果实采摘机器人技术报告

上图路线描述：第一次：启动区——1号树A取果实——1号树C取果实——1号树B取果实——存储区

第二次：存储区——2号树A取果实——2号树B取果实——存储区

第三次：存储区——3号树A取果实——3号树C取果实——3号树B取果实——3号树A——存储区

预赛方案二：保险方案

由于机器人在运行过程中可能会受到一些不可预料的干扰，在场地上运行的时间越长，出错的概率也越大，所以我们推出此方案。

图1-2-1-2 预赛方案二

上图路线描述：第一次：启动区——1号树A——1号树C取果实——3号树B取果实——3号树A——存储区

第二次：存储区——3号树A取果实——2号树B取果实——2号树A取果实——存储区

第三次：存储区——1号树A取果实——1号树B取果实——存储区

22B

1.2.2复赛方案

对于复赛的考虑，我们的总体思路是取一半多的果实锁定胜局。 复赛方案一：正常思路

图1-2-2-1 复赛方案一

上图路线描述：第一次：启动区——1号树A——1号树C取果实——1号树B取果实——存储区

第二次：存储区——2号树B取果实——2号树A取果实——存储区

复赛方案二：防止对方抢占2号树果实

图1-2-2-2 复赛方案二

路线描述：讲方案一得顺序反过来，先拿1号树的红果实和2号树的果实，再拿一号树的剩下的果实。

复赛方案三：特殊方案一

直接收集两个神果，锁定胜局。

图1-2-2-3 复赛方案三

复赛方案四：特殊方案二

摘取1号树全部果实，紧接着摘取其他果实。

图1-2-2-4 复赛方案四

上图路线描述：启动区——1号树A取果实——1号树C取果实——一号树B取果实——3号树A摘取果实——2号树B摘取果实——2号树A摘取果实——储物区。

8B

1.3 设计研制的内容与重点

1.3.1 七个舵机的控制

23B

如何有条不紊地把七个舵机控制好，毫无疑问成为这次机器人研制的重点。包括角度的调节，动作顺序的控制，以及在舵机在受力较大时产生大电流如何处理。

24B

1.3.2四轮转弯方案的设计

传统上，关于转弯的机器人的制作大都采用二轮驱动。此次机器人的制作，由于考虑到动力的问题，我们采用四轮驱动。然而这会给转弯的精确度带来很大的麻烦，所以在速度、轮子摩擦力和检测等方面要做更深入的研究。

1B

二、机械结构设计

9B

2.1 机器人总体结构设计

图2-1-1 采果实机器人整体图

总体上，机器人可以分为三大部分： 驱动系统（第一层）：包括轮子、电机、电源、电路板等； 载物系统（第二层）：储物筐，由储物筐转轴、舵机、舵机夹片、拨取系统，两根螺柱构成的“拨取系统”；

机械臂系统（第三层）： 包括一个大舵机，三个小舵机，机械抓，螺杆臂等。

10B

2.2 各系统详细结构设计及其原理

A．驱动系统

图2-2-1 驱动系统

我们制作的机器人的总体重量较大，尤其在转弯过程中电机需要的力气要大，所以驱动系统采用了四个电机驱动。另外我们在机器人的其他部位总共还需驱动七个舵机，使得在我调试整个机器人运作时出现了电流不足的情况。经过最终的调试，我们使用两块电池，对系统实行双电源供电。

机械说明：电机利用钢质直脚架固定在下底板上，同侧轮中心相距113 mm，左右宽200 mm，平放底板高55mm。

B储物系统：

图2-2-2 储物系统

目录

0B一、报告总述 ............................................................................................................................. 3

6B1.1 机器人功能展示 ........................................................................................................... 3 7B1.2 取胜思路 ....................................................................................................................... 5

21B1.2.1预赛方案 ........................................................................................................... 5 22B1.2.2复赛方案 ........................................................................................................... 6 8B1.3 设计研制的内容与重点 ............................................................................................... 8

23B1.3.1 七个舵机的控制 .............................................................................................. 8 24B1.3.2四轮转弯方案的设计 ....................................................................................... 8

1B二、机械结构设计 ..................................................................................................................... 9

