基于Arduino葡萄套袋智能机器人的设计*

蒯苏苏 沈志豪 王 震 谢 静 费铖邦 朱明霞

（1. 江苏大学机械工程学院 江苏镇江212013；2. 镇江市第一人民医院 江苏镇江212002）

国内外对于葡萄套袋机械的研制，是通过葡萄图像颜色特征分析，选取目标和背景灰度差异较大的色差图，分别采用人工阈值法和自动阈值法对其进行分割，运算量大，耗时多，目标识别在夜间无法进行。目前葡萄套袋机械的设计难点有：（1）对于（生长期）葡萄的识别难度大；（2）对于撑袋套袋过程缺乏灵活的结构。针对以上问题，根据文献蒯苏苏提出的 TRIZ效应理论，通过“Makeblock”机器人创意组件，创新设计搭建了Arduino智能型葡萄（生长）自动套袋机器人，白天黑夜均可识别葡萄串，并自动套袋[1-6]。

1 系统构成

Arduino葡萄套袋智能机器人主要有行走系统、机械系统和控制系统三部分组成。机器人样机采用“Makeblock”铝合金组件，独特的螺纹槽和孔的连接方式，搭建了一种Arduino葡萄套袋智能机器人，如图1所示。经过Arduino的开源电子平台设计新的运算程序，对机器人模式识别和自动套袋进行编程和创新。

1.1 行走系统

四轮履带式小车左前轮安装步进电机 M3，右前轮安装步进电机M4，电机驱动模块驱动小车按照指令运行。当小车左轮速度小于右轮速度时，左转； 当小车左轮速度大于右轮速度时，右转；当小车左轮速度等于右轮速度时，小车走直线。由于两个轮子在行进过程中，分别遇到的阻力不一样，两轮的转速会发生偏差，解决的方法是通过编码器、Arduino控制器和电机驱动模块、步进电机形成闭环控制系统，对电机驱动板的使能端口和转向端口进行设置，步进电机中的编码器反馈转速送入Arduino控制器中，控制器实时计算出两轮的转速差，设立一个PID比例算法，让转速慢轮子的电机功率值加大，从而消除车轮的转速差。

PID比例算式是：

PWM_3=（float）PWM_3+1.5（rpm_4—rpm_3）。算式中：rpm_4是步进电机M4的转速；rpm_3是步进电机M3的转速；PWM_3是步进电机M3的PWM功率值。

二轮步进电机的转速差乘以比例调节因子1.5，再叠加上一次PID计算得到的PWM_3，就得到了当前步进电机M3的PWM功率值PWM_3。如果步进电机M4转速rpm_4比步进电机M3转速rpm_3要低，则从算式中可以看到，会自动减小步进电机M3功率值 PWM_3，反之亦然，通过循环执行Arduino程序中PID算式，便可达到两个步进电机转速一致的目的。当小车避障时，用超声波传感器检测到机器人接近了相关障碍物体10 cm时，自动调整方向，避障或绕障行走，使小车执行前进、后退、左转、右转、停止和速度切换动作，实现机器人自移动功能。

图1 葡萄（生长）套袋智能机器人

葡萄串模式识别，根据TRIZ理论对效应不足的完整模型，通过“物～场”分析的一般解法来解决，如图2所示。S1—小车，S2—葡萄，F1—步进电机的电能，为了使（小车）S1在（步进电机）F1驱动行走时，（感知葡萄）S2，从 100个科学效应中选用 E85—形变和E89—压电效应，插进一个物质 S3—薄膜，并增加另一个场 F2—触动传感器开关信号的电能，来提高有用的效应，去感知S2（葡萄）。

图2 加入物S3和场F2

当S1（小车）由F1（步进电机）驱动行走时，S3（薄膜）触碰到葡萄时产生很小的力，发生形变，改变物体空间性质，薄膜背面的触动传感器被外力触发，产生正压电效应，F2（触动传感器）发出开关信号，用一个条件判断

使得扩展板上LED灯点亮，行走停止，S2—葡萄串目标定位。

当履带式小车前进时，薄膜表面探测识别触碰物体，移动中的薄膜触碰到物体产生动态应力。

模式识别时由于茎叶的重量很轻，对于薄膜产生的应力很弱小，薄膜背面的触动传感器不触发；而一串葡萄产生的应力相对较大，易于与茎叶区分；对于小概率会碰到树枝时，因为树枝的固定性，对于薄膜造成的应力会很大，以至于戳破薄膜，通过编程设置一个极限值来排除树枝的影响。当识别到葡萄串的时候，编写Arduino 的C语言程序：

控制RGB模块，设置LED模块连接到3号接口，设定红色数值（20）、绿色数值（150）、蓝色数值（255），延时等待0.5秒，LED灯灭，锁定目标，等待接下来的套袋工序的完成。

1.2 机械系统

套袋需要细分成四个过程：吸袋、撑袋、套袋、扎袋。二自由度飞轮摆杆滑块机构各构件尺寸如下：

构件1=85 mm、构件2=86 mm、构件3=160 mm、构件4=180 mm、飞轮5直径Φ50 mm、飞轮5与构件1之间机架距离CD=260 mm，如图3所示。

