东北农业大学工学硕士学位论文
学 位 论 文
基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手控制系统的设计
Classified Index:
U.D.C:
Dissertation for the Master Degree in Engineering
CONTROLER DESIGN OF 6-DOF FRUIT PICKING MANIPULATOR BASED ON ATMEGA16
Candidate:
Supervisor:
Academic Degree Applied for:
Speciality:
Date of Oral Examination:
University:
×××
Prof. ×××
Master of Engineering
Agricultural Electrification and Automation
June，2010
Northeast Agricultural University
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名： 日 期：
指导教师签名： 日 期：
使用授权说明
本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名： 日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
注 意 事 项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准
规范
编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载
。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日
目 录
V中文摘要
VI英文摘要
11 引言
11.1 研究背景
21.2 国内外农业机器人研究动态趋势
21.2.1 国外农业机器人发展状况
31.2.2 国内农业机器人发展状况
41.3 论文研究的目的和意义
51.4 论文的主要研究工作和内容
51.5 本章小节
62机械手控制方法的研究
62.1 微型伺服直流电机的工作原理
72.2 微型伺服直流电机内部结构
82.3 本章小结
93六自由度机械手的机械系统
93.1 硬件系统的总体结构
93.2 机械手的硬件结构组成
103.3 机械系统相关参数分析
123.4 本章小节
134六自由度果实采摘机械手控制系统的硬件设计
144.1 硬件开发工具与PCB设计方法
144.1.1 硬件开发工具AltiumDesigner08
144.1.2 PCB高可靠性设计原则
154.2 芯片控制模块
154.2.1 芯片电路
164.2.2 复位电路
164.2.3 晶振电路
174.2.4 控制芯片的选取
184.2.5 ATmega16的特性与引脚功能
204.3 电源模块
204.4 键盘指令输入模块
214.5 液晶显示模块
234.6 舵机驱动模块
244.7 程序下载模块
244.7.1 JTAG下载电路
244.7.2 ISP下载电路
254.8 本章小节
265 六自由度果实采摘机械手控制系统的软件设计
265.1系统软件的选择
265.1.1 编译软件ICCAVR
265.1.2 程序下载软件AVR Studio
275.2 机械手软件设计总体方案
285.2.1 系统初始化
285.2.2 键盘扫描和检测
285.2.3 液晶显示
295.2.4 舵机控制
325.3 本章小结
336 系统调试与实验分析
336.1 硬件调试
336.2 软件调试
346.3 机械手控制实验
356.4 本章小节
367 机械手位姿分析
398 结论
40致谢
41参考文献
43附 录
45攻读硕士学位期间发表的学术论文
CONTENTS
Chinese Abstract
V
English Abstract
VI
1 Inroduction
1
1.1 Introduction of background
1
1.2 Developments and trends of domestic and foreign research
2
1.2.1 Developments and trends of foreign research
2
1.2.2 Developments and trends of domestic research
3
1.3 Purpose and significance of the study
4
1.4 Main work and content of the paper
5
1.5 Brief summary of this chapter
5
2 Study of manipulator control method
6
2.1 Related theories about manipulator control
6
2.2 Working principle of the micro servo DC
7
2.3 Internal structure of the micro servo DC
8
3 Mechanical systems of the 6 DOF manipulator
9
3.1 Overall design of hardware system
9
3.2 Hardware structure of the Manipulator
10
3.3 Mechanical system parameters
12
3.4 Brief summary of this chapter
12
4 Hardware control system design of the 6 DOF manipulator
12
4.1 Hardware development tools and the PCB designment method
13
4.1.1 Iintroduction of Altium Designer08
14
4.1.2 Rules on high-reliability PCB designment
14
4.2 Chip control module
15
4.2.1 Chip circuitry
15
4.2.2 Reset circuitry
16
4.2.3 Crystal circuitry
16
4.2.4 The choice of chip
17
4.2.5 Features and pin function of ATmega16
18
4.3 Power module
20
4.4 Keyboard command input module
20
4.5 LCD module
21
4.6 Servo drive module
23
4.7 Program download module
24
4.7.1 JTAG download circuitry
24
4.7.1 ISP download circuitry
24
4.8 Brief summary of this chapter
25
5 Software control system design of the 6 DOF manipulator
26
5.1 choice of system soft
26
5.1.1 Compile software ICCAVR
26
5.1.2 Program download software AVR Studio
26
5.2 Overall program of manipulator software design
27
5.2.1 system initialization
28
5.2.2 Keyboard scanning and detection
28
5.2.3 LCD display
28
5.2.4 Control of servo
29
5.3 Brief summary of this chapter
32
6 System debugging and experimental analysis
33
6.1 Hardware debugging
33
6.2 Software debugging
33
6.3 Manipulator control experiment
34
6.4 Brief summary of this chapter..............................................................................................35
7 Manipulator posture analysis
36
8 Conclusion
39
Acknowledgement
40
References
41
Apendix
43
Academic paper published during the master degree
45
