当前环境温度低于系统温度，则驱动加热器工作开始加热，当温度达到设定值后，停止加热，这样就可以通过闭环控制来实现恒温控制。对于舵机控制系统而言，舵机运动机构的转矩就相当于恒温控制系统的环境温度，位置检测传感器相当于恒温控制系统的温度传感器，直流电机相当于加热器。随着电机的动作，其运动机构的转矩就会发生变化，位置检测传感器的电阻值就会发生变化，控制电路读取到电阻值的变化情况后，就可以根据其电阻值的大小来确定当前的转矩，若当前的转矩与系统所需的转矩不同，则驱动直流电机正转或反转来调节其输出转速和转矩，使电机的输出角度达到所需的要求，这样就实现了精确的输出角度控制功能。2.1.2 常见舵机种类根据使用的场合和项目的实际需要，对舵机的体积和转矩、扭力往往都有不同的要求。舵机的形状结构和大小多到让人眼花缭乱，但常用的型号如下图所示：图2-1 大扭力舵机/微型舵机/标准舵机如图所示，舵机基本都使用三线控制结构，分别为电源线、控制线和地线。图中最右边为标准舵机，最左边的体积最为魁梧的为各种较大型机械结构和应用场合中使用的大扭力电机，可以提供较高的推动力。中间的是常用于航模等小体积小重量的微型舵机，体积较小，扭力相对较小，但可以满足航模等对体积和重量要求较高的应用场合。根据项目的实际需要，可以选择不同的舵机来进行项目开发工作。除了体积和重量，扭力和转速也是舵机的一个重要参数。这两个指标主要由舵机内部的直流电机决定。通常情况下，直流电机的驱动力往往和电机的体积和功耗成正比，因此通常体积越大的舵机，其扭力也越大。扭力，通俗的讲就是舵机的转动力量的大小。以标准舵机为例，在5V供电下，标准舵机的扭力输出为5.5kg/cm，相当于每移动一厘米需要5.5kg的力量。转速就是指从一个角度变到另一个角度的速度大小，转速越大，角度变换速度越快。在5V电压下，标准舵机的转速为300/s，相当于每秒可以旋转三百度。同时，对于采用同样电机的同规格舵机来讲，若使用不同规格的变速齿轮组，则又会产生不同的转速。通常情况下，在电机参数相同的情况下，变速齿轮组的输出转速越低，其扭力也就越大。在实际项目中，可以根据实际的需要来选择合适规格和参数的舵机。2.1.3 舵机驱动原理伺服电机系统通常使用周期脉冲实现控制。在伺服系统工作时，每收到一个脉冲信号，根据脉冲信号的宽度，系统就可以知道所需的偏转角度。以标准舵机为例，其驱动信号的频率为50HZ，即每秒需要向舵机的控制系统发送50个电平控制信号，也就相当于每个信号的持续时间为20毫秒。在20毫秒中，以一个1毫秒到2毫秒的高电平信号作为角度控制信号，也就是1000微秒到2000微秒。在高电平信号持续1000微秒时，舵机左满舵。在高电平信号持续2000微秒时，舵机右满舵。高电平信号介于1000微秒到2000微秒之间时，根据时间的比例就是对应的旋转角度。2.2 脉宽调制原理与应用在电子系统中，由数字信号和模拟信号在各种电路中起到信号传递的作用。数字信号只具有高和低两种状态信息，而无法反应程度等信号。在实际应用中，经常要遇到需要使用数字信号来控制模拟器件的输出情况（如灯光的亮度和电机的转速等），因此就需要以一些特殊的方法来实现数字信号到模拟信号的转换，或直接使用经过一定方式处理的数字信号来实现对模拟器件的控制效果。脉宽调制就是在这种情况下诞生出来的一种使用数字电路系统直接对模拟电路和器件直接进行控制的技术，与数模转换等其他控制方案相比，具有电路结构简单、灵活性好、反应速度快、成本低等多种优点，在各类场合，如通信控制系统、功率控制系统和工业控制系统中都得到了极为广泛的应用。