基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计

摘要

21世纪是农业机械化向智能化方向过渡的重要时期。随着农业生产的规模化、多样化和精确化，农业生产作业要求逐渐提高，许多作业项目都是劳动密集型工作，例如蔬菜和水果的挑选与采摘、蔬菜的嫁接等，再加上时令的要求，保证作业质量成为十分关键问题；另外，工业生产发展迅速，农业劳动力将逐渐向社会其他产业转移，随着人口的老龄化和农业劳动力的减少，农业生产成本也相应提高，这样大大降低了产品的市场竞争力。
　　 果品采摘作业是水果生产链中最耗时、最费力的一个环节。采摘作业季节性强、劳动强度大、费用高，因此保证果实适时采收、降低收获作业费用是农业增收的重要途径。采摘机器人作为农业机器人的重要类型，可充分利用机器人的信息感知功能，对被采摘对象的成熟程度进行识别，从而保证采摘的果实的质量，并能够大大提高采摘的工作效率、降低工人劳动强度和生产费用、提高劳动生产率和产品质量、保证果实适时采收，因而具有很大发展潜力。因此农业采摘机器人的大规模广泛应用将是提高我国农业机械化水平的一项有力措施。
　　 机械系统采用大谷六自由度机械手，该机械手系统由基座、手臂、手腕、手部四个部分组成。硬件机械系统主要是由6路伺服电机、金属支架组件构成，对机械系统的机械结构和舵机控制方法进行深入的理论研究后，设计了六自由度果实采摘机械手的控制系统。
　　 本论文主要工作内容：
　　 1、对六自由度果实采摘机械手的控制系统进行设计。硬件控制系统采用模块化的设计方案，将控制器按照芯片控制模块、电源模块、键盘模块、液晶显示模块、舵机驱动模块进行分块设计。从而将功能分解，降低模块间的耦合性。软件控制系统摒弃了使用PC机上安装的控制软件的传统控制方法，仅利用实验设计的机械手控制系统即可实现对六自由度机械手的操作控制，控制芯片为AVR系列单片机-Atmega161。
　　 2、经由视觉系统给出果实的空间坐标并确定了机械手的位姿后，通过空间坐标与舵机角度的算法转换后，硬件控制系统接口与视觉系统对接并对舵机转动进行控制，从而通过软件控制系统带动整个机械手完成一定空间范围内的果实采摘工作。经实验验证了控制器对果实采摘机械手控制的可行性、满足了本文对控制器进行设计的目的。

目录

文摘

英文文摘

CONTENTS

1 引言

1.1 研究背景

1.2 国内外农业采摘机器人研究动态趋势

1.2.1 国外农业采摘机器人发展状况

1.2.2 国内农业采摘机器人发展状况

1.3 论文研究的目的和意义

1.4 论文的主要研究工作和内容

1.5 本章小结

2 六自由度机械手的位姿分析

2.1 硬件系统的总体结构

2.2 机械手的硬件结构组成

2.3 机械手的位姿分析

2.4 本章小结

3 机械手控制方法的研究

3.1 微型伺服直流电机的工作原理

3.2 微型伺服直流电机内部结构

3.3 本章小结

4 六自由度果实采摘机械手控制系统的硬件设计

4.1 硬件开发工具与PCB设计方法

4.1.1 硬件开发工具AltiumDesigner08

4.1.2 PCB高可靠性设计原则

4.2 芯片控制模块

4.2.1 芯片电路

4.2.2 复位电路

4.2.3 晶振电路

4.2.4 控制芯片的选取

4.2.5 ATmega16的特性与引脚功能

4.3 电源模块

4.4 键盘指令输入模块

4.5 液晶显示模块

4.6 舵机接口模块

4.7 程序下载模块

4.7.1 JTAG下载电路

4.7.2 ISP下载电路

4.8 本章小结

5 六自由度果实采摘机械手控制系统的软件设计

5.1 系统软件的选择

5.1.1 编译软件ICCAVR

5.1.2 程序下载软件AVR Studio

5.2 机械手软件设计总体方案

5.2.1 系统初始化

5.2.2 键盘扫描和检测

5.2.3 液晶显示

5.2.4 舵机控制

5.3 本章小结

6 系统调试与控制实验

6.1 硬件调试

6.2 软件调试

6.3 机械手控制实验

6.4 本章小结

7 结论

致 谢

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间发表的学术论文