CN103252790A - 西瓜采摘机械手的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种西瓜采摘机械手的控制系统，包含PC机、摄像头、无线传输模块、单片机、步进电机驱动器、步进电机、力传感器、A/D转换电路、机械手、移动平台。移动平台上的摄像头将采集到的西瓜图像通过无线传输模块传递给PC机，PC机通过图像处理后生成控制指令通过无线传输模块传给单片机，单片机接收该指令后将选择对应的步进电机驱动器，来分时控制各个步进电机使之协调工作，从而驱动安装于移动平台上的机械手及其末端执行器移动到西瓜方位，并经过一系列的动作完成对西瓜的采摘。本发明能较好地实现多个步进电机的协调工作，在力传感器的检测作用下可以保证无损坏地实现对西瓜的准确采摘，提高采摘效率。

Description

西瓜采摘机械手的控制系统

技术领域

本发明涉及一种针对传统栽培模式的西瓜采摘机械手的控制系统，特别涉及一种实用、控制简便、灵活、低成本的机械手控制系统。

背景技术

机械手的控制运用于农业的生产较少，随着近年来科技的发展，许多国家都在积极研制大型瓜果采摘机，其控制系统原理大致如下：首先，通过多视觉传感器将视觉信息传递给计算机；接着，通过复杂的图像处理筛选有效信息传递给机器人的运动控制系统；然后将按事先设定好的程序控制机器人身上的机械臂运动，从而实现对果实的采摘。但目前大型瓜果采摘系统的研制还处于初步阶段，其智能化水平非常有限，主要存在以下问题：（1）对智能识别瓜果的识别度不高；（2）在采摘过程中对瓜果易造成损害；（3）采摘效率较低；（4）研发采摘系统的成本较高。这使得目前的西瓜采摘系统不利于推广。

发明内容

本发明克服以上的缺点，针对西瓜的采摘提供了一种实用、可靠的控制系统，其控制的机械手为三自由度，通过PC机发指令给单片机控制各个步进电机的协调运行，在保证不损坏西瓜的前提下实现机械手对西瓜的准确定位和有效采摘。

本发明的西瓜采摘机械手的控制系统包括PC机、摄像头、3个无线传输模块、单片机、步进电机驱动器、5个步进电机、力传感器、A/D转换电路、机械手、移动平台。

所述机械手包括整体支架、旋转机构、旋转块、水平支架、垂直支架、水平滑动机构、垂直滑动机构、水平滑动块、末端执行器构成；整体支架固定在移动平台上，其上面固定有旋转机构；旋转机构包括旋转减速步进电机、旋转块；旋转块固定有水平支架；水平支架支撑着水平滑动块；水平滑动块下方固定有水平滑动机构；水平滑动机构包含水平减速步进电机、水平支架；水平滑动块上方固定有垂直滑动机构；垂直滑动机构包含垂直减速步进电机、垂直支架；垂直滑动机构的减速步进电机带动着垂直支架；所述垂直支架上连接着末端执行器；末端执行器，包含夹持机构和剪切机构。

 所述机械手的整体支架固定在移动平台上，摄像头安装于移动平台前部，3个无线传输模块分别连接PC机的USB插槽、单片机、摄像头，步进电机驱动器与单片机和步进电机相连，A/D转换电路分别与力传感器和单片机相连，5个步进电机分别位于机械手的相应关节处。

本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，所述PC机通过无线传输模块与单片机和摄像头进行无线传输。

本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，所述5个步进电机驱动器连接单片机，由单片机顺序选通步进电机驱动器的使能端，以分时控制不同步进电机的工作。

本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，所述的力传感器位于机械手的末端执行器的夹持机构的内部，用于检测抓举的西瓜与夹持机构之间的压力，经A/D转换电路将变化的模拟电压信号转化为数字信号反馈给单片机，从而改变被控制的步进电机的脉冲个数和方向。

本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，所述单片机向指定的步进电机驱动器发送相应的不同频率的脉冲个数和方向信号，以控制对应步进电机的运行方向、速率和时间，从而驱动机械臂完成采摘动作。