2.2.1 脉宽调制原理脉宽调制，即脉冲宽度调制，即通过微控制器内部的恒定的数字信号驱动开关电路，对其通断状态进行控制，使输出产生一系列周期稳定、大小相同的脉冲信号，用来替代所需的模拟信号。以使用脉宽调节技术来替代正弦波信号为例，即使用一系列的脉冲电压信号来替代所需的信号，通过微控制器的计算和控制来使其输出信号的等效电压和所需的正弦波信号的等效电压相同，同时通过系统的控制来使其输出的脉冲信号尽量平滑，并且其低次谐波较少，可以实现较为良好的控制效果。根据项目对驱动信号的实际需要，系统也可以通过对输出信号的脉冲宽度进行一定有规律的调整，进而可以配合输出信号的频率来实现输出等效电压的控制，来实现对各种模拟电路的控制效果。2.2.2 脉冲宽度调制技术发展历史脉宽调制技术由于具有电路结构简单、动作灵活、调节滞后极小和动态响应好等优点成为了在数电-模电控制领域中应用最为广泛的控制方案。通常情况下，只需要使用MOS管驱动即可实现控制功能，核心控制时序和算法都使用超大规模集成电路来进行软件实现，与模数转换器等传统和其他类型的控制方式相比，电路结构简单，基本无滞后，同时精度和成本控制都更为优越。脉宽调制技术的基本原理在很早的时候就被科学家提出，但受当时的电子技术和自动控制原理的发展水平的限制。在上世纪八十年代之前一直未能应用于实用领域。八十年代后，随着微电子技术和自动控制理论，以及电子元器件的生产工艺和相关技术的进步，脉宽调制技术才正式登上了历史舞台。之后，随着电力电子控制技术、自动化控制技术和微电子工艺技术的经一部进步，和现代控制理论、模糊控制理论等控制思想的应用，脉宽调制控制技术获得了进一步的发展，诞生出了很多种不同原理的脉宽调制控制方案。随着自动控制技术和相关理论的进一步完善，脉冲宽度调制技术将会在更多的场合得到更加广泛的应用。2.3.3 常用脉宽调制技术种类（1）等脉宽PWM控制技术等脉宽PWM控制技术是通过使用PAM技术来实现功能的，由于传统的PAM技术只能输出频率可调的矩形波信号，但无法直接实现脉宽调制效果，因此通过等脉宽PWM技术就可以在输出频率可调的同时还能够实现效果良好的脉宽调制效果，是各类PWM信号产生技术中最为简单也最为常用的一种。其电路结构相对较为简单，工作稳定，转换效率高，但具有谐波分量较多、输出精度低等缺点，使其难以在高精度控制的使用场合下得到使用。（2）随机PWM控制技术随机PWM信号产生技术是随着半导体工艺和技术的进步而诞生的一种PWM信号产生技术。在早期的大功率控制场合中，用于驱动大功率负载所使用的器件通常是达林顿管，其开关频率较低，在很多使用场合下无法满足使用要求，同时由于载波频率较低而引起的电机驱动电路中的电磁噪声和谐波震荡也会对系统的正常工作产生一定影响，并逐渐引起了工程技术人员的注意。随机PWM控制技术就是为了解决这一问题而诞生出的一种PWM信号产生技术，其原理是产生的PWM信号的频率随机变化而脉冲宽度保持不变，这样就使得其在电机控制系统中所产生的谐波噪声近似于高斯白噪声，即噪声波形均匀分布于整个频段范围中，以固定开关频率为特征的谐波噪声被大大削弱，与其他方案相比，随机PWM控制技术的效果在降低电路谐波噪声方面有着极为优越的效果，因此在高速大功率晶体管已经得到广泛应用的今天，随机PWM控制技术仍然是消除低频载波信号的谐波噪声的主要方法。（3）SPWM控制技术SPWM是随着电力电子技术的发展和需要所诞生的一种PWM控制技术。在需要使用PWM信号来模拟正弦波信号，来控制电力电子系统中的各种模拟器件时，传统的等脉宽PWM信号无法满足其脉宽快速调节的要求，因此需要一种新的技术，使其产生的脉宽信号在等效性上完全等同于所需的正弦波信号。