CN208867184U - 一种果实分拣机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种果实分拣机器人控制系统，其特征在于，包括主控模块以及与所述主控模块连接的光电传感器、电磁继电器、视觉检测系统和各电机驱动板，所述电磁继电器与抓取装置连接，所述各电机驱动板与各机械臂驱动电机一一对应连接，所述机械臂驱动电机与机械臂一一对应；所述抓取装置设置在所述机械臂末端；所述光电传感器检测果实位置。所述各机械臂驱动电机均配置有编码器，所述编码器和相对应的机械臂驱动电机、电机驱动板连接形成闭环系统。本实用新型具有速度快、精度高等优点，相比于人工分拣，可以大大提高工作效率，节省了成本与大量人力。

Description

一种果实分拣机器人控制系统

技术领域

本实用新型属于果实分拣分级装置技术领域，具体涉及一种果实分拣机器人控制系统。

背景技术

农业是传统产业和基础产业，占据十分重要的地位。我国土地资源丰富，气候条件适宜，适合大面积种植水果蔬菜。1999年，中国成为水果生产大国，其中番茄的年产量在2016年已接近65万吨。目前，我国果实采摘、分拣分级的过程主要依靠人工来进行。果实分拣分级是果实生产中的重要一环，利用人工对果实分拣分级的传统方法工作量大、效率低。而且，由于人的活动受到很多条件的限制，并且随着工作时间的加长，不能保证分拣分级工作的准确和效率。

实用新型内容

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型设计了一种果实分拣机器人控制系统，提高了果实分拣的效率和准确性，实现了果实分拣的自动化过程。

为了解决上述存在的技术问题，本实用新型采用了以下技术方案：

一种果实分拣机器人控制系统，包括主控模块以及与所述主控模块连接的光电传感器、电磁继电器、视觉检测系统和各电机驱动板，所述电磁继电器与抓取装置连接，所述各电机驱动板与各机械臂驱动电机一一对应连接，所述机械臂驱动电机与机械臂一一对应，所述抓取装置设置在所述机械臂末端。

进一步，所述各机械臂驱动电机均配置有编码器，所述编码器和相对应的机械臂驱动电机、电机驱动板连接形成闭环系统。

进一步，所述编码器是光电编码器。

进一步，所述主控模块、各电机驱动板，各机械臂驱动电机均固定在定平台上，所述定平台、电磁继电器和光电传感器固定在支撑框架上。

进一步，所述定平台是一圆形板结构，圆形板结构的周边均布有多个矩形的豁槽，每个豁槽旁边均设置有安装孔以安装相对应电机驱动板和机械臂驱动电机，所述豁槽与所述机械臂一一对应。

进一步，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F407芯片。

进一步，所述机械臂驱动电机采用伺服步进电机；所述电机驱动板对相应机械臂驱动电机转角进行丢步检测，并进行相应补偿。

进一步，所述光电传感器采用型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器。

进一步，所述抓取装置包括吸盘，所述吸盘的固定端依次穿过动平台的中心通孔、定位盖的中心通孔与固定螺母螺纹连接；所述动平台与所述各机械臂连接；所述吸盘采用柔性的真空吸盘，连接到抽真空装置上。

进一步，所述动平台的周边均布有多组连接凸台；每组连接凸台均包括两个凸台，凸台上加工有圆形通孔以与相对应机械臂末端转动连接。

进一步，所述动平台的一端端面中部设置有凹槽结构以容纳所述定位盖，凹槽结构的底部设置有若干定位孔；所述定位盖的一端端面上设置有若干定位柱以与所述定位孔配合。

进一步，所述机械臂有三个，三个机械臂驱动电机的运动相互独立。

该果实分拣机器人控制系统具有以下有益效果：

（1）本实用新型中，采用并联设置的机械臂作为果实分拣的主体执行机构，具有速度快、精度高等优点。相比于人工分拣，可以大大提高工作效率，避免分拣结果因人而异，节省了成本与大量人力。

（2）本实用新型中，末端执行组件采用吸盘结构，吸盘采用柔性材料，能够在分拣过程中避免对果实造成损伤。

（3）本实用新型，采用模块化设计，便于拆装；成本低，经济性好；尺寸大小适当、结构紧凑、操作简便、安全可靠。

（4）本实用新型采用的主控模块核心为意法半导体开发的STM32F407系列芯片，其具有FPU单元，集成了部分DSP指令，相比传统的定点运算处理器，浮点运算速度具备优势。且其168MHz的工作频率，使该系列芯片具备更高的执行速度和代码效率，提高了系统的实时性，从而使分拣更加迅速，效率更高。