9B2.1 机器人总体结构设计 ................................................................................................... 9 10B2.2 各系统详细结构设计及其原理 ................................................................................. 9 11B2.3 电路安置以及传感器的分布 ................................................................................... 14 12B2.4 电机、舵机选型 ....................................................................................................... 17

25B2.4.1电机的选型 ..................................................................................................... 17 26B2.4.2小舵机的选型 ................................................................................................. 17 27B2.4.3大舵机的选型 ................................................................................................. 18 13B2.5 尺寸和重量 ............................................................................................................... 18 2.6 主要零件设计图 .............................................................................................................. 19 2B三、电路部分 ........................................................................................................................... 28

14B3.1电路功能描述 ............................................................................................................ 28 15B3.2主控芯片选型 ............................................................................................................ 28

28B3.2.1 AVR单片机 .................................................................................................... 28 29B3.2.2开关稳压集成电路 ......................................................................................... 29 30B3.2.3 H桥直流电机控制芯片 ................................................................................. 30 31B3.2.4 舵机控制芯片 ................................................................................................ 31 16B3.3传感器选型 ................................................................................................................ 32 17B3.4电路原理图 ................................................................................................................ 34

32B3.4.1单片机（最小系统及下载）原理图 ............................................................. 34 33B3.4.2传感器原理图 ................................................................................................. 34 34B3.4.3舵机驱动CD4017原理图 .............................................................................. 35 35B3.4.4直流电机驱动原理图 ..................................................................................... 36 36B3.4.5电源部分原理图 ............................................................................................. 36 37B3.4.6控制板原理图 ................................................................................................. 38 18B3.5PCB图 ........................................................................................................................ 39

38B3.5.1中间的核心板总原理图 ................................................................................. 39 39B3.5.2控制板的PCB................................................................................................. 40 40B3.5.3前中后传感器的PCB ..................................................................................... 40

3B四、方案创新点 ....................................................................................................................... 41 4B五、尚未解决的难点 ............................................................................................................... 42 5B六 、经费 ................................................................................................................................. 43

19B6.1机器人制作 ................................................................................................................ 43 20B6.2.电路制作 .................................................................................................................... 43

0B

一、报告总述

6B

1.1 机器人功能展示

机器人在启动区情况展示，如下图所示：

图1-1-1 机器人在启动区

机器人采神果展示，如下图所示：

图1-1-2 机器人摘取神果

机器人同时摘取黄绿果实展示，如下图所示：

图1-1-3机器人同时摘取黄绿果实

机器人倾倒果实展示，如下图所示：

图1-1-4 机器人倾倒果实

7B

1.2 取胜思路

在采果实比赛中有两对进行比赛，场地被中间的三棵果树平均地隔开，两边的场地也是一模一样的。队伍参加比赛时，每个队伍各占一半场地，分为红方和蓝方。在进行对策分析时，假设我们队伍为红方，场地如下所示：

图1-2-1 场地规划图

首先，我们对场地进行了编号和总体规划。图中的1、2、3为三棵果树的标号，ABC分别为果树左侧的果实采集点、中间的红果采集点、果树右侧果实采集点。绿色箭头通道列为专门的果实运送通道，为便于倾倒，该机器人在该通道上运送果实时，倒退行驶。