SPWM信号控制技术就是这一领域的代表，其可以产生效果非常好的脉宽实时变化的PWM信号，其脉冲宽度信号面积基本与所需的正弦波信号的对应面积基本相同，这样就可以在电力电子中各种对正弦波信号起作用的设备得到正确的使能。（4）低次谐波消去PWM控制技术低次谐波消去法是以消去PWM波形中某些首要的低次谐波为意图的办法。其原理是对输出电压波形按傅氏级数打开，表明为u（t)=ansinnt，首要断定基波重量a1的值，再令两个不一样的an=0，就能够树立三个方程，联立求解得a1、a2及a3，这么就能够消去两个频率的谐波。该办法尽管能够极好地消除所指定的低次谐波，但是，剩下未消去的较低次谐波的幅值可能会相当大，而且相同存在核算复杂的缺陷。该办法相同只适用于同步调制方式中。（5）矢量控制PWM控制技术矢量控制PWM信号产生技术是随着无刷电机的诞生而普及而产生的一种PWM控制技术。通过对异步无刷电机的三相坐标系的电流坐标化，将其等效成两相驱动信号，再通过励磁转换系统将其转换为磁场切换方向，来使其实现基本类似于直流电机驱动的无刷电机驱动效果，这样就可以实现极为精确的三相无刷电机的转速控制功能。随着无刷电机的优越性逐渐被人们所接受，以及无刷电机在各个场合中越来越广泛的应用，矢量控制PWM技术也被视为当前最有价值和发展前景的PWM信号产生技术，并将会得到更进一步的发展。（6）非线性PWM控制技术单周操控法又称积分复位操控，是一种新式非线性操控技能，其基本思想是操控开关占空比，在每个周期使开关变量的平均值与操控参阅电压持平或成必定份额。该技能同时具有调制和操控的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、对比器到达盯梢指令信号的意图。单周操控器由操控器、对比器、积分器及时钟构成，其间操控器可以是RS触发器，开关是任何物理开关，也但是其它可转化为开关变量方式的笼统信号。单周操控在操控电路中不需要差错归纳，它能在一个周期内主动消除稳态、瞬态差错，使前一周期的差错不会带到下一周期。尽管硬件电路较杂乱，但其克服了传统的PWM操控办法的不足，适用于各种脉宽调制软开关逆变器，具有反响快、开关频率稳定、鲁棒性强等长处。此外，单周操控还能优化体系呼应、减小畸变和抑制电源搅扰。此外，还有线电压PWM控制技术、空间电压矢量PWM控制技术、直接转矩PWM控制技术和软谐振开关技术等。在不同的应用场合，通过选择合适的控制技术，可以在实现最好的控制效果的同时，也可以有效的降低系统资源的浪费。如应用于感应加热和震荡升压中的PWM开关就往往选用低成本的软谐振开关电路，在保证其工作效果的同时，也可以极大的提高系统的稳定性。第三章 黄瓜采摘机械手机械结构设计3.1 黄瓜采摘机械手总体参数设计本项目所设计的机械手需要用于果蔬采摘作业中，与工业生产的流水线应用相比，应用于果蔬采摘作业中的机械手对于体积、质量、灵活度、精度和运行速度等方面都有较高的要求，尤其为了应对果蔬采摘时的复杂情况，因此对灵活度方面有较高的要求。因此，本项目设计了一个带有四个关节的四自由度机械手臂，与普通的机械手臂相比，该黄瓜采摘机械手具有灵活度高、体积小、质量轻、操作简单、结构稳固等优点。按照机械手的工作特点和应用场合，可以分为只有固定动作流程控制的专用机械手和可以使用编程或遥控方式进行控制的通用机械手；按照运动形式，可以分为XYZ三轴运动方向的直角坐标系机械手和进行圆周或球形运动的圆柱坐标机械手和球坐标机械手，以及具有关节结构的，动作更加灵活的关节式机械手。关节式机械手是机械手的主要发展方向，其往往使用自由度的多少来进行划分，每一个自由度也就代表一个机械手臂的关节。