（5）本实用新型采用57HSE112-D25型伺服步进电机，该伺服步进电机具有更高的速度和较稳定的力矩，使并联机械臂在执行抓取动作时更加快送、精准、稳定。

（6）本实用新型中，每一个机械臂驱动电机与其配套的电机驱动板以及编码器形成了一个闭环系统，电机驱动板能够对电机转角进行丢步检测，并进行相应补偿，进一步提高了机械臂抓取动作的精确性和稳定性。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中果实分拣机器人控制系统的模块化结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中果实分拣机器人的结构示意图；

图3：本实用新型实施方式中抓取装置的结构示意图；

图4：本实用新型实施方式中定平台的结构示意图；

图5：本实用新型实施方式中果实分拣机器人控制系统的工作流程图。

附图标记说明：

1—主控模块；2—光电传感器；3—电磁继电器；4—抓取装置；41—吸盘；42—动平台；43—定位盖；44—固定螺母；51—电机驱动板Ⅰ；52—电机驱动板Ⅱ；53—电机驱动板Ⅲ；61—步进电机Ⅰ；62—步进电机Ⅱ；63—步进电机Ⅲ；71—编码器Ⅰ；72—编码器Ⅱ；73—编码器Ⅲ；81—机械臂Ⅰ；82—机械臂Ⅱ；83—机械臂Ⅲ；9—定平台；91—豁槽；92—安装孔；10—视觉检测系统。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图5示出了本实用新型果实分拣机器人控制系统的具体实施方式。图1是本实施方式中果实分拣机器人控制系统的模块化结构示意图；图2是本实施方式中果实分拣机器人的结构示意图；图3是本实施方式中抓取装置的结构示意图；图4是本实施方式中定平台的结构示意图；图5是本实施方式中果实分拣机器人控制系统的工作流程图。

如图1所示，本实施方式中的果实分拣机器人控制系统，包括主控模块1以及与主控模块1连接的光电传感器2、电磁继电器3、视觉检测系统10和各电机驱动板，电磁继电器3与抓取装置4连接，各电机驱动板与各机械臂驱动电机一一对应连接，机械臂驱动电机与机械臂一一对应，抓取装置4设置在机械臂末端。电磁继电器3控制抓取装置4进行抓取动作。

优选地，各机械臂驱动电机均配置有编码器，编码器和相对应的机械臂驱动电机、电机驱动板连接形成闭环系统。

优选地，编码器是光电编码器。本实施例中，编码器均采用型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器，用于电机复位检测，感应距离调整为8cm-14cm间。

优选地，如图2所示，主控模块1、各电机驱动板，各机械臂驱动电机均固定在定平台9上，定平台9、电磁继电器3和光电传感器2固定在支撑框架上。本实施例中，没有画出支撑框架。

优选地，定平台9是一圆形板结构，圆形板结构的周边均布有多个矩形的豁槽91，每个豁槽91旁边均设置有安装孔92以安装相对应电机驱动板和机械臂驱动电机，豁槽91与机械臂一一对应以方便机械臂的动作，如图4所示。

优选地，主控模块1是基于STM32的单片机，主控模块1的主体是以ARM架构的STM32F407芯片。

优选地，机械臂驱动电机采用伺服步进电机；电机驱动板对相应机械臂驱动电机转角进行丢步检测，并进行相应补偿。本实施例中，机械臂驱动电机采用57HSE112-D25型伺服步进电机。对比传统步进电机，该伺服步进电机具有更高的速度和较稳定的力矩。除电源外，每个伺服步进电机需要2个控制信号，PUL和DIR。PUL为脉冲信号，每当给PUL输入一个脉冲信号，步进电机转动一定角度，称为步距角，给PUL输入连续的脉冲信号，根据脉冲信号的频率和数量可以对步进电机进行调速以及角度控制。DIR为方向信号，控制步进电机的转动方向。主控模块1发送电机控制信号给各电机驱动板，各电机驱动板驱动相对应步进电机,进行正转或反转，转动不同角度，实现各机械臂的运动，最终实现机械臂末端的动平台42在空间X、Y、Z三个方向上的平移运动。

