畢業(yè)設(shè)計(jì)論文黃瓜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)

分類號(hào)密級(jí)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)黃瓜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)所在學(xué)院專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師2020年6月20日第一章緒論1.1選題背景及意義 果蔬種植和采摘是農(nóng)業(yè)勞動(dòng)生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的果蔬采摘往往使用手工采摘或使用簡單器械進(jìn)行采摘，勞動(dòng)較為繁重，同時(shí)大多數(shù)為無意義的重復(fù)性勞動(dòng)。與插秧和收割等類似，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)都使用反復(fù)的人工勞動(dòng)來進(jìn)行，其生產(chǎn)工作效率往往較低。因此，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作生活中，往往使用各種半自動(dòng)或全自動(dòng)的大型自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作，如全自動(dòng)插秧機(jī)和聯(lián)合收割機(jī)等各種設(shè)備。使用自動(dòng)化設(shè)備來代替人工的重復(fù)性勞動(dòng)可以極大的提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。將機(jī)械手應(yīng)用于果蔬生產(chǎn)工作，是將仿生學(xué)與自動(dòng)化技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物。由于果蔬在采摘時(shí)無法像傳統(tǒng)的水稻、小麥等按照切割的方式進(jìn)行收割，因此采用類似手工采摘的自動(dòng)機(jī)械手進(jìn)行采摘是一個(gè)非常好的方法。根據(jù)黃瓜采摘的流程和工作設(shè)計(jì)要求，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手，該機(jī)械手具有四路自由度，使用舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，動(dòng)作靈活，工作穩(wěn)定，效果良好。1.2現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展概述 應(yīng)用現(xiàn)代的工業(yè)技術(shù)和科學(xué)設(shè)備和管理方法所設(shè)計(jì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活的重點(diǎn)發(fā)展方向。農(nóng)業(yè)生活是人類生活的極為重要的組成部分，農(nóng)業(yè)發(fā)展的狀況在很多情況下可以直接影響和決定當(dāng)前人類的社會(huì)科學(xué)發(fā)展?fàn)顩r。 早期原始人類采用狩獵采集的方式來獲取實(shí)物。隨著群落成員數(shù)量的增長，基于大自然的饋贈(zèng)的不穩(wěn)定的食物來源使得群體成員經(jīng)常要面臨餓肚子的威脅。為了獲取穩(wěn)定和可靠的食物，同時(shí)由于偶然的播種和收獲的過程在不經(jīng)意間被發(fā)現(xiàn)，使得早期人類從傳統(tǒng)的狩獵采集的生活方式逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榱瞬シN收獲的定居式的生活方式。與狩獵采集相比，定居生活使得人們在解決了食物供給的最大的一個(gè)問題的同時(shí)，還使得人們可以存儲(chǔ)一些其他的物資，同時(shí)多余的食物供給還可以用于養(yǎng)活更多的人口，同時(shí)還可以用于養(yǎng)活一些非農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的專業(yè)性人才和管理性人才，從而誕生了貴族階層和手工藝者等不同的社會(huì)分工，使得人類社會(huì)結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的部落結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)楦呒?jí)、復(fù)雜的酋長部落乃至早期國家的形式。這就是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活影響人類社會(huì)進(jìn)步的一個(gè)重要標(biāo)志，由于地理或文化和其他因素導(dǎo)致在史前時(shí)期沒有誕生出農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的地區(qū)和群落，隨著歷史的發(fā)展都被埋沒到了歷史的塵埃中。 從此之后，歷史的發(fā)展已經(jīng)證明，農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平直接影響著國家的興亡，盡管采用放牧和狩獵方式進(jìn)行生活的國家在某些時(shí)候可以征服采用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的國家，但最終也會(huì)由于自身的落后性導(dǎo)致其被淘汰。隨著人類社會(huì)的進(jìn)一步發(fā)展，國家規(guī)模的進(jìn)一步擴(kuò)大和人口的進(jìn)一步增多，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求又進(jìn)一步提高，尤其是在近代國家中，由于人口密度的增高和農(nóng)業(yè)人口所占比例的下降，傳統(tǒng)的手工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作在很大程度上無法滿足日益增長的糧食需求，因此各種專用于糧食生產(chǎn)和收割的大型自動(dòng)化器械營運(yùn)而生。以其中應(yīng)用最為普遍且典型的聯(lián)合收割機(jī)為例，在18世紀(jì)開始，在英國就開始了關(guān)于自動(dòng)化收割機(jī)的研究，有很多人獲得了相關(guān)的專利并設(shè)計(jì)出了一些模型機(jī)，但由于其大都缺少基本的實(shí)用價(jià)值，因此未能得到市場的認(rèn)可。1831年，美國出現(xiàn)了第一臺(tái)使用馬匹作為動(dòng)力的自動(dòng)收割機(jī)，其收割效率要高于三十個(gè)工人的手工作業(yè)，因此得到了廣泛關(guān)注。最后，甚至出現(xiàn)了由四十匹馬拉動(dòng)的大型收割機(jī)。之后，美國又出現(xiàn)了由瓦特蒸汽機(jī)來驅(qū)動(dòng)的直走式聯(lián)合收割機(jī)，隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的成熟和普及，采用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的谷物收割機(jī)逐漸成為了主流。在19世紀(jì)后期，采用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的聯(lián)合收割機(jī)在美國逐漸流行開來，并得到了市場的認(rèn)可，并開始向澳大利亞等地進(jìn)行推廣。二十世紀(jì)初，聯(lián)合收割機(jī)又向蘇聯(lián)和加拿大等其他城市推廣開來，并逐漸流行于各個(gè)發(fā)達(dá)國家和較為富裕的發(fā)展中國家，成為了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活中必不可少的重要一部分。 我國盡管是農(nóng)業(yè)大國，但由于國情所限，因此我國的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展起步較晚，在早期通常從蘇聯(lián)或其他發(fā)達(dá)國家直接引進(jìn)聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行使用，或在其基礎(chǔ)上進(jìn)行仿制，由于工業(yè)基礎(chǔ)薄弱，同時(shí)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)本身并沒有太過成熟和系統(tǒng)化的了解，因此早期仿制出的聯(lián)合收割機(jī)產(chǎn)品往往具有體積過于龐大和過于笨重的缺點(diǎn)，不利于在國內(nèi)使用和推廣。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)水平的提高和工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國的糧食收割機(jī)產(chǎn)品在很大程度上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，其高端型號(hào)的性能往往還要優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。由于我國依舊是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)人口占全國人口的比例依舊非常高，因此聯(lián)合收割機(jī)在我國依舊具有廣泛的市場和推廣空間，在很多重要的糧食產(chǎn)地，如華北平原、三江平原等重要的水稻和小麥等糧食作物的大型產(chǎn)區(qū)，聯(lián)合收割機(jī)的使用已經(jīng)極為普遍。隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展進(jìn)程的進(jìn)一步加快，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)工作的自動(dòng)化水平將會(huì)進(jìn)一步提高，農(nóng)民的生產(chǎn)力也將會(huì)得到進(jìn)一步的解放。1.3機(jī)械手介紹與發(fā)展歷史 機(jī)械手技術(shù)是自動(dòng)化技術(shù)的典型代表之一，也是機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域的高端應(yīng)用之一，屬于機(jī)器人的研究領(lǐng)域。根據(jù)不同的使用范圍，可以分為只有固定動(dòng)作流程控制的專用機(jī)械手和可以使用編程或遙控方式進(jìn)行控制的通用機(jī)械手；按照運(yùn)動(dòng)形式，可以分為XYZ三軸運(yùn)動(dòng)方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運(yùn)動(dòng)的圓柱坐標(biāo)機(jī)械手和球坐標(biāo)機(jī)械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動(dòng)作更加靈活的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。