如本项目所设计的黄瓜采摘机械手就是一款具有四个自由度的多关节式机械手。按照不同的驱动方式，可以分为使用油压机作为动力的液压机械手、利用空气压缩机提供动力的气压机械手、使用电动机作为动力的电力机械手，和采用各种机械式传动机构进行动力动作的机械式机械手。本项目使用舵机作为系统的动力机构，是一种典型的采用伺服系统控制的电力驱动机械手。根据果蔬采摘项目的实际需要，本项目所设计的黄瓜采摘机械手的各项参数如下所示：工作电压：5V类型：多关节型关节数：4动作范围：0-500mm俯仰范围：0-300mm最小扭力：10kg动力机构：舵机驱动满舵范围：0-180动作速度：150/s3.2 黄瓜采摘机械手结构设计本项目所设计的四自由度机械手带有四个可控制活动关节，每个活动关节由一个舵机进行角度变化控制。机械臂的硬件部分主要由底座、大臂、小臂和爪四个部分构成，可以实现旋转、抓取和放置的各项动作。具体的结构图如下所示：图3-1 黄瓜采摘机械手结构图如图所示。底座是机械手的基座，可以用于放置机械臂的控制器和电池、电源等附加设备，同时往往带有配重或其他固定结构，以使机械手工作和抓取重物时不会由于固定不牢导致出现晃动和翻倒等故障，导致机械手臂损坏或造成其他危险情况。肩关节是机械手底座和机械手的大臂相连的关节，用于控制机械手总体的与水平面的平行的旋转方向，即调节机械手系统的偏航角。臂关节是与肩关节直接相连的第二个活动关节，关节的另一端与大臂直接相连，用于调整大臂的抬升角。肘关节是第三个活动关节，位于机械臂大臂和小臂的连接点，与臂关节相互配合可以实现更加精细的俯仰角度调节，可以明显的提高机械臂系统的活动范围和灵活程度。腕关节（指关节）是用来控制机械手的手部开合的最后一个活动关节，位于小臂和机械爪的连接位置，也是机械手手部的两个活动部分的连接位置，在进行抓取和放置时，就需要通过腕关节的驱动来实现动作效果。腕关节的扭力直接决定机械手抓取动作的牢固程度，而肘关节和肩关节的舵机扭力决定机械手对重物的拾取能力。同时，大型舵机尽管可以提供较大的扭力，但往往其精度和驱动速度要差于小型舵机。因此，对精度和驱动力要求较高的适用场合，可以在不同的关节部位放置不同型号和参数的舵机，以满足项目的实际要求。3.3 黄瓜采摘机械手主要构件尺寸设计3.3.1 黄瓜采摘机械手大臂尺寸设计大臂是位于机械手的第二活动关节和第三活动关节之间，用于调整机械手臂的抬升高度和伸展距离。根据设计需要，本项目所设计的黄瓜采摘机械手的大臂使用常用的水滴形结构，与方形、圆柱形等设计方案相比，水滴形结构设计可以有效的减少系统的重量，并且具有更好的外观。根据项目的需要，黄瓜采摘机械手的大臂长230mm。各个部分的详细尺寸如下图所示：图3-2 黄瓜采摘机械手大臂机械尺寸图如图所示，本项目设计的黄瓜采摘机械手的大臂的两轴间距离230mm，整体采用前窄后宽的水滴形结构。大臂的后端的轴直径为10mm，在轴孔的四周直径70mm范围与轴间线相互垂直和同方向放置四个直径为6mm的定位通孔，用于组装大臂时的定位和加固组合工作。大臂前端的结构与后端类似，由于本项目中各个关节部位所使用的舵机型号和参数均相同，因此大臂前端的轴孔直径仍为10mm，同时由于前端的宽度要窄于后端，因此其定位孔的圆周直径缩小为39mm。3.3.2 黄瓜采摘机械手小臂尺寸设计小臂是位于机械手的第三活动关节和第四活动关节之间的支撑结构，后端与机械手的大臂相连，前端与机械臂的手部结构相连。小臂结构用于提高机械手的活动范围，使机械手具有更高的灵活度，可以更加适用于果蔬采摘的复杂环境中。