优选地，光电传感器2是漫反射型光电传感器。本实施例中，光电传感器2采用型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器，用于检测是否有果实到来，感应距离调整为23cm-27cm间。视觉检测系统10检测果实的具体位置信息。

优选地，如图2和图3所示，抓取装置4包括吸盘41，吸盘41的固定端依次穿过动平台42的中心通孔、定位盖43的中心通孔与固定螺母44螺纹连接；动平台42与各机械臂连接；动平台42始终与地面保持水平。吸盘41采用柔性的真空吸盘，连接到抽真空装置上。

具体地，动平台42的周边均布有多组连接凸台；每组连接凸台均包括两个凸台，凸台上加工有圆形通孔以与相对应机械臂末端转动连接，如图3所示。

具体地，动平台42的一端端面中部设置有凹槽结构以容纳定位盖43，凹槽结构的底部设置有若干定位孔；定位盖43的一端端面上设置有若干定位柱以与定位孔配合，如图3所示。

本实施例中，机械臂有三个，分别是机械臂Ⅰ81、机械臂Ⅱ82和机械臂Ⅲ83；机械臂驱动电机有三个，分别是步进电机Ⅰ61、步进电机Ⅱ62和步进电机Ⅲ63；电机驱动板有三个，分别是电机驱动板Ⅰ51、电机驱动板Ⅱ52和电机驱动板Ⅲ53；步进电机Ⅰ61、步进电机Ⅱ62和步进电机Ⅲ63分别配置有编码器Ⅰ71、编码器Ⅱ72和编码器Ⅲ73，如图1所示，电机驱动板Ⅰ51通过步进电机Ⅰ61驱动机械臂Ⅰ81，电机驱动板Ⅱ52通过步进电机Ⅱ62驱动机械臂Ⅱ82，电机驱动板Ⅲ53通过步进电机Ⅲ63驱动机械臂Ⅲ83，三个机械臂的运动相互独立。编码器Ⅰ71、编码器Ⅱ72和编码器Ⅲ73分别采集步进电机Ⅰ61、步进电机Ⅱ62和步进电机Ⅲ63所转角度，并与其相对应的电机驱动板相连接。各编码器将步进电机转过的实际角度反馈给对应电机驱动板，电机驱动板能够对电机转角进行丢步检测，并进行相应的角度补偿。

工作时，如图5所示，首先，当果实信息传输到主控模块1后，主控模块1控制三个机械臂转过相应角度，使动平台42从初始位置移动到果实上方进行抓取；然后，机械臂转过一定角度，使动平台42移动到固定位置并松开果实；最后，动平台42回到初始位置，为下一个果实的抓取做准备。

具体的，根据平台分级要求，控制板上电复位后，首先对系统进行初始化。系统初始化包括了复位所有外设、初始化Flash接口、配置系统时钟、初始化GPIO输入输出、初始化串口并配置优先级、初始化通用定时器TIM2、初始化电机脉冲输出定时器。系统初始化后，进行按键检测。首先对机器人进行复位，使电机转角和机构位置回复初始位置。之后，按下对应按键，开启串口中断接收果实数据，并对数据进行整理分析，判断其是否符合数据结构标准。然后执行控制电机转角，完成机器人抓取放置子程序。

具体的，利用57伺服步进电机实现对机器人控制的基础，是对电机的转角转速进行精确的控制。本设计采用的方案是利用STM32F4控制板发向电机驱动器发送控制命令，电机驱动器通过分析控制命令，形成控制电流，实现对电机的控制。设计选用的控制板能够接受伺服步进电机编码器的信号，对电机的丢步现象进行检测，并能够进行相应的修正。驱动板与控制板的连接方式采用共阳极的连接方式，所以在设定好电机使能端和电机转向端后，通常情况下控制板输出的脉冲个数与电机转角呈线性关系，脉冲的频率与电机转速呈线性关系。设计使用STM32F407高级控制定时器TIM8的输出比较模式，生成三路脉冲数与频率均可控制的脉冲方波。TIM8工作在输出比较模式时，有一个可编程的寄存器。在对定时器进行相关配置，开启定时器功能，对可编程寄存器写入数值后，定时器开始向上计数，当达到该数值后，相关引脚的电平反转，生成中断，计数器归零。通过改变写入可编程寄存器的数值，能够对引脚输出的脉冲频率进行控制；通过统计生成的中断个数，并对其总数进行限制，能够对引脚输出的脉冲个数进行控制。利用TIM8输出比较模式产生脉冲控制信号，可以实现对伺服步进电机的运动进行基本控制。若设A表示控制脉冲频率的可编程寄存器值，B表示统计的中断总数，则存在如下关系。