本发明公开的西瓜采摘机械手的控制系统，其主要的步骤包括：

ST1：位于移动平台的摄像头采集到含有西瓜的场景图片，通过无线传输模块传输给PC机，PC机进行图像处理后获取西瓜的空间方位，并计算出各个步进电机运动的方向和不同频率的脉冲数，最终生成指令代码，通过无线传输模块发送指令给单片机；

ST2：单片机内部的中断服务程序接收来自PC机的指令代码；

ST3：单片机接收到指令后，通过预编译程序解码PC机的指令代码，得到各个步进电机运动的方向信号和不同频率的脉冲数，单片机顺序选通各个步进电机，分时控制输出相应的信号给各个步进电机驱动器，控制步进电机的运行； 

ST4：位于旋转机构的旋转减速步进电机运行使旋转块旋转到西瓜的朝向；

ST5：位于水平滑动机构的水平减速步进电机运行，使位于机械手水平支架上的水平滑动块移动，从而让末端执行器移动到西瓜的上方；

ST6：位于垂直滑动机构的垂直减速步进电机运行，使垂直于水平滑动块上的垂直支架向下移动，使机械手的末端执行器靠近要采摘的西瓜； 

ST7：位于末端执行器上的夹持减速步进电机运行使末端执行器的夹持机构合并夹住西瓜，末端执行器的夹持机构上的两片压力传感器将检测到末端执行器与西瓜之间的压力模拟信号，该模拟信号通过A/D转换变为数字信号反馈给单片机，从而改变夹持减速步进电机的脉冲数和脉冲频率，实现其均匀减速直至停止运行，使得在不损坏西瓜的前提下夹持机构有效地抓取西瓜；

ST8：位于垂直滑动机构的垂直减速步进电机运行，使机械手的垂直支架上升从而将西瓜提起，夹持机构可绕中心轴旋转，在西瓜藤的牵拉下，夹持机构旋转使西瓜藤向下；

ST9：位于末端执行器上的剪切减速步进电机运行，闭合末端执行器的剪切机构，实现对西瓜藤的剪切，完成对西瓜的采摘；

ST10：所有步进电机复位，从而使机械手复位。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1. 本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，利用力传感器进行补偿控制，通过A/D转换电路将模拟信号变为数字信号，反馈信息给单片机，实现单回路的步进电机控制，提高了控制的可靠性与稳定性；

2. 本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，由单片机控制多个步进电机，通过顺序选通不同的步进电机驱动器的使能端，以实现分时控制不同步进电机工作，达到协调控制多个步进电机的效果；

3. 本发明的西瓜采摘机械手的控制系统，所述机械手的自由度较低，其控制方案简单、灵活、低成本，因此针对传统栽培模式的西瓜采摘，具有广阔的市场前景。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为本发明的总体控制原理图；

图2本发明的控制流程图；

图3为本发明的结构图。

 图中标记，1.旋转减速步进电机，2.水平减速步进电机，3.垂直减速步进电机，4.夹持减速步进电机，5.剪切减速步进电机，6.整体支架，7.旋转块，8.水平支架, 9.垂直支架，10.夹持机构，11.剪切机构，12.水平滑动块，13.移动平台，14.摄像头，15.力传感器，16.A/D转换电路，17.PC机，18.无线传输模块，19.单片机， 20.步进电机驱动器，21.旋转机构，22.水平滑动机构，23.垂直滑动机构，24.末端执行器。

具体实施方案

参照图1，本发明的西瓜采摘机械手的控制系统包括PC机17、摄像头14、无线传输模块18、单片机19、步进电机驱动器20、步进电机、力传感器15、A/D转换电路16、机械手、移动平台13。

摄像头14安装于移动平台13的前部，三块无线传输模块18分别连接PC机17的USB插槽、单片机19、摄像头14。步进电机驱动器20与单片机19以及步进电机相连，A/D转换电路16分别与力传感器15和单片机19相连。旋转机构21包括旋转减速步进电机1、旋转块7，水平滑动机构22包括水平减速步进电机2、水平支架8，垂直滑动机构23包括垂直减速步进电机3、垂直支架9，末端执行器24包括夹持减速步进电机4、夹持机构10、剪切减速步进电机5、剪切机构11，5个步进电机分别位于机械手的相应关节处。