根据项目的实际需要，小臂的长度设计为240mm，详细尺寸图如下所示：图3-3 黄瓜采摘机械手小臂机械尺寸图黄瓜采摘机械手小臂详细机械尺寸如上图所示。小臂的长度为240mm，其中有效动作长度为180mm。在小臂的前端和后端各设置四个呈正方形部署的孔径为4mm的定位孔，用于小臂的固定工作。小臂只需要一个转轴部分，即与大臂相连的后端，放置一个孔径为10mm的轴孔用于与大臂相连，在轴孔的四周以56mm直径按照正方形方向部署四个直径为6mm的定位孔。3.3.3 黄瓜采摘机械手手部结构设计机械手的手部结构也被称为末端执行器，其和机械手的功能直接相关，可以执行抓取、吸附或使用各类不同的工具（如烙铁、喷头等）进行操作的部件，通常部署于机械手的最前端。根据需要抓取的物体的形状和质地，以及需要实现的功能，通常要设计不同结构和功能的机械手结构，如夹钳式机械手、吸附式取料手、仿生式多指机械手，和喷头、板具等特种和专用的结构。本项目所设计的黄瓜采摘机械手的手部用于采摘黄瓜，因此需要实现抓取和剪切黄瓜等机械动作，并不需要较为复杂的多指动作。同时，由于黄瓜凹凸不平的表面，也不适用于吸附等操作方式。因此，本项目设计的机械手手部结构为能够从不同角度和方向进行摘取动作的钳形结构。手指结构的设计图如下所示：图3-4 黄瓜采摘机械手手指结构简图手指是直接与需要抓取的物体（本项目为黄瓜）相互接触的部件。通过手指的松开和夹紧的工作，就可以实现物体的抓取和放置的动作。本项目所设计的黄瓜采摘机械手使用两个手指结构组成钳形结构来实现黄瓜采摘的功能。双指结构的机械手通常具有回转性和平移型两种结构。根据实际需要，本项目使用回转性结构来进行动作。如图所示，机械手的手指后端为方形，与动力机构相连。手指前端用于采摘黄瓜，由于黄瓜通常为圆柱形，因此在手指前端使用半月形凹槽结构。在实际使用时，为了避免在采摘过程中对黄瓜造成损伤，因此在半月形凹槽中需要垫付海绵等缓冲结构。图中只绘制了一个手指，手部结构由两个手指组成，另一个手指与其呈镜像对称。3.4 黄瓜采摘机械手运动学方程设计本项目所设计的黄瓜采摘机械手具有四个自由度，共四个舵机分别控制大臂、小臂和机械爪的动作。其中，第一个和第二个活动关节控制大臂的两个运动方向，第三个自由度控制小臂的俯仰方向，第四个活动关节用于控制机械手手部的开合运动。由于机械手具有四个自由度，因此若想要使末端机构能够正确的实现较为精确的坐标运动，以实现较为精确的末端控制效果，就需要对整个机械手机构进行空间坐标解析和运动学方程设计。运动学方程设计是机械手自动控制系统设计的基础，利用空间矢量矩阵解析等算法，即可表达出机械手在三维空间中运动的姿态方程。本项目所设计的黄瓜采摘机械手的空间坐标系如下图所示：图3-5 黄瓜采摘机械手空间坐标系示意图根据坐标系，建立相邻杆件的位姿矩阵如下所示：M01=cos1-sin1l1cos1sin1-cos1l1sin1001(式1)M12=cos2-sin2l2cos2sin2cos2l2sin2001(式2)M23=cos3-sin3l3cos3sin3cos3l1sin3001(式3)可以看出，每个相邻坐标系的空间矩阵都可以用坐标变化的方式进行描述。将以上三式相乘，就可以达到机械手的总变换矩阵，也就是机械手的正运动学方程式。求得的运动学方程如下式所示：M03=cos123-cos123l1cos1+l2cos12+l3cos123sin123-sin123l1sin1+l2sin12+l3sin123001(式4)得出了机械手的运动学方程后，就可以通过编写相关的控制程序，来实现精确的机械手坐标控制。第四章 黄瓜采摘机械手控制系统硬件设计。