關(guān)節(jié)式機(jī)械手是機(jī)械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進(jìn)行劃分，每一個(gè)自由度也就代表一個(gè)機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個(gè)自由度的多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。按照不同的驅(qū)動(dòng)方式，可以分為使用油壓機(jī)作為動(dòng)力的液壓機(jī)械手、利用空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力的氣壓機(jī)械手、使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的電力機(jī)械手，和采用各種機(jī)械式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力動(dòng)作的機(jī)械式機(jī)械手。本項(xiàng)目使用舵機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)生活工作中，在各類自動(dòng)化流水生產(chǎn)線中，機(jī)械手得到了極為廣泛的應(yīng)用。雖然現(xiàn)階段的機(jī)械手的靈活度還無法與真正的人手相比，但它具有人工無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，可以輕松的實(shí)現(xiàn)多種重復(fù)性的勞動(dòng)，不知疲倦，不怕危險(xiǎn)和腐蝕，同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)重物抓舉的效果。隨著工業(yè)4.0時(shí)代的到來，自動(dòng)化流水線建設(shè)的日益推廣，機(jī)械手的研制工作得到了絕大多數(shù)廠商的重視，并得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 機(jī)械手最早由美國的科學(xué)家研究出來。在1958年的聯(lián)合控制中心，世界上第一臺(tái)機(jī)械手從此誕生。該機(jī)械手帶有一個(gè)可以進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的機(jī)械長臂，在機(jī)械長臂的頂端裝有一個(gè)電磁鐵部件，可以用于鐵質(zhì)工件的抓取和放置動(dòng)作。1962年，在電磁鐵機(jī)械臂的基礎(chǔ)上，又改進(jìn)出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)械手，可以實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)動(dòng)作。1978年，斯坦福大學(xué)研制出了一種定位誤差小于1mm的工業(yè)用機(jī)械手，使用小型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。從此，機(jī)械手正式進(jìn)入了實(shí)用性階段。 目前，市面上所廣泛應(yīng)用的大部分為第一代和第二代機(jī)械手系統(tǒng)。第一代機(jī)械手主要使用人工進(jìn)行控制，第二代機(jī)械手在人工控制的基礎(chǔ)上集成了多種傳感器和自動(dòng)控制系統(tǒng)，使得機(jī)械手具有了一定的感覺和反饋控制效果。目前作為研發(fā)重點(diǎn)的第三代機(jī)械手能夠自主進(jìn)行各項(xiàng)復(fù)雜動(dòng)作和功能，在工業(yè)生產(chǎn)和生活中進(jìn)一步提高其工作效率。 我國的機(jī)械手起步較晚，在現(xiàn)代化工業(yè)工廠設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工作領(lǐng)域中，所使用的高精度機(jī)械手系統(tǒng)和設(shè)備大多使用國外進(jìn)口的高成本設(shè)備。隨著現(xiàn)代化建設(shè)的進(jìn)一步發(fā)展，自動(dòng)化流水線等新式生產(chǎn)流程必將取代傳統(tǒng)的低效率人工生產(chǎn)線，因此自動(dòng)機(jī)械手行業(yè)將會(huì)具有更加廣闊的市場，在市場的刺激下，國產(chǎn)的機(jī)械手產(chǎn)品和相關(guān)研究也會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展，并逐漸縮短與發(fā)達(dá)國家產(chǎn)品的差距，進(jìn)一步提高自主產(chǎn)品的核心競爭力。1.4本文的主要內(nèi)容 本文在總結(jié)和分析前人研究的基礎(chǔ)上，通過對(duì)各類農(nóng)業(yè)自動(dòng)化大型生產(chǎn)機(jī)械進(jìn)行分析和了解，并對(duì)果蔬采摘過程中的工作環(huán)節(jié)和注意事項(xiàng)進(jìn)行了研究探討，針對(duì)目前黃瓜種植行業(yè)中的采摘系統(tǒng)的缺陷和不足之處，設(shè)計(jì)出了一款基于AT89C51單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有一個(gè)四自由度的機(jī)械臂作為動(dòng)力組件，使用高精度的電子舵機(jī)為機(jī)械手臂部件提供驅(qū)動(dòng)力，精度高，到位迅速，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)力。同時(shí)，系統(tǒng)使用一個(gè)自彈式按鍵進(jìn)行控制，操作極為簡單。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的電源部分使用π型隔離濾波電路將舵機(jī)供電與單片機(jī)系統(tǒng)供電相隔離，避免舵機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電源干擾造成單片機(jī)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。與傳統(tǒng)或其他結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方案的果蔬采摘系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手具有動(dòng)作靈活、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、運(yùn)行可靠、使用壽命長、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。 各章節(jié)內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，本章主要介紹了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的定義和相關(guān)技術(shù)，和用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各類大型機(jī)械化設(shè)備，如聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展例程，以及自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)過程中的重要地位，并介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的原理說明、應(yīng)用場合和市場前景，同時(shí)闡明了本課題的研究意義與主要內(nèi)容。 第二章介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的各功能結(jié)構(gòu)的相關(guān)原理，包括舵機(jī)（伺服電機(jī)）的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)原理，和用于舵機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的基于單片機(jī)電子系統(tǒng)的脈寬調(diào)頻控制技術(shù)的相關(guān)原理說明。 第三章介紹了本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。包括機(jī)械手的自由度（即關(guān)節(jié)數(shù)、伺服電機(jī)數(shù)量）選擇、機(jī)械臂機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械爪機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和底盤機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的3D模型圖等。 第四章介紹了基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，包括基于AT89C51單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案與電路原理圖、四路舵機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路原理圖、直流電源電路接口、保護(hù)電路和電源指示燈電路原理圖、電源隔離抗干擾電路設(shè)計(jì)方案與原理圖和按鍵接口電路原理圖等。 第五章介紹了基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方案，包括黃瓜采摘機(jī)械手系統(tǒng)運(yùn)行流程設(shè)計(jì)、基于AT89C51單片機(jī)的四路PWM脈寬調(diào)制輸出驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)等。 第六章為總結(jié)章，總結(jié)了全文的工作，點(diǎn)明了本文創(chuàng)新點(diǎn)，同時(shí)指出本文研究的不足以及尚未解決的問題，對(duì)后續(xù)研究提出建議。