图3 二自由度飞轮摆杆滑块机构简图

图3中，设置构件1是0~60°摆动，飞轮5是0~90°转动。当飞轮5转动，构件4从水平位置吸住纸袋一侧转动，当构件4运动到垂直位置时，飞轮5停止转动，纸袋被吸盘A吸住；构件1逆时针转动，带动摆杆滑块机构运动，构件3移动到左端吸住纸袋另一侧，接着构件1顺时针转动60°，构件3移动到右端，纸袋被吸盘B吸住，纸袋撑开。

识别葡萄串目标定位的 LED灯点亮后，通过ArduinoStepper库函数控制电机转速，控制二自由度飞轮摆杆滑块机构运动。

构件4一侧的吸盘A由电机M1驱动飞轮5旋转一定角度后，延时等待，打开气泵电机M5控制气泵吸气口吸气，构件4向下固定位置吸取一个葡萄果袋。吸住套袋后，构件4上的吸盘A同套袋在电机M1控制下再回到竖直位置。电机M2转动，带动构件3一侧的吸盘B向构件4方向合拢，延时等待，打开气泵电机M6控制气泵吸气口吸气，使构件3一侧吸盘B吸住套袋，此时一对真空吸盘分别吸住套袋两侧。在吸盘保持吸住套袋的条件下，构件4静止，构件1在电机M2驱动下带动构件3向另一侧移动，吸盘B吸住果袋撑开，果袋张开面积最大时完成撑袋过程。接着保持一对吸盘的位置，将袋口对准葡萄串，完成套袋。

自动收扎套袋过程，用一只三自由度机械手拽拉果袋绳子扎袋（见图1）。机械手大臂处装有大臂电机M9、机械手腕处装有手腕舵机M8，机械手指处装有手指电机 M7，控制机械手大臂仰、俯；手腕仰、俯；手指张开、合拢六个动作，手指伸进绳圈，夹住绳子，手腕上仰，大臂后仰，拉出绳子，收缩果袋袋口，自动拽拉果袋绳子扎袋，同时控制气泵电机 M5、气泵电机 M6停止气泵吸气，使吸盘A、吸盘B松开果袋，完成自动套袋。机构回到初始位置待命，开始下一个目标识别。

1.3 控制系统

由模块化设计思想、任务要求及机器人工作的软硬体，设计了计算机、Arduino的开源电子平台，葡萄套袋智能机器人的控制系统总体框图见图4。

图4 控制系统总体框图

该控制系统由上位机和下位机二部分构成：上位机采用计算机，编写Arduino图形化程序，作为智能机器人的控制软件，下位机采用 Arduino微处理器来实现对葡萄套袋智能机器人的整体控制。有三种运行模式：（1）计算机在线控制机器人；（2）Arduino控制器控制机器人；（3）Andriod手机控制机器人。

机器人套袋流程框图如图5所示。用户通过计算机与 Arduino 通信，Arduino机器人使用的每个程序中，由Arduino的接口收集从数字量收到的数值，然后送到计算机，计算机把数值量的输出数值反馈传送到接口上，Arduino的微处理器接收来自计算机的程序指令，由程序自动打开或关闭相连的电机、步进电机、舵机。

图5 机器人套袋流程框图

2 程序设计

机器人控制系统软件设计，在搭建机器人硬件的基础上，按照功能要求，程序设计包括主程序、驱动程序、避障程序、支架平台升降程序、套袋程序以及机械手程序，实现高层次分级控制。

2.1 Arduino 单片机程序

（1）Arduino程序结构中没有main（）函数，而是main（）函数的定义隐藏在Arduino的核心库文件中。在进行Arduino开发上，一般不直接操作main（）函数，而是使用setup（）和loop（）这两个函数。

（2）loop（）函数是一个死循环，通常是在loop（）函数中完成驱动各种模块和采集数据等功能。

（3）While“当”型循环，引入 millis()函数，不用占用CPU时间，对长程序非常有用。如延时可采用while(millis() < endTime)_loop() 语句。

2.2 系统程序

搭载在机器人上的电机 M10驱动丝杠螺母机构运动，丝杠螺母薄膜感应器上升，感知上方葡萄串时小车停止前进，进行模式识别后，丝杠螺母薄膜感应器下降30 mm；电机M11驱动同步齿形带运动，与同步齿形带一侧固结的支架升降平台开始上升30 mm，二自由度飞轮摆杆滑块机构与吸盘开始撑袋、套袋、机械手扎袋，相关程序见图 6。其中Arduino主程序、C语言头文件如下：

图6分别表示了模式识别程序、套袋程序、三自由度机械手扎袋程序和同步齿形带升降平台Arduino图形化程序。

图6 Arduino葡萄（生长）套袋智能机器人程序

3 结语

设计了基于Arduino葡萄套袋智能机器人，提出了各个功能模块的设计和具体实现方法，根据TRIZ效应理论E85—形变和E89—压电效应分析，葡萄模式识别通过薄膜触动传感器被外力触发，产生正压电效应，Arduino控制器上LED灯点亮，动态感知葡萄串。创新设计了二自由度飞轮摆杆滑块机构与一对吸盘吸住套袋，实现撑袋、套袋功能。结果表明，控制系统PID比例算法对小车直线运行稳定，实时性强，实现了智能机器人前进、避障、自动套袋等功能。以控制晶片的Arduino编写程式码，完成机械手臂俯、仰；机械手腕俯、仰；机械手指抓取、松开等功能，在机器人领域有较为广阔的应用前景，为研究智能机器人提供了重要的参考依据。

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