4.1 元件选型4.1.1 单片机选型由于本项目是一种以电机驱动电路为核心的，应用于大型施工器械设备的单片机系统，因此其对单片机的稳定性和电路可靠性都有一些说道。但同时也要考虑成本和开发难度等因素。因此，选择合适的单片机就是十分重要的工作。科学技术的高速发展也为单片机带来了很大的市场，其中比较著名的国际厂商就有Atmel、TI、ST、MicroChip等等耳熟能详的品牌。为了满足项目的需求，就要针对这些单片机的特点进行横向比较。51系列单片机是一种使用范围非常广泛的单片机，但其缺点也是极其明显的，作为单片机中的“老爷机”，其外设资源极其有限，常用的AD、EEPROM等功能均需要外接外设进行扩展，增加了软硬件负担。同时，IO口驱动能力很差，这也是51系列单片机最大的软肋，这一点直接限制了其在工业控制和军工等领域的应用。同时由于其老旧的硬件架构导致其运行速度过慢，代码效率极低。同时，51单片机的硬件保护能力非常差，稳定性和可靠性都不高，很容易烧毁芯片。但是低廉的成本和丰富的开发资料，使得51单片机仍然是国内占市场比例最高的低级单片机。MSP430系列单片机是德州仪器自1996年推出的一系列主打低功耗市场的16位混合信号处理器。得益于RISC指令集的强大处理能力，保证了其可以设计出高效率的源代码。同时，其丰富的唤醒和中断机制和完善的时钟和电源管理系统使其具有同类产品所无法比拟的超低功耗，甚至可达0.1uA。不过其缺点也不能忽视，首先就是开发资料较少，不适合初学者入门，同时其过于精密的功耗控制体系也成为了一大开发难度。此外，由于它是一款16位单片机，因此其代码占用空间相对较高。因此，MSP430往往在对功耗有极为苛刻的要求的使用场景下得到很广泛的应用，例如可穿戴设备等。PIC系列单片机是美国微芯半导体主打的微控制器产品。由于内置CMOS互补推挽输出的IO口具有很强的外设驱动能力，是很多工业控制类项目的首选。同时，极强的抗干扰性也是PIC系列单片机的一大优点，得益于其简洁高效的硬件结构，PIC单片机的可靠性和稳定性均非常出色。但同样由于其硬件结构过于简化，导致其没有乘法指令等很多常用指令，这为开发工作带来了一定的难度。图4-1 AT89C51单片机外观图综合需求考虑，本项目选ATC89C51单片机作为项目主控。4.1.2 舵机选型舵机是本项目的重要动力部分，舵机的工作稳定性、输出扭力和转速都直接决定着机械手的工作效果。因此，选择合适的舵机就是一项重要的工作。目前常用的舵机基本都使用三线控制结构，分别为电源线、控制线和地线。图中最右边为标准舵机，最左边的体积最为魁梧的为各种较大型机械结构和应用场合中使用的大扭力电机，可以提供较高的推动力。中间的是常用于航模等小体积小重量的微型舵机，体积较小，扭力相对较小，但可以满足航模等对体积和重量要求较高的应用场合。根据项目的实际需要，可以选择不同的舵机来进行项目开发工作。除了体积和重量，扭力和转速也是舵机的一个重要参数。这两个指标主要由舵机内部的直流电机决定。通常情况下，直流电机的驱动力往往和电机的体积和功耗成正比，因此通常体积越大的舵机，其扭力也越大。扭力，通俗的讲就是舵机的转动力量的大小。以标准舵机为例，在5V供电下，标准舵机的扭力输出为5.5kg/cm，相当于每移动一厘米需要5.5kg的力量。转速就是指从一个角度变到另一个角度的速度大小，转速越大，角度变换速度越快。在5V电压下，标准舵机的转速为300/s，相当于每秒可以旋转三百度。同时，对于采用同样电机的同规格舵机来讲，若使用不同规格的变速齿轮组，则又会产生不同的转速。通常情况下，在电机参数相同的情况下，变速齿轮组的输出转速越低，其扭力也就越大。