在整个比赛过程中，预赛属于无对抗型比赛，复赛为对抗型比赛，再结合机器人的储物量，所以我们分别作出两类方案。

21B

1.2.1预赛方案

预赛方案一：满分方案

图1-2-1-1 预赛方案一

这部分设计我们称之为薄片系统，它的功能是将第一、二层的果实一同拨到储物筐中，而储物筐也能调整角度配合收取果实，倾倒果实。具体功能如下：

1. 动作演示

下列图2-2-3到2-2-8为载物系统摘取果实时的动作演示：

图2-2-3准备 图2-2-4放下储物台

图2-2-5放下上部拨片 图2-2-6刮取果实

图2-2-7 完成 图2-2-8 倾倒

2.配合机械爪的动作，如下图：

图2-2-9机械框与爪的配合

3.在移动中的特殊用处，如下图：

图2-2-10储物筐探测的作用

说明：利用储物筐旋转，使传感器与果树的距离达到传感器可检测的范围内。

C．机械臂系统

图2-2-11 机械臂

上图为机械臂示意图。该机械臂具体由三个关节，两条臂，一个机械爪组成，四自由度，主要用于摘取最高位的黄色果实和红色果实。

1.可抓取物体的垂直高度219mm到663mm，果树的果实底部的高度范围为200mm到600mm，所以能够达到摘取全部果实的目的。如图所示：

图2-2-12机器人的摘果范围

2.机械臂的手臂采用的是螺杆支撑，

第一节中间螺杆为5mm，旁边两根为4mm，同为16cm。第二节主杆为5mm，副杆为4mm，同为8cm。因为是螺杆，所以手臂的长度还可以根据具体的需要进行微调。

图2-2-13 螺杆臂

3. 手抓也是机械臂中最重要的一个环节之一，它用来夹住物块。设计爪的最大的张距为9cm，以满足夹取50-60mm的果实的需要。工作示意图如下：

图2-2-14 对准木块 图2-2-15 抓紧木块

说明：在图3中，A轴是用舵机带动旋转的， AB轴用齿轮相互传动，同时夹紧。 而且，机械抓在夹紧的过程中，由于采用的是平行四边形结构，所以前端始终保持平行。

11B

2.3 电路安置以及传感器的分布

A．电路板的安置：主电路板安装在下底板上，距离下底板4cm，与下底板的后边缘3cm。安装在中心位置，用四根50mm螺柱固定。在下底板与主电路板之间有高44mm，宽76mm的空间用于放置电池。我们安装了两块电池，一块给电路板供电，另一块给七个舵机供电。这样可以减少干扰，防止控制电路供电不稳定的。具体位置如下图所示：

图2-3-1 电路板的安置

B．底盘传感器的分布：

图2-3-2 底盘传感器分布图

A为后排传感器，负责倒退巡线的功能；B为前排传感器，负责前进巡线的功能，配合中间传感器C能进行转弯。下面为传感器集成条的详细尺寸：

后排传感器：

图2-3-3 后排传感器尺寸

说明：等距排放，四个传感器相互间隔20mm，巡线时中间两个传感器在白线内。

前排传感器：

图2-3-4 前排传感器尺寸

说明：等距排放，十个传感器相互间隔15mm。巡线时中间两个传感器在白线内，两旁各旁边四个，进行“或”计算之后与中间两个传感器信号共四个信号与单片机相连。

C．其它传感装置：

图2-3-5 其他位置传感器分布

说明：A为一个微触开关，可以在上拨片旋转调整高度的时候，检测第二层树枝的位置，当拨片自上而下移动时，微触开关碰到树枝则停止移动。

B、C为光电传感器，在机器人靠近果树的过程中，调整储物筐将B、C光电传感器伸出，贴近果树面，从而检测果树的位置并停下（这主要是为了摘取神果）。

12B

2.4 电机、舵机选型

2.4.1电机的选型

高扭力减速电机，减速比：1:30，工作额定电压12v

25B

26B

2.4.2小舵机的选型

小舵机的型号：辉盛 Tower Pro MG995

描述：全金属齿轮 详细参数：

尺寸：40mmX20mmX36.5mm 重量：62g

技术参数：无负载速度0.17秒/60度(4.8V)

0.13秒/60度(6.0V) 扭矩：13KG

使用温度:-30~~+60摄氏度 死区设定:4微秒 工作电压:3.0V-7.2V

27B

2.4.3大舵机的选型

大舵机的型号：辉盛 Tower Pro MG9805 描述：全金属齿轮 详细参数：

产品净重: 160g

产品尺寸: 66x30.2x64.4mm

产品拉力: 20kg/cm(4.8V )，25kg/cm(6V) 反应速度: 0.20sec/60degree(4.8v)

0.16sec/60degree(6.0v)

工作电压: 4.8-7.2V 工作温度: 0℃-55℃ 齿轮形式: 金属齿轮 工作死区: 5us (微秒)