第二章黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)相關(guān)原理介紹2.1舵機(jī)原理與應(yīng)用 舵機(jī)（伺服電機(jī)）是在各類自動(dòng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中廣泛使用的一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，都離不開伺服電機(jī)的應(yīng)用。伺服電機(jī)，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個(gè)系統(tǒng)的輸出量，如位置、方向和其他狀態(tài)量都可以通過輸入量的變化（或定值）來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)其電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機(jī)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機(jī)的工作方式往往并不是普通電機(jī)那樣的持續(xù)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，而是可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)出不同的角度，并且可以精確的停下來。因此，如果項(xiàng)目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的想法來進(jìn)行動(dòng)作，舵機(jī)是一種非常合適的選擇，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時(shí)，舵機(jī)控制方便，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，而且種類繁多，便于各種不同類型和規(guī)模的項(xiàng)目應(yīng)用。2.1.1舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖2-1舵機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)拆解圖 舵機(jī)是一種采用伺服控制系統(tǒng)原理進(jìn)行工作的一種自動(dòng)控制設(shè)備，是一種糅合了多項(xiàng)不同的技術(shù)和結(jié)構(gòu)的電子機(jī)械系統(tǒng)，主要由直流電動(dòng)機(jī)、減速齒輪組、轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩控制系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)組成，是一種典型的自動(dòng)控制系統(tǒng)。所謂自動(dòng)控制系統(tǒng)，就是一種采用閉環(huán)控制回路結(jié)構(gòu)，通過傳感器和運(yùn)算結(jié)構(gòu)獲取當(dāng)前系統(tǒng)與設(shè)置參數(shù)的偏差，并進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，使其輸出能夠精確控制到系統(tǒng)的需要程度。在生活中極為常見的恒溫控制系統(tǒng)就是一種典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過溫度傳感器或熱敏電阻來獲取當(dāng)前恒溫控制環(huán)境的溫度，將其作為系統(tǒng)的反饋量，來控制系統(tǒng)中的加熱器的工作，若當(dāng)前環(huán)境溫度低于系統(tǒng)溫度，則驅(qū)動(dòng)加熱器工作開始加熱，當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后，停止加熱，這樣就可以通過閉環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)恒溫控制。對(duì)于舵機(jī)控制系統(tǒng)而言，舵機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩就相當(dāng)于恒溫控制系統(tǒng)的環(huán)境溫度，位置檢測傳感器相當(dāng)于恒溫控制系統(tǒng)的溫度傳感器，直流電機(jī)相當(dāng)于加熱器。隨著電機(jī)的動(dòng)作，其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩就會(huì)發(fā)生變化，位置檢測傳感器的電阻值就會(huì)發(fā)生變化，控制電路讀取到電阻值的變化情況后，就可以根據(jù)其電阻值的大小來確定當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩，若當(dāng)前的轉(zhuǎn)矩與系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩不同，則驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)其輸出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，使電機(jī)的輸出角度達(dá)到所需的要求，這樣就實(shí)現(xiàn)了精確的輸出角度控制功能。2.1.2常見舵機(jī)種類 根據(jù)使用的場合和項(xiàng)目的實(shí)際需要，對(duì)舵機(jī)的體積和轉(zhuǎn)矩、扭力往往都有不同的要求。舵機(jī)的形狀結(jié)構(gòu)和大小多到讓人眼花繚亂，但常用的型號(hào)如下圖所示：圖2-1大扭力舵機(jī)/微型舵機(jī)/標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī) 如圖所示，舵機(jī)基本都使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。圖中最右邊為標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機(jī)械結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合中使用的大扭力電機(jī)，可以提供較高的推動(dòng)力。中間的是常用于航模等小體積小重量的微型舵機(jī)，體積較小，扭力相對(duì)較小，但可以滿足航模等對(duì)體積和重量要求較高的應(yīng)用場合。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)工作。 除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)主要由舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)決定。通常情況下，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力往往和電機(jī)的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機(jī)，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力量的大小。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，在5V供電下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力輸出為5.5kg/cm，相當(dāng)于每移動(dòng)一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個(gè)角度變到另一個(gè)角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當(dāng)于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時(shí)，對(duì)于采用同樣電機(jī)的同規(guī)格舵機(jī)來講，若使用不同規(guī)格的變速齒輪組，則又會(huì)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。通常情況下，在電機(jī)參數(shù)相同的情況下，變速齒輪組的輸出轉(zhuǎn)速越低，其扭力也就越大。在實(shí)際項(xiàng)目中，可以根據(jù)實(shí)際的需要來選擇合適規(guī)格和參數(shù)的舵機(jī)。2.1.3舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理 伺服電機(jī)系統(tǒng)通常使用周期脈沖實(shí)現(xiàn)控制。在伺服系統(tǒng)工作時(shí)，每收到一個(gè)脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖信號(hào)的寬度，系統(tǒng)就可以知道所需的偏轉(zhuǎn)角度。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率為50HZ，即每秒需要向舵機(jī)的控制系統(tǒng)發(fā)送50個(gè)電平控制信號(hào)，也就相當(dāng)于每個(gè)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為20毫秒。在20毫秒中，以一個(gè)1毫秒到2毫秒的高電平信號(hào)作為角度控制信號(hào)，也就是1000微秒到2000微秒。在高電平信號(hào)持續(xù)1000微秒時(shí)，舵機(jī)左滿舵。在高電平信號(hào)持續(xù)2000微秒時(shí)，舵機(jī)右滿舵。高電平信號(hào)介于1000微秒到2000微秒之間時(shí)，根據(jù)時(shí)間的比例就是對(duì)應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角度。2.2脈寬調(diào)制原理與應(yīng)用在電子系統(tǒng)中，由數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)在各種電路中起到信號(hào)傳遞的作用。數(shù)字信號(hào)只具有高和低兩種狀態(tài)信息，而無法反應(yīng)程度等信號(hào)。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常要遇到需要使用數(shù)字信號(hào)來控制模擬器件的輸出情況（如燈光的亮度和電機(jī)的轉(zhuǎn)速等），因此就需要以一些特殊的方法來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換，或直接使用經(jīng)過一定方式處理的數(shù)字信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬器件的控制效果。脈寬調(diào)制就是在這種情況下誕生出來的一種使用數(shù)字電路系統(tǒng)直接對(duì)模擬電路和器件直接進(jìn)行控制的技術(shù)，與數(shù)模轉(zhuǎn)換等其他控制方案相比，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、靈活性好、反應(yīng)速度快、成本低等多種優(yōu)點(diǎn)，在各類場合，如通信控制系統(tǒng)、功率控制系統(tǒng)和工業(yè)控制系統(tǒng)中都得到了極為廣泛的應(yīng)用。2.2.1脈寬調(diào)制原理 脈寬調(diào)制，即脈沖寬度調(diào)制，即通過微控制器內(nèi)部的恒定的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)開關(guān)電路，對(duì)其通斷狀態(tài)進(jìn)行控制，使輸出產(chǎn)生一系列周期穩(wěn)定、大小相同的脈沖信號(hào)，用來替代所需的模擬信號(hào)。以使用脈寬調(diào)節(jié)技術(shù)來替代正弦波信號(hào)為例，即使用一系列的脈沖電壓信號(hào)來替代所需的信號(hào)，通過微控制器的計(jì)算和控制來使其輸出信號(hào)的等效電壓和所需的正弦波信號(hào)的等效電壓相同，同時(shí)通過系統(tǒng)的控制來使其輸出的脈沖信號(hào)盡量平滑，并且其低次諧波較少，可以實(shí)現(xiàn)較為良好的控制效果。根據(jù)項(xiàng)目對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的實(shí)際需要，系統(tǒng)也可以通過對(duì)輸出信號(hào)的脈沖寬度進(jìn)行一定有規(guī)律的調(diào)整，進(jìn)而可以配合輸出信號(hào)的頻率來實(shí)現(xiàn)輸出等效電壓的控制，來實(shí)現(xiàn)對(duì)各種模擬電路的控制效果。