根据本项目的实际需要，选用MG996R舵机作为机械手的动力输出和姿态控制模块。该舵机是一种常用的标准尺寸舵机，内置金属减速齿轮组，还带有防死区和防堵转等功能，扭力大，运行稳定。图4-2 MG996R标准舵机外观图MG996R是一种常用的40.8*20*38mm，重量55克的标准尺寸舵机。在5V供电下，其转速为300每秒，扭力可达14kg/cm，功耗1W，适用于各种单片机控制的自动化系统，角度误差小，控制灵敏度高。4.2 硬件架构设计图4-3 黄瓜采摘机械手控制系统硬件架构图如图所示，本项目所设计的黄瓜采摘机械手的控制系统硬件架构相对较为简单，只有一个按键作为系统的输入设备，四路舵机作为系统的输出控制设备。按键电路通过高低电平信号为系统主控提供控制信号。在检测到来自按键的控制信号后，主控通过驱动四路PWM信号来驱动机械臂四个位置的控制舵机。该系统结构简单，功能稳定可靠，操作简单，具有较高的实际意义。4.3 硬件电路设计4.3.1 单片机最小系统电路设计单片机最小系统由电源、复位电路、时钟电路和下载接口四个部分组成。本项目所选用的AT89C51的供电电压为5V，因此直接将来自电源的5V电压接入到单片机的电源引脚即可（原理图中电源引脚和地引脚省略）。复位电路是保持单片机正常工作的一个重要部分。本项目所使用的AT89C51单片机为高电平复位，低电平正常工作，因此在单片机正常工作时，复位引脚需要接一个10k欧姆的下拉电阻接地，以保证单片机正常工作，避免干扰影响。同时，为保证系统在开机时能够正常工作，因此增加了一个接到电源的电容提供上电复位功能。其原理是，在电源刚刚导通时，电容充电，为复位引脚提供一个可以保持一小段时间的高电平，使系统复位。然后，电容缓慢放电，复位引脚恢复到低电平，系统开始正常工作。同时，为提供手动复位功能，在复位引脚上添加了一个微动按键，按下按键时，将高电平接入到复位引脚时系统复位，松开按键后复位引脚由下拉电阻拉低回低电平，系统恢复正常工作。时钟电路也是单片机最小系统的重要组成部分。为提高系统的运行速度并保证精度，本项目使用了12M晶振作为系统的外部晶体振荡器。综上所述，单片机最小系统的原理图如下所示：图4-4 单片机最小系统原理图4.3.2 四路舵机驱动电路设计舵机（伺服电机）是在各类自动化设计应用中广泛使用的一种动力驱动系统。在各种自动化控制系统中，都离不开伺服电机的应用。伺服电机，即通过伺服系统来控制的直流或交流电动机系统。伺服系统，指一个系统的输出量，如位置、方向和其他状态量都可以通过输入量的变化（或定值）来实现闭环反馈控制的一类自动控制系统。伺服电机可以实现其电机转速或转矩的精确控制，其中，采用伺服系统实现电机转矩的系统通常为称为舵机系统。电机转矩，通俗的讲，就是电机的旋转角度。因此，舵机的工作方式往往并不是普通电机那样的持续进行圆周运动，而是可以根据需要旋转出不同的角度，并且可以精确的停下来。因此，如果项目需要使用某些结构按照设计的想法来进行动作，舵机是一种非常合适的选择，可以很方便的实现数字控制的可调速的精确定位效果。同时，舵机控制方便，驱动结构简单，而且种类繁多，便于各种不同类型和规模的项目应用。本项目一共使用四路舵机进行机械手的控制工作。相关的电路原理图设计如下图所示：图4-5 四路舵机驱动原理图如图所示，本项目所使用的舵机使用三线控制结构，分别为电源线、控制线和地线。在舵机驱动电路中，将电源线接到系统为舵机提供的5V电源上，将地线接地，并将每个舵机的控制线接到单片机的对应的输出控制引脚上。