 参照图1，描述主要部分的具体功能：

1．PC机17是本发明控制系统的上位机，负责处理从摄像头14获取的图像信息、计算获取目标三维坐标点、计算出各个步进电机运动的方向和不同频率的脉冲数并生成指令代码、发送控制指令给单片机19以及对场景的实时监控；

2．单片机19是本发明控制系统的核心，它接收来自PC机17发来的控制指令，通过预编译程序解码PC机17的指令代码，得到各个步进电机运动的方向信号和不同频率的脉冲数，单片机19通过顺序选通不同步进电机驱动器的使能端，从而分时控制多个步进电机的运行。同时接收由力传感器15通过A/D转换电路16发送的数字信号，通过判断数字信号的大小来改变控制步进电机的脉冲频率以及脉冲个数，实现单回路的反馈调节；

3．无线传输模块18是信息的传递关键部件，用于PC机17与摄像头14之间图像的传输、PC机17与单片机19之间的数据传输；

4．步进电机驱动器20是驱动步进电机的直接执行机构，接收来自单片机19的脉冲、方向信号、使能信号，以准确控制多个步进电机的协调运行；

5．力传感器15用于检测夹持机构10与西瓜之间的压力大小，将压力信号转换为模拟的电压信号；

6．A/D转换电路16将力传感器15的模拟信号转换为数字信号传递给单片机19，以实现单回路的反馈控制。

参照图1、图2、图3，本发明的西瓜采摘机械手的控制系统的主要步骤为：

ST1：位于移动平台的摄像头14采集到含有西瓜的场景图片，通过无线传输模块18传输给PC机17，PC机17进行图像处理后获取西瓜的空间方位，并计算出各个步进电机运动的方向和不同频率的脉冲数，最终生成指令代码，通过无线传输模块18发送指令给单片机19；

ST2：单片机19内部的中断服务程序接收来自PC机17的指令；

ST3：单片机19接收到指令后，通过预编译程序解码PC机17的指令代码，得到各个步进电机运动的方向信号和不同频率的脉冲数，单片机19通过顺序选通5个步进电机，分时控制输出相应的信号给各个步进电机驱动器，控制步进电机的运行；

ST4：位于旋转机构21的旋转减速步进电机1运行使旋转块7旋转到西瓜的朝向；

ST5：位于水平滑动机构22的水平减速步进电机2运行，使位于水平支架8上的水平滑动块12移动，从而让末端执行器24移动到西瓜的上方；

ST6：位于垂直滑动机构23的垂直减速步进电机3运行，使垂直于水平滑动块12上的垂直支架9向下移动，使机械手的末端执行器24靠近要采摘的西瓜；

ST7：位于末端执行器24上的夹持减速步进电机4运行使末端执行器24的夹持机构10合并夹住西瓜，夹持机构10上的两片压力传感器15将检测到末端执行器24与西瓜之间的压力模拟信号，该模拟信号通过A/D转换电路16将数字信号反馈给单片机19，从而改变夹持减速步进电机4的脉冲数和脉冲频率，实现其均匀减速直至停止运行，使得在不损坏西瓜的前提下夹持机构10有效地抓取西瓜；

ST8：位于垂直滑动机构23的垂直减速步进电机3运行使机械手的垂直支架9上升从而将西瓜提起，夹持机构10可绕中心轴旋转，在西瓜藤的牵拉下，夹持机构10旋转使西瓜藤向下；

ST9：位于末端执行器24上的剪切减速步进电机5运行，闭合末端执行器24的剪切机构11，实现对西瓜藤的剪切，完成对西瓜的采摘；

ST10：所有步进电机1～5复位，从而使机械手复位。

参照图3，本发明的西瓜采摘机械手包括有：整体支架6、旋转块7、水平支架8、垂直支架9、夹持机构10、剪切机构11等主要部分以及连接各部分的关节组成。其中，整体支架6位于移动平台13上方，整体支架6的上端为旋转块7，位于旋转块7下面的是旋转减速步进电机1，用于驱动旋转块7的旋转。水平支架8一端固定在旋转块7上，水平滑动块12位于水平支架8上，水平减速步进电机2位于水平滑动块12的下方，水平滑动块12在水平支架8上滑动，将带动末端执行器移动。垂直支架9位于水平滑动块12上，位于水平滑动块12上方的垂直减速步进电机3将驱动垂直支架9相对水平滑动块12升降，使末端执行器实现升降。末端执行器安装于垂直支架9的下端，包括夹持机构10和剪切机构11。夹持减速步进电机4贴附在末端执行器的右上方，驱动夹持机构10闭合，实现对西瓜的夹持，剪切减速步进电机5贴附在末端执行器的左上方，驱动剪切机构11闭合，实现对西瓜的剪藤。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，因此，本发明不会限于所公开的实施例，而是符合公开实施例具有的原理的最大范围。