2.2.2脈沖寬度調(diào)制技術(shù)發(fā)展歷史 脈寬調(diào)制技術(shù)由于具有電路結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作靈活、調(diào)節(jié)滯后極小和動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)成為了在數(shù)電-模電控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為廣泛的控制方案。通常情況下，只需要使用MOS管驅(qū)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)控制功能，核心控制時(shí)序和算法都使用超大規(guī)模集成電路來進(jìn)行軟件實(shí)現(xiàn)，與模數(shù)轉(zhuǎn)換器等傳統(tǒng)和其他類型的控制方式相比，電路結(jié)構(gòu)簡單，基本無滯后，同時(shí)精度和成本控制都更為優(yōu)越。 脈寬調(diào)制技術(shù)的基本原理在很早的時(shí)候就被科學(xué)家提出，但受當(dāng)時(shí)的電子技術(shù)和自動(dòng)控制原理的發(fā)展水平的限制。在上世紀(jì)八十年代之前一直未能應(yīng)用于實(shí)用領(lǐng)域。八十年代后，隨著微電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論，以及電子元器件的生產(chǎn)工藝和相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，脈寬調(diào)制技術(shù)才正式登上了歷史舞臺(tái)。之后，隨著電力電子控制技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和微電子工藝技術(shù)的經(jīng)一部進(jìn)步，和現(xiàn)代控制理論、模糊控制理論等控制思想的應(yīng)用，脈寬調(diào)制控制技術(shù)獲得了進(jìn)一步的發(fā)展，誕生出了很多種不同原理的脈寬調(diào)制控制方案。隨著自動(dòng)控制技術(shù)和相關(guān)理論的進(jìn)一步完善，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)將會(huì)在更多的場合得到更加廣泛的應(yīng)用。2.3.3常用脈寬調(diào)制技術(shù)種類（1）等脈寬PWM控制技術(shù)等脈寬PWM控制技術(shù)是通過使用PAM技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功能的，由于傳統(tǒng)的PAM技術(shù)只能輸出頻率可調(diào)的矩形波信號(hào)，但無法直接實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制效果，因此通過等脈寬PWM技術(shù)就可以在輸出頻率可調(diào)的同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)效果良好的脈寬調(diào)制效果，是各類PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)中最為簡單也最為常用的一種。其電路結(jié)構(gòu)相對(duì)較為簡單，工作穩(wěn)定，轉(zhuǎn)換效率高，但具有諧波分量較多、輸出精度低等缺點(diǎn)，使其難以在高精度控制的使用場合下得到使用。（2）隨機(jī)PWM控制技術(shù) 隨機(jī)PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)是隨著半導(dǎo)體工藝和技術(shù)的進(jìn)步而誕生的一種PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)。在早期的大功率控制場合中，用于驅(qū)動(dòng)大功率負(fù)載所使用的器件通常是達(dá)林頓管，其開關(guān)頻率較低，在很多使用場合下無法滿足使用要求，同時(shí)由于載波頻率較低而引起的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中的電磁噪聲和諧波震蕩也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生一定影響，并逐漸引起了工程技術(shù)人員的注意。隨機(jī)PWM控制技術(shù)就是為了解決這一問題而誕生出的一種PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，其原理是產(chǎn)生的PWM信號(hào)的頻率隨機(jī)變化而脈沖寬度保持不變，這樣就使得其在電機(jī)控制系統(tǒng)中所產(chǎn)生的諧波噪聲近似于高斯白噪聲，即噪聲波形均勻分布于整個(gè)頻段范圍中，以固定開關(guān)頻率為特征的諧波噪聲被大大削弱，與其他方案相比，隨機(jī)PWM控制技術(shù)的效果在降低電路諧波噪聲方面有著極為優(yōu)越的效果，因此在高速大功率晶體管已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用的今天，隨機(jī)PWM控制技術(shù)仍然是消除低頻載波信號(hào)的諧波噪聲的主要方法。（3）SPWM控制技術(shù) SPWM是隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和需要所誕生的一種PWM控制技術(shù)。在需要使用PWM信號(hào)來模擬正弦波信號(hào)，來控制電力電子系統(tǒng)中的各種模擬器件時(shí)，傳統(tǒng)的等脈寬PWM信號(hào)無法滿足其脈寬快速調(diào)節(jié)的要求，因此需要一種新的技術(shù)，使其產(chǎn)生的脈寬信號(hào)在等效性上完全等同于所需的正弦波信號(hào)。SPWM信號(hào)控制技術(shù)就是這一領(lǐng)域的代表，其可以產(chǎn)生效果非常好的脈寬實(shí)時(shí)變化的PWM信號(hào)，其脈沖寬度信號(hào)面積基本與所需的正弦波信號(hào)的對(duì)應(yīng)面積基本相同，這樣就可以在電力電子中各種對(duì)正弦波信號(hào)起作用的設(shè)備得到正確的使能。（4）低次諧波消去PWM控制技術(shù)低次諧波消去法是以消去PWM波形中某些首要的低次諧波為意圖的辦法。其原理是對(duì)輸出電壓波形按傅氏級(jí)數(shù)打開，表明為u（ωt)=ansinnωt，首要斷定基波重量a1的值，再令兩個(gè)不一樣的an=0，就能夠樹立三個(gè)方程，聯(lián)立求解得a1、a2及a3，這么就能夠消去兩個(gè)頻率的諧波。該辦法盡管能夠極好地消除所指定的低次諧波，但是，剩下未消去的較低次諧波的幅值可能會(huì)相當(dāng)大，而且相同存在核算復(fù)雜的缺陷。該辦法相同只適用于同步調(diào)制方式中。（5）矢量控制PWM控制技術(shù)矢量控制PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)是隨著無刷電機(jī)的誕生而普及而產(chǎn)生的一種PWM控制技術(shù)。通過對(duì)異步無刷電機(jī)的三相坐標(biāo)系的電流坐標(biāo)化，將其等效成兩相驅(qū)動(dòng)信號(hào)，再通過勵(lì)磁轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將其轉(zhuǎn)換為磁場切換方向，來使其實(shí)現(xiàn)基本類似于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)效果，這樣就可以實(shí)現(xiàn)極為精確的三相無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制功能。隨著無刷電機(jī)的優(yōu)越性逐漸被人們所接受，以及無刷電機(jī)在各個(gè)場合中越來越廣泛的應(yīng)用，矢量控制PWM技術(shù)也被視為當(dāng)前最有價(jià)值和發(fā)展前景的PWM信號(hào)產(chǎn)生技術(shù)，并將會(huì)得到更進(jìn)一步的發(fā)展。（6）非線性PWM控制技術(shù)單周操控法又稱積分復(fù)位操控，是一種新式非線性操控技能，其基本思想是操控開關(guān)占空比，在每個(gè)周期使開關(guān)變量的平均值與操控參閱電壓持平或成必定份額。該技能同時(shí)具有調(diào)制和操控的雙重性，通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、對(duì)比器到達(dá)盯梢指令信號(hào)的意圖。單周操控器由操控器、對(duì)比器、積分器及時(shí)鐘構(gòu)成，其間操控器可以是RS觸發(fā)器，開關(guān)是任何物理開關(guān)，也但是其它可轉(zhuǎn)化為開關(guān)變量方式的籠統(tǒng)信號(hào)。單周操控在操控電路中不需要差錯(cuò)歸納，它能在一個(gè)周期內(nèi)主動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)差錯(cuò)，使前一周期的差錯(cuò)不會(huì)帶到下一周期。盡管硬件電路較雜亂，但其克服了傳統(tǒng)的PWM操控辦法的不足，適用于各種脈寬調(diào)制軟開關(guān)逆變器，具有反響快、開關(guān)頻率穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)等長處。此外，單周操控還能優(yōu)化體系呼應(yīng)、減小畸變和抑制電源攪擾。 此外，還有線電壓PWM控制技術(shù)、空間電壓矢量PWM控制技術(shù)、直接轉(zhuǎn)矩PWM控制技術(shù)和軟諧振開關(guān)技術(shù)等。在不同的應(yīng)用場合，通過選擇合適的控制技術(shù)，可以在實(shí)現(xiàn)最好的控制效果的同時(shí)，也可以有效的降低系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。如應(yīng)用于感應(yīng)加熱和震蕩升壓中的PWM開關(guān)就往往選用低成本的軟諧振開關(guān)電路，在保證其工作效果的同時(shí)，也可以極大的提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