本项目所使用的大扭力高精度舵机MG996R内置有采用MOS隔离的大功率驱动电路，因此其控制电路的隔离效果较好，在单片机控制系统设计中，额外部署隔离驱动电路反而会对舵机控制造成一定的滞后影响。因此，在本项目的设计中，可以将单片机的I/O口直接接入到舵机的控制引脚上。但由于大扭力舵机在工作时，所需的电流较大，同时由于舵机内部的直流电动机是一种大型的感性负载，其在接通和关断的时候会产生较强的电流冲击，因此为了避免对单片机系统造成干扰和影响，因此需要对舵机的电源电路做一定的隔离滤波的设计，在下文中会重点介绍。4.3.3 按键控制电路设计开关和按键是在电子技术刚刚诞生时，就已经出现并且在时至今日仍然被广泛使用的一种基本输入设备。尽管随着科学技术的发展，在手机和类似的消费类电子产品中，由触摸屏和其他体感输入技术和设备的发展而诞生的虚拟按键等技术逐渐取代了传统的按键和键盘，但电源键仍然是必不可少的。同时，在其他的很多适用场合，如工业控制领域和电脑的输入中，按键和键盘作为一种稳定可靠且受环境因数影响较小的输入设备仍然是不可替代的。在本项目中，由于需要对系统的时间、工作状态和打铃时间进行设置工作，因此输入设备也是必不可少的。对于单片机系统来说，在各种各样的输入方案中，使用自弹按键无疑是最为合适的一种。按键布局往往有独立按键和矩阵键盘两种，其中，独立按键适用于按键数量较少或实时性和准确性要求较高的场合，而矩阵键盘适用于按键数量较多但单片机或其他主控芯片的引脚资源不够丰富的使用场合。在本系统中，只需要三个输入按键即可实现所需的功能，无需额外的键盘和其他输入设备和功能，因此本项目使用多路独立的自弹按键作为本系统的输入设备。本项目所设计的按键电路的原理图如下所示：图4-6 按键控制电路原理图如图所示，本项目只需要一路控制按键，将按键接到单片机的对应引脚上，并将按键的另一个引脚接地，即可实现按键控制功能。为了提高系统的稳定性，避免误操作，在按键控制引脚各自加一个容值为10nf的滤波电容接地，以免由于按键抖动造成系统误动作，以免影响系统正常功能。4.3.4 直流电源电路设计本系统采用5V供电，因此直接在原理图中添加5V外部电源接口。为了便于显示当前电源状态，因此添加一个LED指示灯电路作为电源指示灯。同时，为了提高系统的稳定性，避免由于短路或电源反接等问题造成系统损毁，因此在电源电路中添加了由开关二极管和自恢复保险丝构成的防过流反接保护电路。如下图所示，在电源正常时，二极管截止，不会对电源产生影响。当电源反接时，二极管导通，使位于二极管前端的自恢复保险丝过流烧毁，避免影响后续其他电路。电源电路总体原理图如下图所示：图4-7 电源电路原理图4.3.5 供电隔离电路设计电源电路是电路系统极为重要的部分，电源电路的稳定性直接影响整个系统的稳定性，同时电源电路设计的优劣也直接影响系统的工作寿命。劣质的电源不但会影响系统给正常工作的稳定性，同时其寿命也要小于优质的电源方案，甚至有可能会发生起火、爆炸等危险事故。对于带有电机控制等功能的工业控制系统，其电源的设计要求更高，尤其是在电机驱动部分和单片机控制部分之间，要设计效果良好的隔离电路，避免由于电机、继电器等感性负载在导通和关断的时候产生的电流冲击对单片机系统产生影响，或直接烧毁单片机系统。电源隔离电路在大功率负载和模拟采样、通信控制系统等多种场合中有广泛的应用。电源隔离电路的主要功能器件为电容器和电感器两种储能设备。其中，电容器是一种电压储能器件，在工作的过程中，电容器中存储的电荷量可以在一定的范围内减少电路中的电压波动。电感是一种使用电磁感应原理进行工作的储能器件。流过电感线圈的电流会在线圈中产生感应磁场，在电感流过的电流发生变化时，线圈中的感应磁场会给线圈中的电流产生一