Claims (6)

1.一种西瓜采摘机械手的控制系统，其特征在于，包括：PC机、摄像头、3个无线传输模块、单片机、步进电机驱动器、5个步进电机、力传感器、A/D转换电路、机械手、移动平台；其中，

所述机械手包括整体支架、旋转机构、旋转块、水平支架、垂直支架、水平滑动机构、垂直滑动机构、水平滑动块、末端执行器构成；整体支架固定在移动平台上，其上面固定有旋转机构；旋转机构包括旋转减速步进电机、旋转块；旋转块固定有水平支架；水平支架支撑着水平滑动块；水平滑动块下方固定有水平滑动机构；水平滑动机构包含水平减速步进电机、水平支架；水平滑动块上方固定有垂直滑动机构；垂直滑动机构包含垂直减速步进电机、垂直支架；垂直滑动机构的减速步进电机带动着垂直支架；所述垂直支架上连接着末端执行器；末端执行器，包含夹持机构和剪切机构。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述摄像头安装于移动平台前部，将采集到的含有西瓜的场景图片通过无线传输模块传输给PC机，PC机进行图像处理后获取西瓜的空间方位，并计算出各个步进电机运动的方向和不同频率的脉冲数，最终生成指令代码通过无线传输模块发送给单片机；

所述单片机接收来自PC机的指令，通过预编译程序解码PC机的指令代码，得到各个步进电机运动的方向信号和不同频率的脉冲数；

所述单片机顺序选通各个步进电机，分时发送相应的不同频率的脉冲数和方向信号给各个步进电机驱动器，控制对应的各个步进电机的运行方向、速率和时间；其中：

所述位于机械手旋转机构的旋转减速步进电机运行使机械手的旋转块旋转到西瓜的朝向，然后是位于水平滑动机构的水平减速步进电机运行使位于机械手水平支架上的水平滑动块移动，从而让机械手的末端执行器移动到西瓜的上方，紧接着位于垂直滑动机构的垂直减速步进电机运行使垂直于水平滑块上的垂直支架向下，让机械手的末端执行器靠近要采摘的西瓜；继而是位于机械手的末端执行器上的夹持减速步进电机运行使机械手的末端执行器的夹持机构合并夹住西瓜；

所述两片力传感器位于机械手的末端执行器的夹持机构内部，将持续检测机械手的末端执行器与西瓜之间的压力以得到模拟信号，通过A/D转换变为数字信号反馈给单片机，从而改变夹持减速步进电机的脉冲数和脉冲频率，实现其均匀减速直至停止运行，这样使得在不损坏西瓜的前提下有效地抓取西瓜；

所述单片机控制位于机械手的垂直滑动机构的垂直减速步进电机运行，使机械手的垂直支架上升从而将西瓜提起，机械手的末端执行器的夹持机构可绕中心轴旋转，在西瓜藤的牵拉下夹持机构旋转使西瓜藤向下；

所述单片机控制位于机械手的末端执行器上的剪切减速步进电机运行，闭合机械手的末端执行器的剪切机构，实现对西瓜藤的剪切，完成对西瓜的采摘；

所述移动平台用于提供动力和移动行走能力;

所述机械手安装在移动平台上。

3.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述3个无线传输模块分别连接PC机的USB插槽、单片机和摄像头。

4.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述步进电机驱动器与单片机和步进电机相连，A/D转换电路分别与力传感器和单片机相连，5个步进电机分别位于机械手的相应关节处。

5.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述PC机通过无线传输模块与单片机和摄像头进行无线通讯。

6.如权利要求1所述的控制系统，其特征在于，所述的多个步进电机驱动器连接单片机，由单片机顺序选通步进电机驱动器的使能端，以分时控制不同步进电机的工作。

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