第三章黃瓜采摘機(jī)械手機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1黃瓜采摘機(jī)械手總體參數(shù)設(shè)計(jì)本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的機(jī)械手需要用于果蔬采摘作業(yè)中，與工業(yè)生產(chǎn)的流水線應(yīng)用相比，應(yīng)用于果蔬采摘作業(yè)中的機(jī)械手對(duì)于體積、質(zhì)量、靈活度、精度和運(yùn)行速度等方面都有較高的要求，尤其為了應(yīng)對(duì)果蔬采摘時(shí)的復(fù)雜情況，因此對(duì)靈活度方面有較高的要求。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有四個(gè)關(guān)節(jié)的四自由度機(jī)械手臂，與普通的機(jī)械手臂相比，該黃瓜采摘機(jī)械手具有靈活度高、體積小、質(zhì)量輕、操作簡單、結(jié)構(gòu)穩(wěn)固等優(yōu)點(diǎn)。按照機(jī)械手的工作特點(diǎn)和應(yīng)用場合，可以分為只有固定動(dòng)作流程控制的專用機(jī)械手和可以使用編程或遙控方式進(jìn)行控制的通用機(jī)械手；按照運(yùn)動(dòng)形式，可以分為XYZ三軸運(yùn)動(dòng)方向的直角坐標(biāo)系機(jī)械手和進(jìn)行圓周或球形運(yùn)動(dòng)的圓柱坐標(biāo)機(jī)械手和球坐標(biāo)機(jī)械手，以及具有關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的，動(dòng)作更加靈活的關(guān)節(jié)式機(jī)械手。關(guān)節(jié)式機(jī)械手是機(jī)械手的主要發(fā)展方向，其往往使用自由度的多少來進(jìn)行劃分，每一個(gè)自由度也就代表一個(gè)機(jī)械手臂的關(guān)節(jié)。如本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手就是一款具有四個(gè)自由度的多關(guān)節(jié)式機(jī)械手。按照不同的驅(qū)動(dòng)方式，可以分為使用油壓機(jī)作為動(dòng)力的液壓機(jī)械手、利用空氣壓縮機(jī)提供動(dòng)力的氣壓機(jī)械手、使用電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力的電力機(jī)械手，和采用各種機(jī)械式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力動(dòng)作的機(jī)械式機(jī)械手。本項(xiàng)目使用舵機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)，是一種典型的采用伺服系統(tǒng)控制的電力驅(qū)動(dòng)機(jī)械手。根據(jù)果蔬采摘項(xiàng)目的實(shí)際需要，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的各項(xiàng)參數(shù)如下所示： 工作電壓： 5V 類型：多關(guān)節(jié)型 關(guān)節(jié)數(shù)：4 動(dòng)作范圍：0-500mm 俯仰范圍：0-300mm 最小扭力：10kg 動(dòng)力機(jī)構(gòu)：舵機(jī)驅(qū)動(dòng) 滿舵范圍：0°-180° 動(dòng)作速度：150°/s3.2黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的四自由度機(jī)械手帶有四個(gè)可控制活動(dòng)關(guān)節(jié)，每個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)由一個(gè)舵機(jī)進(jìn)行角度變化控制。機(jī)械臂的硬件部分主要由底座、大臂、小臂和爪四個(gè)部分構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、抓取和放置的各項(xiàng)動(dòng)作。具體的結(jié)構(gòu)圖如下所示：圖3-1黃瓜采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)圖 如圖所示。底座是機(jī)械手的基座，可以用于放置機(jī)械臂的控制器和電池、電源等附加設(shè)備，同時(shí)往往帶有配重或其他固定結(jié)構(gòu)，以使機(jī)械手工作和抓取重物時(shí)不會(huì)由于固定不牢導(dǎo)致出現(xiàn)晃動(dòng)和翻倒等故障，導(dǎo)致機(jī)械手臂損壞或造成其他危險(xiǎn)情況。肩關(guān)節(jié)是機(jī)械手底座和機(jī)械手的大臂相連的關(guān)節(jié)，用于控制機(jī)械手總體的與水平面的平行的旋轉(zhuǎn)方向，即調(diào)節(jié)機(jī)械手系統(tǒng)的偏航角。臂關(guān)節(jié)是與肩關(guān)節(jié)直接相連的第二個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，關(guān)節(jié)的另一端與大臂直接相連，用于調(diào)整大臂的抬升角。肘關(guān)節(jié)是第三個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，位于機(jī)械臂大臂和小臂的連接點(diǎn)，與臂關(guān)節(jié)相互配合可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的俯仰角度調(diào)節(jié)，可以明顯的提高機(jī)械臂系統(tǒng)的活動(dòng)范圍和靈活程度。腕關(guān)節(jié)（指關(guān)節(jié)）是用來控制機(jī)械手的手部開合的最后一個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)，位于小臂和機(jī)械爪的連接位置，也是機(jī)械手手部的兩個(gè)活動(dòng)部分的連接位置，在進(jìn)行抓取和放置時(shí)，就需要通過腕關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)作效果。腕關(guān)節(jié)的扭力直接決定機(jī)械手抓取動(dòng)作的牢固程度，而肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的舵機(jī)扭力決定機(jī)械手對(duì)重物的拾取能力。同時(shí)，大型舵機(jī)盡管可以提供較大的扭力，但往往其精度和驅(qū)動(dòng)速度要差于小型舵機(jī)。因此，對(duì)精度和驅(qū)動(dòng)力要求較高的適用場合，可以在不同的關(guān)節(jié)部位放置不同型號(hào)和參數(shù)的舵機(jī)，以滿足項(xiàng)目的實(shí)際要求。3.3黃瓜采摘機(jī)械手主要構(gòu)件尺寸設(shè)計(jì)3.3.1黃瓜采摘機(jī)械手大臂尺寸設(shè)計(jì) 大臂是位于機(jī)械手的第二活動(dòng)關(guān)節(jié)和第三活動(dòng)關(guān)節(jié)之間，用于調(diào)整機(jī)械手臂的抬升高度和伸展距離。根據(jù)設(shè)計(jì)需要，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的大臂使用常用的水滴形結(jié)構(gòu)，與方形、圓柱形等設(shè)計(jì)方案相比，水滴形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效的減少系統(tǒng)的重量，并且具有更好的外觀。根據(jù)項(xiàng)目的需要，黃瓜采摘機(jī)械手的大臂長230mm。各個(gè)部分的詳細(xì)尺寸如下圖所示：圖3-2黃瓜采摘機(jī)械手大臂機(jī)械尺寸圖 如圖所示，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的大臂的兩軸間距離230mm，整體采用前窄后寬的水滴形結(jié)構(gòu)。大臂的后端的軸直徑為10mm，在軸孔的四周直徑70mm范圍與軸間線相互垂直和同方向放置四個(gè)直徑為6mm的定位通孔，用于組裝大臂時(shí)的定位和加固組合工作。大臂前端的結(jié)構(gòu)與后端類似，由于本項(xiàng)目中各個(gè)關(guān)節(jié)部位所使用的舵機(jī)型號(hào)和參數(shù)均相同，因此大臂前端的軸孔直徑仍為10mm，同時(shí)由于前端的寬度要窄于后端，因此其定位孔的圓周直徑縮小為39mm。3.3.2黃瓜采摘機(jī)械手小臂尺寸設(shè)計(jì) 小臂是位于機(jī)械手的第三活動(dòng)關(guān)節(jié)和第四活動(dòng)關(guān)節(jié)之間的支撐結(jié)構(gòu)，后端與機(jī)械手的大臂相連，前端與機(jī)械臂的手部結(jié)構(gòu)相連。小臂結(jié)構(gòu)用于提高機(jī)械手的活動(dòng)范圍，使機(jī)械手具有更高的靈活度，可以更加適用于果蔬采摘的復(fù)雜環(huán)境中。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，小臂的長度設(shè)計(jì)為240mm，詳細(xì)尺寸圖如下所示：圖3-3黃瓜采摘機(jī)械手小臂機(jī)械尺寸圖 黃瓜采摘機(jī)械手小臂詳細(xì)機(jī)械尺寸如上圖所示。小臂的長度為240mm，其中有效動(dòng)作長度為180mm。在小臂的前端和后端各設(shè)置四個(gè)呈正方形部署的孔徑為4mm的定位孔，用于小臂的固定工作。小臂只需要一個(gè)轉(zhuǎn)軸部分，即與大臂相連的后端，放置一個(gè)孔徑為10mm的軸孔用于與大臂相連，在軸孔的四周以56mm直徑按照正方形方向部署四個(gè)直徑為6mm的定位孔。3.3.3黃瓜采摘機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)也被稱為末端執(zhí)行器，其和機(jī)械手的功能直接相關(guān)，可以執(zhí)行抓取、吸附或使用各類不同的工具（如烙鐵、噴頭等）進(jìn)行操作的部件，通常部署于機(jī)械手的最前端。根據(jù)需要抓取的物體的形狀和質(zhì)地，以及需要實(shí)現(xiàn)的功能，通常要設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)和功能的機(jī)械手結(jié)構(gòu)，如夾鉗式機(jī)械手、吸附式取料手、仿生式多指機(jī)械手，和噴頭、板具等特種和專用的結(jié)構(gòu)。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的手部用于采摘黃瓜，因此需要實(shí)現(xiàn)抓取和剪切黃瓜等機(jī)械動(dòng)作，并不需要較為復(fù)雜的多指動(dòng)作。同時(shí)，由于黃瓜凹凸不平的表面，也不適用于吸附等操作方式。因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的機(jī)械手手部結(jié)構(gòu)為能夠從不同角度和方向進(jìn)行摘取動(dòng)作的鉗形結(jié)構(gòu)。手指結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)圖如下所示：圖3-4黃瓜采摘機(jī)械手手指結(jié)構(gòu)簡圖 手指是直接與需要抓取的物體（本項(xiàng)目為黃瓜）相互接觸的部件。通過手指的松開和夾緊的工作，就可以實(shí)現(xiàn)物體的抓取和放置的動(dòng)作。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手使用兩個(gè)手指結(jié)構(gòu)組成鉗形結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)黃瓜采摘的功能。雙指結(jié)構(gòu)的機(jī)械手通常具有回轉(zhuǎn)性和平移型兩種結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際需要，本項(xiàng)目使用回轉(zhuǎn)性結(jié)構(gòu)來進(jìn)行動(dòng)作。如圖所示，機(jī)械手的手指后端為方形，與動(dòng)力機(jī)構(gòu)相連。