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基于单片机的仿人多指番茄采摘机械手设计

时间:2019-02-16    作者: 李珑    来源: 永信论文网
摘要:通过利用仿人多指采摘机械手,可以实现番茄采摘过程的自动化,这就极大的提升了采摘工作的效率。本文对基于单片机的仿人多指番茄采摘机械手的设计问题进行了一些有意义的探讨,希望对相关工作能够有所借鉴。

关键词 单片机,番茄采摘,仿人多指机械手

1果实采摘中应用机器人技术的意义

现代化社会的一个典型特点就是各种科学技术高度发达,而且在社会生产和生活中取得了广泛的应用。以可编程机器人技术为例,它的出现和不断完善使得人类的很多传动生产模式被改变,可编程机器人已经可以代替很多传统必须依靠人类劳作的生产工作岗位,这一方面降低了劳动强度,使人可以从生产岗位上被解放出来,转而去从事一些生产协调和指挥的工作,另一方面也极大地提升了生产效率,而且因为排除了人为不稳定因素干扰的缘故,使得生产质量也得到了大幅度提升。

近年来,随着计算机编程和自动化控制技术的进一步提升,可编程机器人的动作灵活性和自动化控制水平也在不断提高,而这促使机器人的用途也更加广泛。比如在果实采摘领域,只要所设计的多指采摘机械手(如图1所示)具备足够的灵活性和柔性,能够保障果实的采摘破损率在可接受的范围内,那么应用机器人来代替人类进行果实采摘就不失为一个好途径。本文正是基于这一考虑,对基于单片机的仿人多指番茄采摘机械手的设计进行了一些有意义的探讨,希望为实现果实采摘的自动化能够提供参考和借鉴。

图1 仿人多指机械手

2总体设计

考虑到番茄采摘工作对手指动作的灵活性有着较高的要求,所以对仿人多指机械手的动作控制就提出了更高的要求。为了实现动作的灵活性,需要对采摘中涉及到的运动方式进行精确的分析,并构建相应的数学模型。在此基础上,可以通过运用不同的驱动方式来精确实现采摘运动。至于对采摘动作尤其是手指运动的控制,可以使用PID闭环反馈控制系统来实现。具体而言,需要对采摘机械手的手指运行进行精确协调,而协调功能则可以通过布设在运动执行末端的传感器反馈信号来进行。运动末端的传感器将采集到的信息通过A/D转换后输送给单片机,而单片机则通过对信号的分析处理来生成控制指令,进而实现对夹紧力的调整。当多指机械手灵活地夹紧番茄时,需要对果实进行切断,然后再移动至果箱。整个移动过程可以通过限位开关进行启停,一旦仿人机械手移动到预设位置后,系统就会控制手指松开,这样果实就自然落到了果箱当中,进而完成采摘流程。

通过以上对仿人机械手的总体分析可知,其整个采摘动作都需要依靠单片机来进行控制,单片机不仅需要接受末端传感器发来的外部数据并加以处理,还需要生成相应的控制指令,并同时完成对机械手运动的协调。除此之外,整个采摘机械手系统还需要设置相应的人机交互界面来对系统的运行状态和控制模式进行显示,以方便操作人员通过自主设定来调整控制过程。

3结构和控制系统设计

对于番茄等果实采摘作业来说,机械手的结构设计要点是必须要能实现果实抓持,所以应将多指设计成为弧形面。同时,为了确保番茄可以被抓实而不脱落,应该施加一定的载荷力F。F的取值必须科学合理,太小则无法实现抓持,太大又容易夹碎番茄。F值应根据弧形面材料与番茄外表间的最大静摩擦力来进行确定。具体而言,可以提取番茄的平均重力,然后使因添加F而产生的静摩擦力与番茄自重达到平衡。通过以上分析不难看出,F载荷的取值与两个因素有关,一个是番茄果实的平均质量(自重),另一个就是接触弧形面与果实间的摩擦因数,具体关系则可以通过运用牛顿经典力学的相关原理进行求解。

机械手及其多指的结构尺寸与番茄的尺寸有关。现实中,考虑到番茄果实的大小会存在一定的波动,所以需要应用统计计算法来综合确定果实质量与其大小尺寸间的相关性。此外,为了实现对果实的抓持、松开以及果柄切断等功能,可以采用电机驱动丝杠旋转的方式来控制多指的开闭,然后再利于内置的电热丝来进行果柄的热切断。

4性能测试

以上对仿人多指番茄采摘机械手的总体、局部结构以及控制系统的设计问题进行了探讨,但最终设计成果是否满足实际使用要求还需要进行测试。因为番茄采摘不当就极易导致破损,所以测试的重点应放在采摘定位的准确度和果实在采摘中的破损率上。以果实破损率的测试为例,可以将根据上文方法计算得到的载荷力F施加到采摘机械手上,然后对采摘过程中的果实破损率进行统计。

5结束语

本文设计了一种利用单片机来控制的仿人多指采摘机械手,并利用PID反馈调节技术实现了对采摘过程的自动化控制,最后还对仿人多指采摘机械手的工作性能测试方法进行了探讨。通过利用仿人多指采摘机械手,可以实现采摘过程的自动化,这就极大的提升了采摘工作的效率。诚然,本文所述设计方案在实践应用环节中可能还存在不足,但笔者坚信,只要我们根据实际应用反馈不断进行设计调整和优化,那么必然会达到满意的采摘作业效率和精度要求。

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