A=(168/(预分频数+1)) / (2*脉冲频率)

B=电机驱动板细分*2 / 360 *电机转角*减速比

具体的，电机复位子程序的实施流程为：利用光电传感器对与电机相连的主动臂进行检测，检测到后，关闭对应电机的脉冲输出通道。当三个脉冲输出通道都被关闭后，对电机角度进行修正，完成电机复位。

在电机复位后，打开串口接收程序，接收果实数据。根据数据计算得到抓取点和放置点的坐标，执行抓取放置程序。首先，移动末端至抓取点上方，等待果实随传送带移动至抓取点。当光电开关检测到果实移动到抓起点位置时，系统控制果实分拣机器人末端下降至抓取点，导通电磁继电器开关，开启抓取装置对果实进行抓取。之后，计算“门”型路径轨迹插补点对用的电机转角，使能定时器TIM2，每100ms执行一次电机运动子函数，更新电机的转向、转角、转速，使机器人末端沿“门”型路径移动到放置点。控制电磁继电器，关闭抓取装置，将果实放下，再回到初始位置，完成对果实的分级放置任务。

针对自动分拣机器人，本实用新型设计了果实分级机器人控制系统，完成了整个控制流程设计，实现了自动分拣并对果实进行分级的功能。分拣过程中对果实的损伤更小，更加高效，能够实现机器人精准、快速的对传送带上的果实进行定位并抓取和分类放置，节省了成本与大量人力。

相较于现有分拣机器人，本实用新型采用的57伺服步进电机能更加平稳的带动机械臂组运动，使抓取放置动作更加稳定，震动更小，同时对果实的损伤更小。

本实用新型系统编写了系统控制的程序，并进行了实验。通过实地实验，验证了该系统能基本满足自动分拣的功能，能够对传送带上的果实进行精准稳定的搬运和分级。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种果实分拣机器人控制系统，其特征在于，包括主控模块以及与所述主控模块连接的光电传感器、电磁继电器、视觉检测系统和各电机驱动板，所述电磁继电器与抓取装置连接，所述各电机驱动板与各机械臂驱动电机一一对应连接，所述机械臂驱动电机与机械臂一一对应，所述抓取装置设置在所述机械臂末端。

2.根据权利要求1所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述各机械臂驱动电机均配置有编码器，所述编码器和相对应的机械臂驱动电机、电机驱动板连接形成闭环系统。

3.根据权利要求1或2所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述主控模块、各电机驱动板，各机械臂驱动电机均固定在定平台上，所述定平台、电磁继电器和光电传感器固定在支撑框架上。

4.根据权利要求3所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述定平台是一圆形板结构，圆形板结构的周边均布有多个矩形的豁槽，每个豁槽旁边均设置有安装孔以安装相对应电机驱动板和机械臂驱动电机，所述豁槽与所述机械臂一一对应。

5.根据权利要求1、2或4所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述主控模块的主体是以ARM架构的STM32F407芯片。

6.根据权利要求1、2或4所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述机械臂驱动电机采用伺服步进电机；所述电机驱动板对相应机械臂驱动电机转角进行丢步检测，并进行相应补偿。

7.根据权利要求1、2或4所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述光电传感器采用型号为E18-D80NK的漫反射型光电传感器。

8.根据权利要求1、2或4所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述抓取装置包括吸盘，所述吸盘的固定端依次穿过动平台的中心通孔、定位盖的中心通孔与固定螺母螺纹连接；所述动平台与所述各机械臂连接；所述吸盘采用柔性的真空吸盘，连接到抽真空装置上。

9.根据权利要求8所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述动平台的周边均布有多组连接凸台；每组连接凸台均包括两个凸台，凸台上加工有圆形通孔以与相对应机械臂末端转动连接。

10.根据权利要求1、2、4或9所述的果实分拣机器人控制系统，其特征在于，所述机械臂有三个，三个机械臂驱动电机的运动相互独立。