手指前端用于采摘黃瓜，由于黃瓜通常為圓柱形，因此在手指前端使用半月形凹槽結(jié)構(gòu)。在實(shí)際使用時(shí)，為了避免在采摘過程中對(duì)黃瓜造成損傷，因此在半月形凹槽中需要墊付海綿等緩沖結(jié)構(gòu)。圖中只繪制了一個(gè)手指，手部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)手指組成，另一個(gè)手指與其呈鏡像對(duì)稱。3.4黃瓜采摘機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)方程設(shè)計(jì) 本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手具有四個(gè)自由度，共四個(gè)舵機(jī)分別控制大臂、小臂和機(jī)械爪的動(dòng)作。其中，第一個(gè)和第二個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)控制大臂的兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向，第三個(gè)自由度控制小臂的俯仰方向，第四個(gè)活動(dòng)關(guān)節(jié)用于控制機(jī)械手手部的開合運(yùn)動(dòng)。由于機(jī)械手具有四個(gè)自由度，因此若想要使末端機(jī)構(gòu)能夠正確的實(shí)現(xiàn)較為精確的坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)較為精確的末端控制效果，就需要對(duì)整個(gè)機(jī)械手機(jī)構(gòu)進(jìn)行空間坐標(biāo)解析和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程設(shè)計(jì)。運(yùn)動(dòng)學(xué)方程設(shè)計(jì)是機(jī)械手自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，利用空間矢量矩陣解析等算法，即可表達(dá)出機(jī)械手在三維空間中運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)方程。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的空間坐標(biāo)系如下圖所示：圖3-5黃瓜采摘機(jī)械手空間坐標(biāo)系示意圖 根據(jù)坐標(biāo)系，建立相鄰桿件的位姿矩陣如下所示：M01=cosM12=cosM23=cos 可以看出，每個(gè)相鄰坐標(biāo)系的空間矩陣都可以用坐標(biāo)變化的方式進(jìn)行描述。將以上三式相乘，就可以達(dá)到機(jī)械手的總變換矩陣，也就是機(jī)械手的正運(yùn)動(dòng)學(xué)方程式。求得的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下式所示：M03=cos 得出了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程后，就可以通過編寫相關(guān)的控制程序，來實(shí)現(xiàn)精確的機(jī)械手坐標(biāo)控制。

第四章黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。4.1元件選型4.1.1單片機(jī)選型 由于本項(xiàng)目是一種以電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為核心的，應(yīng)用于大型施工器械設(shè)備的單片機(jī)系統(tǒng)，因此其對(duì)單片機(jī)的穩(wěn)定性和電路可靠性都有一些說道。但同時(shí)也要考慮成本和開發(fā)難度等因素。因此，選擇合適的單片機(jī)就是十分重要的工作。 科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展也為單片機(jī)帶來了很大的市場，其中比較著名的國際廠商就有Atmel、TI、ST、MicroChip等等耳熟能詳?shù)钠放?。為了滿足項(xiàng)目的需求，就要針對(duì)這些單片機(jī)的特點(diǎn)進(jìn)行橫向比較。 51系列單片機(jī)是一種使用范圍非常廣泛的單片機(jī)，但其缺點(diǎn)也是極其明顯的，作為單片機(jī)中的“老爺機(jī)”，其外設(shè)資源極其有限，常用的AD、EEPROM等功能均需要外接外設(shè)進(jìn)行擴(kuò)展，增加了軟硬件負(fù)擔(dān)。同時(shí)，IO口驅(qū)動(dòng)能力很差，這也是51系列單片機(jī)最大的軟肋，這一點(diǎn)直接限制了其在工業(yè)控制和軍工等領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)由于其老舊的硬件架構(gòu)導(dǎo)致其運(yùn)行速度過慢，代碼效率極低。同時(shí)，51單片機(jī)的硬件保護(hù)能力非常差，穩(wěn)定性和可靠性都不高，很容易燒毀芯片。但是低廉的成本和豐富的開發(fā)資料，使得51單片機(jī)仍然是國內(nèi)占市場比例最高的低級(jí)單片機(jī)。 MSP430系列單片機(jī)是德州儀器自1996年推出的一系列主打低功耗市場的16位混合信號(hào)處理器。得益于RISC指令集的強(qiáng)大處理能力，保證了其可以設(shè)計(jì)出高效率的源代碼。同時(shí)，其豐富的喚醒和中斷機(jī)制和完善的時(shí)鐘和電源管理系統(tǒng)使其具有同類產(chǎn)品所無法比擬的超低功耗，甚至可達(dá)0.1uA。不過其缺點(diǎn)也不能忽視，首先就是開發(fā)資料較少，不適合初學(xué)者入門，同時(shí)其過于精密的功耗控制體系也成為了一大開發(fā)難度。此外，由于它是一款16位單片機(jī)，因此其代碼占用空間相對(duì)較高。因此，MSP430往往在對(duì)功耗有極為苛刻的要求的使用場景下得到很廣泛的應(yīng)用，例如可穿戴設(shè)備等。 PIC系列單片機(jī)是美國微芯半導(dǎo)體主打的微控制器產(chǎn)品。由于內(nèi)置CMOS互補(bǔ)推挽輸出的IO口具有很強(qiáng)的外設(shè)驅(qū)動(dòng)能力，是很多工業(yè)控制類項(xiàng)目的首選。同時(shí)，極強(qiáng)的抗干擾性也是PIC系列單片機(jī)的一大優(yōu)點(diǎn)，得益于其簡潔高效的硬件結(jié)構(gòu)，PIC單片機(jī)的可靠性和穩(wěn)定性均非常出色。但同樣由于其硬件結(jié)構(gòu)過于簡化，導(dǎo)致其沒有乘法指令等很多常用指令，這為開發(fā)工作帶來了一定的難度。圖4-1AT89C51單片機(jī)外觀圖綜合需求考慮，本項(xiàng)目選ATC89C51單片機(jī)作為項(xiàng)目主控。4.1.2舵機(jī)選型 舵機(jī)是本項(xiàng)目的重要?jiǎng)恿Σ糠?，舵機(jī)的工作穩(wěn)定性、輸出扭力和轉(zhuǎn)速都直接決定著機(jī)械手的工作效果。因此，選擇合適的舵機(jī)就是一項(xiàng)重要的工作。 目前常用的舵機(jī)基本都使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。圖中最右邊為標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)，最左邊的體積最為魁梧的為各種較大型機(jī)械結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場合中使用的大扭力電機(jī)，可以提供較高的推動(dòng)力。中間的是常用于航模等小體積小重量的微型舵機(jī)，體積較小，扭力相對(duì)較小，但可以滿足航模等對(duì)體積和重量要求較高的應(yīng)用場合。根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要，可以選擇不同的舵機(jī)來進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)工作。 除了體積和重量，扭力和轉(zhuǎn)速也是舵機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)主要由舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)決定。通常情況下，直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力往往和電機(jī)的體積和功耗成正比，因此通常體積越大的舵機(jī)，其扭力也越大。扭力，通俗的講就是舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)力量的大小。以標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)為例，在5V供電下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的扭力輸出為5.5kg/cm，相當(dāng)于每移動(dòng)一厘米需要5.5kg的力量。轉(zhuǎn)速就是指從一個(gè)角度變到另一個(gè)角度的速度大小，轉(zhuǎn)速越大，角度變換速度越快。在5V電壓下，標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)速為300°/s，相當(dāng)于每秒可以旋轉(zhuǎn)三百度。同時(shí)，對(duì)于采用同樣電機(jī)的同規(guī)格舵機(jī)來講，若使用不同規(guī)格的變速齒輪組，則又會(huì)產(chǎn)生不同的轉(zhuǎn)速。通常情況下，在電機(jī)參數(shù)相同的情況下，變速齒輪組的輸出轉(zhuǎn)速越低，其扭力也就越大。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際需要，選用MG996R舵機(jī)作為機(jī)械手的動(dòng)力輸出和姿態(tài)控制模塊。該舵機(jī)是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)，內(nèi)置金屬減速齒輪組，還帶有防死區(qū)和防堵轉(zhuǎn)等功能，扭力大，運(yùn)行穩(wěn)定。圖4-2MG996R標(biāo)準(zhǔn)舵機(jī)外觀圖 MG996R是一種常用的40.8*20*38mm，重量55克的標(biāo)準(zhǔn)尺寸舵機(jī)。在5V供電下，其轉(zhuǎn)速為300°每秒，扭力可達(dá)14kg/cm，功耗1W，適用于各種單片機(jī)控制的自動(dòng)化系統(tǒng)，角度誤差小，控制靈敏度高。4.2硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)圖4-3黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖 如圖所示，本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的黃瓜采摘機(jī)械手的控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)相對(duì)較為簡單，只有一個(gè)按鍵作為系統(tǒng)的輸入設(shè)備，四路舵機(jī)作為系統(tǒng)的輸出控制設(shè)備。按鍵電路通過高低電平信號(hào)為系統(tǒng)主控提供控制信號(hào)。