13B

2.5 尺寸和重量

A. 启动尺寸

图2-5-1机器人启动尺寸

B．重量：4.4kg。

2.6 主要零件设计图（以下单位都为mm）

A．底盘（第一层）（铝）

图2-6-1 地盘设计图

说明：厚度为1.5mm

B. 载物台底盘（第二层）（铝）

图2-6-2载物台底盘设计图

说明:厚度为1.5mm

C．机械臂搭台（第三层）（塑料）

图2-6-3机械臂搭台设计图

说明：厚度为4mm D．储物框（塑料）

图2-6-4储物框设计图

E．储物筐加固条（铝）

图2-6-5 储物筐加固条设计图

F. 小舵机架（铝）

图2-6-6 底座设计图

图2-6-7 U型连接架设计图

图2-6-8直角连接架设计图

G. 大舵机架(铝)

图2-6-9 底座

图2-6-10 U型连接架

H. 前挡板(铝)

图2-6-11前挡板

I． 螺柱(钢)

图2-6-12螺柱

J．轮子

图2-6-13 轮子尺寸图

K．电机脚架（材料:钢;分左右）

图2-6-14右边脚架设计图

图2-6-15左边脚架设计图

L．拨片

图2-6-16 拨片设计图

3B

四、方案创新点

1.舵机控制器

在我们所设计的机器人中一共用到了7个舵机，每个舵机的控制信号均为PWM波，而ATmega32中只有4路PWM信号，并且两路已经作为控制电机的信号，因此直接控制是不可能的。

为此我们根据舵机控制的特点完成了一种舵机控制器的制作，本舵机控制器由单片机和十进制计数器组成，单片机系统为Atmema32单片机，十进制计数器为CD4017。舵机控制器的系统结构如图所示：

ATmega32Q1PD6PD4/OC1BRSTCLOCKQ7CD4017舵机

图4-1

由于普通舵机所需的PWM控制信号的周期相同，均为20ms，因此可以在一个周期的时间里分时产生各路PWM信号。本控制器利用Atmega32定时器1的输出比较功能并配合十进制计数器CD4017实现7路周期为20ms的PWM信号输出。控制时序如图所示：

图4-2

由此可实现用两路信号控制7个舵机的效果。使用CD4017最多可控制9个舵机。

2.两种收集方式 ①机械手抓取方式

此次比赛中红色果实被放置到了凹槽中一般方式法难取到，我们使用的方式是机械手抓取，除了抓取红色果实，在高处的绿色果实也可以通过此种方法进行抓取。

②拨片拨取方式

除了红色果实和高处的绿色果实以外，低处还有一些果实，如果完全通过机械手进行抓取的话效率势必会很低，因此我们又采用了拨片拨取的方式进行收集，这种方式最大的特点是快速准确。

4B

五、尚未解决的难点

1.对抗

对抗赛的策略问题是本次比赛的难点，因为果实数目确定，如果策略不对那势必会给对方拿到更多的果实创造了机会，而自己最后没有果实可拿。因此更多更快更巧妙地拿到果实成为了难以统一的矛盾，要很好地解决这些矛盾必须认真分析对方可能出现策略，并做好应对策略，以达到更好的效果。

2.储物量

出去策略之外，储物筐储物量的限制也是比较解决的问题，现在而言，我们的储物筐可以收集的果实数目不会超过五个，这样就增加了送果实的次数，降低了效率。而如果加大储物筐体积那将会影响到其他零件的安排，成为了一个难点。

5B

六 、经费

19B

6.1机器人制作

数量 2个 4个 1个 6个 3套 1套 4个 4个 1个 2块 1块 4个 各2根，共四根 1两 3两 2个 1346．5 4 100 总价格 300 200 109 282 96 5 50 40 76.5 26 22 20 8 2 6 经费 单价 材料 锂电池 150 电机 大舵机 小舵机 小舵机架 大舵机架 轮子 连轴器 机械抓 1.5mm铝板 4mm塑料板 电机直脚架 长螺杆（4mm、5mm） 5mm螺母加垫片 4mm螺母、螺丝 直角架 其他制作经费 总计（元） 50 109 47 32 5 12.5 10 76.5 13 22 5 2 2 2 2 20B

6.2.电路制作

总价 15 2.7 3.8 25 99 30 30 元件 单价 数量 单片机 15 1 L298N 2.7 1 KID-1205A（DC模） 3.8 1 LM2596（DC模块） 25 1 光电传感器 3.3 30 接插头（线） 6 5 其他元器件 30 1 总计 205.5 费用统计：1553元

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