在檢測到來自按鍵的控制信號(hào)后，主控通過驅(qū)動(dòng)四路PWM信號(hào)來驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂四個(gè)位置的控制舵機(jī)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，功能穩(wěn)定可靠，操作簡單，具有較高的實(shí)際意義。4.3硬件電路設(shè)計(jì)4.3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和下載接口四個(gè)部分組成。本項(xiàng)目所選用的AT89C51的供電電壓為5V，因此直接將來自電源的5V電壓接入到單片機(jī)的電源引腳即可（原理圖中電源引腳和地引腳省略）。復(fù)位電路是保持單片機(jī)正常工作的一個(gè)重要部分。本項(xiàng)目所使用的AT89C51單片機(jī)為高電平復(fù)位，低電平正常工作，因此在單片機(jī)正常工作時(shí)，復(fù)位引腳需要接一個(gè)10k歐姆的下拉電阻接地，以保證單片機(jī)正常工作，避免干擾影響。同時(shí)，為保證系統(tǒng)在開機(jī)時(shí)能夠正常工作，因此增加了一個(gè)接到電源的電容提供上電復(fù)位功能。其原理是，在電源剛剛導(dǎo)通時(shí)，電容充電，為復(fù)位引腳提供一個(gè)可以保持一小段時(shí)間的高電平，使系統(tǒng)復(fù)位。然后，電容緩慢放電，復(fù)位引腳恢復(fù)到低電平，系統(tǒng)開始正常工作。同時(shí)，為提供手動(dòng)復(fù)位功能，在復(fù)位引腳上添加了一個(gè)微動(dòng)按鍵，按下按鍵時(shí)，將高電平接入到復(fù)位引腳時(shí)系統(tǒng)復(fù)位，松開按鍵后復(fù)位引腳由下拉電阻拉低回低電平，系統(tǒng)恢復(fù)正常工作。 時(shí)鐘電路也是單片機(jī)最小系統(tǒng)的重要組成部分。為提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度并保證精度，本項(xiàng)目使用了12M晶振作為系統(tǒng)的外部晶體振蕩器。 綜上所述，單片機(jī)最小系統(tǒng)的原理圖如下所示：圖4-4單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖4.3.2四路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 舵機(jī)（伺服電機(jī)）是在各類自動(dòng)化設(shè)計(jì)應(yīng)用中廣泛使用的一種動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，都離不開伺服電機(jī)的應(yīng)用。伺服電機(jī)，即通過伺服系統(tǒng)來控制的直流或交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)，指一個(gè)系統(tǒng)的輸出量，如位置、方向和其他狀態(tài)量都可以通過輸入量的變化（或定值）來實(shí)現(xiàn)閉環(huán)反饋控制的一類自動(dòng)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)其電機(jī)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)矩的精確控制，其中，采用伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的系統(tǒng)通常為稱為舵機(jī)系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)矩，通俗的講，就是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。因此，舵機(jī)的工作方式往往并不是普通電機(jī)那樣的持續(xù)進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，而是可以根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)出不同的角度，并且可以精確的停下來。因此，如果項(xiàng)目需要使用某些結(jié)構(gòu)按照設(shè)計(jì)的想法來進(jìn)行動(dòng)作，舵機(jī)是一種非常合適的選擇，可以很方便的實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的可調(diào)速的精確定位效果。同時(shí)，舵機(jī)控制方便，驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)簡單，而且種類繁多，便于各種不同類型和規(guī)模的項(xiàng)目應(yīng)用。本項(xiàng)目一共使用四路舵機(jī)進(jìn)行機(jī)械手的控制工作。相關(guān)的電路原理圖設(shè)計(jì)如下圖所示：圖4-5四路舵機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 如圖所示，本項(xiàng)目所使用的舵機(jī)使用三線控制結(jié)構(gòu)，分別為電源線、控制線和地線。在舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，將電源線接到系統(tǒng)為舵機(jī)提供的5V電源上，將地線接地，并將每個(gè)舵機(jī)的控制線接到單片機(jī)的對(duì)應(yīng)的輸出控制引腳上。本項(xiàng)目所使用的大扭力高精度舵機(jī)MG996R內(nèi)置有采用MOS隔離的大功率驅(qū)動(dòng)電路，因此其控制電路的隔離效果較好，在單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，額外部署隔離驅(qū)動(dòng)電路反而會(huì)對(duì)舵機(jī)控制造成一定的滯后影響。因此，在本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)中，可以將單片機(jī)的I/O口直接接入到舵機(jī)的控制引腳上。但由于大扭力舵機(jī)在工作時(shí)，所需的電流較大，同時(shí)由于舵機(jī)內(nèi)部的直流電動(dòng)機(jī)是一種大型的感性負(fù)載，其在接通和關(guān)斷的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電流沖擊，因此為了避免對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)造成干擾和影響，因此需要對(duì)舵機(jī)的電源電路做一定的隔離濾波的設(shè)計(jì)，在下文中會(huì)重點(diǎn)介紹。4.3.3按鍵控制電路設(shè)計(jì) 開關(guān)和按鍵是在電子技術(shù)剛剛誕生時(shí)，就已經(jīng)出現(xiàn)并且在時(shí)至今日仍然被廣泛使用的一種基本輸入設(shè)備。盡管隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在手機(jī)和類似的消費(fèi)類電子產(chǎn)品中，由觸摸屏和其他體感輸入技術(shù)和設(shè)備的發(fā)展而誕生的虛擬按鍵等技術(shù)逐漸取代了傳統(tǒng)的按鍵和鍵盤，但電源鍵仍然是必不可少的。同時(shí)，在其他的很多適用場合，如工業(yè)控制領(lǐng)域和電腦的輸入中，按鍵和鍵盤作為一種穩(wěn)定可靠且受環(huán)境因數(shù)影響較小的輸入設(shè)備仍然是不可替代的。在本項(xiàng)目中，由于需要對(duì)系統(tǒng)的時(shí)間、工作狀態(tài)和打鈴時(shí)間進(jìn)行設(shè)置工作，因此輸入設(shè)備也是必不可少的。對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)來說，在各種各樣的輸入方案中，使用自彈按鍵無疑是最為合適的一種。按鍵布局往往有獨(dú)立按鍵和矩陣鍵盤兩種，其中，獨(dú)立按鍵適用于按鍵數(shù)量較少或?qū)崟r(shí)性和準(zhǔn)確性要求較高的場合，而矩陣鍵盤適用于按鍵數(shù)量較多但單片機(jī)或其他主控芯片的引腳資源不夠豐富的使用場合。在本系統(tǒng)中，只需要三個(gè)輸入按鍵即可實(shí)現(xiàn)所需的功能，無需額外的鍵盤和其他輸入設(shè)備和功能，因此本項(xiàng)目使用多路獨(dú)立的自彈按鍵作為本系統(tǒng)的輸入設(shè)備。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的按鍵電路的原理圖如下所示：圖4-6按鍵控制電路原理圖 如圖所示，本項(xiàng)目只需要一路控制按鍵，將按鍵接到單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳上，并將按鍵的另一個(gè)引腳接地，即可實(shí)現(xiàn)按鍵控制功能。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免誤操作，在按鍵控制引腳各自加一個(gè)容值為10nf的濾波電容接地，以免由于按鍵抖動(dòng)造成系統(tǒng)誤動(dòng)作，以免影響系統(tǒng)正常功能。4.3.4直流電源電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用5V供電，因此直接在原理圖中添加5V外部電源接口。為了便于顯示當(dāng)前電源狀態(tài)，因此添加一個(gè)LED指示燈電路作為電源指示燈。同時(shí)，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免由于短路或電源反接等問題造成系統(tǒng)損毀，因此在電源電路中添加了由開關(guān)二極管和自恢復(fù)保險(xiǎn)絲構(gòu)成的防過流反接保護(hù)電路。如下圖所示，在電源正常時(shí)，二極管截止，不會(huì)對(duì)電源產(chǎn)生影響。當(dāng)電源反接時(shí)，二極管導(dǎo)通，使位于二極管前端的自恢復(fù)保險(xiǎn)絲過流燒毀，避免影響后續(xù)其他電路。電源電路總體原理圖如下圖所示：圖4-7電源電路原理圖4.3.5供電隔離電路設(shè)計(jì) 電源電路是電路系統(tǒng)極為重要的部分，電源電路的穩(wěn)定性直接影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)電源電路設(shè)計(jì)的優(yōu)劣也直接影響系統(tǒng)的工作壽命。劣質(zhì)的電源不但會(huì)影響系統(tǒng)給正常工作的穩(wěn)定性，同時(shí)其壽命也要小于優(yōu)質(zhì)的電源方案，甚至有可能會(huì)發(fā)生起火、爆炸等危險(xiǎn)事故。對(duì)于帶有電機(jī)控制等功能的工業(yè)控制系統(tǒng)，其電源的設(shè)計(jì)要求更高，尤其是在電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和單片機(jī)控制部分之間，要設(shè)計(jì)效果良好的隔離電路，避免由于電機(jī)、繼電器等感性負(fù)載在導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)候產(chǎn)生的電流沖擊對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，或直接燒毀單片機(jī)系統(tǒng)。電源隔離電路在大功率負(fù)載和模擬采樣、通信控制系統(tǒng)等多種場合中有廣泛的應(yīng)用。電源隔離電路的主要功能器件為電容器和電感器兩種儲(chǔ)能設(shè)備。其中，電容器是一種電壓儲(chǔ)能器件，在工作的過程中，電容器中存儲(chǔ)的電荷量可以在一定的范圍內(nèi)減少電路中的電壓波動(dòng)。電感是一種使用電磁感應(yīng)原理進(jìn)行工作的儲(chǔ)能器件。流過電感線圈的電流會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)磁場，在電感流過的電流發(fā)生變化時(shí)，線圈中的感應(yīng)磁場會(huì)給線圈中的電流產(chǎn)生一個(gè)阻礙電流變化的反向感應(yīng)電流，從而實(shí)現(xiàn)減少電流波動(dòng)的效果。由于電路系統(tǒng)均為電壓器件，采用過多的電感器件有可能會(huì)產(chǎn)生額外的干擾，甚至由于過流導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)故障或燒毀。因此，在隔離電路中，使用一個(gè)感值較小的電感器作為隔離電感，在保證一定的電流濾波效果的同時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生額外的電路干擾。同時(shí)，為了保證隔離濾波效果，在隔離電感的兩端安裝合適的電容器，搭建成典型的π型濾波電路，這樣就實(shí)現(xiàn)了電源隔離電路的設(shè)計(jì)工作。本項(xiàng)目所設(shè)計(jì)的供電隔離電路原理圖如下圖所示：圖4-8供電隔離電路原理圖 如圖所示，本項(xiàng)目使用典型的π型濾波電路來實(shí)現(xiàn)供電隔離效果。在供電隔離電路中，選用一個(gè)電感值為33uh的功率電感作為系統(tǒng)的隔離電感。該電感值的隔離電感在能夠保證較好電流濾波效果的同時(shí)，也不會(huì)對(duì)電路造成較大的影響，不會(huì)引入其他的干擾。在隔離電感的兩端各放置阻值為10nf和10uf的濾波電容。之所以使用大電容和小電容搭配使用，是由于電容的工作特點(diǎn)：大電容濾低頻，小電容濾高頻。采用大小電容搭配部署能夠有效地提高電路的工作穩(wěn)定性，有效地濾除各種噪聲干擾。

第五章黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 運(yùn)行在單片機(jī)中的軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，其決定了單片機(jī)以何種方式來驅(qū)使各個(gè)外設(shè)正常工作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)所需的功能。在本章節(jié)中介紹基于單片機(jī)的黃瓜采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)的各個(gè)程序流程設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)程序編寫。5.1軟件流程設(shè)計(jì)5.1.1系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)圖4-1路面銑刨深度自動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)程序流程圖 如圖所示。本項(xiàng)目的程序流程結(jié)構(gòu)較為簡單，在系統(tǒng)開機(jī)后，首先進(jìn)行I/O口初始化和定時(shí)器初始化操作，然后開始循環(huán)判斷按鍵狀態(tài)。若有按鍵按下，則開始執(zhí)行機(jī)械手驅(qū)動(dòng)程序，通過查表操作來獲取舵機(jī)驅(qū)動(dòng)量，按照事先設(shè)定的黃瓜采摘時(shí)序進(jìn)行動(dòng)作，完成了一個(gè)摘黃瓜動(dòng)作后，繼續(xù)判斷按鍵狀態(tài)，若有按鍵按下，則停止采摘?jiǎng)幼鳎环粗?，則繼續(xù)進(jìn)行黃瓜采摘?jiǎng)幼?，直到按鍵控制停止采摘?jiǎng)幼鳌?.2驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)5.2.1舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 本系統(tǒng)使用三線舵機(jī)作為系統(tǒng)的動(dòng)力設(shè)備。三線舵機(jī)使用PWM脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)周期為50Hz的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)的寬度為1ms-2ms，根據(jù)脈沖信號(hào)的寬度來調(diào)節(jié)舵機(jī)的輸出角度。為了提高系統(tǒng)的運(yùn)行精度，同時(shí)減少程序資源，采用定時(shí)器來產(chǎn)生精確的周期信號(hào)。根據(jù)該原理編寫的驅(qū)動(dòng)程序如下所示：voidT1_timer()interrupt3{ TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; num2++; num3++; num4++; num5++; if(num2==20) { a=1; num2=0; } if(num3==40) { b=1; num3=0; } if(num4==60) { c=1; num4=0; } if(num5==80) { a=0; b=0; c=0; num5=0; }}

第五章總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是整個(gè)大學(xué)生涯的最后一段路程，也是離開校園走向社會(huì)前的一次不可或缺的重要的鍛煉機(jī)會(huì)。在完成畢設(shè)的過程中，從相關(guān)資料與參考文獻(xiàn)的查找、研究，再到方案的確定、元器件的選型，再到系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、程序的開發(fā)和調(diào)試，每一個(gè)過程都遇到了很多挫折和困難。在戰(zhàn)勝這些挫折的同時(shí)，我的專業(yè)技術(shù)水平和動(dòng)手能力均得到了很大的進(jìn)步，也切實(shí)的體會(huì)到了電子產(chǎn)品研發(fā)的樂趣。經(jīng)過我的不懈努力，終于完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)的所有工作。 首先，我通過查閱相關(guān)資料，了解了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展歷史和應(yīng)用前景，以聯(lián)合收割機(jī)為例分析了國內(nèi)外現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展歷史。通過對(duì)各個(gè)國家和各個(gè)時(shí)代的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢進(jìn)行總結(jié)，不難看出，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)是發(fā)達(dá)國家的普遍選擇，采用現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)和機(jī)械化生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)方案是社會(huì)發(fā)展的必然趨勢。同時(shí)，還研究了機(jī)械手相關(guān)的技術(shù)和應(yīng)用場合，包括采用不同工作原理的機(jī)械手的設(shè)計(jì)方案和工作原理的總結(jié)研究，選擇了使用舵機(jī)控制的電力機(jī)械手作為本項(xiàng)目的研究方向。之后，針對(duì)該研究方向，設(shè)計(jì)了具有四個(gè)自由度的電力機(jī)械手的組成部分和各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、尺寸和整個(gè)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)控制函數(shù)。同時(shí)，對(duì)本項(xiàng)目所選用的舵機(jī)控制方案的目標(biāo)-伺服電機(jī)進(jìn)行了一系列的研究工作，包括舵機(jī)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、發(fā)展歷史、型號(hào)分類和使用方法。之后，自學(xué)了本項(xiàng)目所選用的主控單片機(jī)-Atmel半導(dǎo)體公司推出的低成本八位單片機(jī)AT89C51的基本原理和開發(fā)應(yīng)用方法，并學(xué)習(xí)了其C語言程序設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)學(xué)習(xí)了本項(xiàng)目中為了實(shí)現(xiàn)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)而需要的脈沖寬度調(diào)節(jié)控制技術(shù)的原理和相關(guān)實(shí)現(xiàn)方法。之后，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際需要選擇了所用的標(biāo)準(zhǔn)型的三線舵機(jī)，根據(jù)其使用方法繪制了電路原理圖，并學(xué)習(xí)了應(yīng)用于舵機(jī)控制系統(tǒng)中的電源隔離電路的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)了采用π型隔離濾波電路方案的電路。最后，根據(jù)系統(tǒng)電路原理圖和項(xiàng)目需求設(shè)計(jì)系統(tǒng)流程圖，并編寫了驅(qū)動(dòng)程序和最終的單片機(jī)程序代碼，調(diào)試通過，最終完成了黃瓜采摘機(jī)械手的設(shè)計(jì)工作。 這幾個(gè)月的時(shí)間對(duì)我是一次難得的鍛煉，在完成畢設(shè)的過程中，每一次對(duì)電路和代碼的修改和調(diào)試都將成為我的寶貴經(jīng)驗(yàn)，并為我在之后的學(xué)習(xí)、生活和工作中作為奠基，使我走的更遠(yuǎn)。

致謝本人的學(xué)位論文是在我的指導(dǎo)老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到項(xiàng)目的最終完成，老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在此謹(jǐn)向溫老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。在此，我還要感謝在一起愉快的度過大學(xué)生活的每個(gè)可愛的同學(xué)們和尊敬的老師們，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文的順利完成。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意!謝謝你們!

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