独 创 声 明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得
（注：如没有其他需要特别声明的，本栏可空）或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
导 师 签 名： 日期： 年 月 日
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是对六自由度果实采摘机械手的控制器进行设计。控制器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。控制器的设计分别从硬件和软件两方面进行介绍，控制器摒弃了使用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器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-Atmega16l，采用按键对舵机转动进行实时控制，从而带动整个机械手完成一定空间范围内的果实采摘工作。并可通过12864液晶显示屏进行舵机角度的实时显示、经实验验证了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。
关键词：控制器；自由度；机械手；ATmega16l；舵机
Controller Design of 6-DOF Fruit Picking Manipulator Based on ATmega16
Abstract
The 21st century is an important period of development from agricultural mechanization to intelligence, With the scale, diversification and precision of agricultural production, the requirements of agricultural production and operation increase gradually, and many projects are labor-intensive operations, such as the selection and harvesting of vegetables and fruit, grafting vegetables, coupled with seasonal requirements, To ensure its quality will be a crucial issue; in addition, because of the rapid development of industrial production, agricultural labor force will gradually shift to other industries; With the population aging and decline in agricultural labor force, agricultural production costs have been increased, Therefore, This has greatly reduced the competitiveness of products in the market.
Fruit picking work is the most time-consuming and laborious part in fruit production chain. Because of it is Seasonal, labor-intensive, Costly, ensuring the timely harvest of fruit, reducing harvest operating costs are an important way for increasing agricultural income. As an important type of agricultural robot, Harvesting robots can take full advantage of the information awareness function, identify the maturity of the object being picked, ensure the quality of the fruit picking, greatly enhance the work of harvesting efficiency reduce worker labor intensity and production costs, increase labor productivity and product quality, ensure timely harvest of fruit, Hence, it has great potential for development. Therefore, the wider application of large-scale agricultural robot will be a forceful measure to improve China's agricultural mechanization level.
In this paper, Dagu 6-DOF manipulator is used as the mechanical structure, Manipulator system consists of the base, arm, wrist, hand four parts. Hardware system is composed of 6-channel servo motors, metal components, after the in-depth study of the mechanical structure of the mechanical system and servo control methods, Control system of 6 DOF fruit picking manipulator is designed.
Main content of this paper is to design the controller of 6-DOF Fruit Picking Manipulator ,the Controller is designed modularly, Which is divided into the chip control module, power module, the keyboard module, liquid crystal display modules, servo drive module. Decomposing the function and reducing the coupling. Controller design is introduced from two aspects - hardware and software, the controller abandon the traditional control methods - control software installed on PC, the control of 6-DOF manipulator can be realized by only using the controller, choosing AVR Microcontroller-Atmega16l as control chip, Using buttons to control the servos in real-time, Thus helping the whole manipulator completing the fruit picking work within a certain space ,and the state of the servo can be displayed on the LCD-12864 in real-time, the feasibility of control of the six degree Fruit Picking manipulator through the controller is verified by experiments, and this paper also meet the design purpose of controller.
Key words: controller; degree of freedom; manipulator; ATmega16l; servo
Candidate: ×××
Speciality: Agricultural Electrification and Automation
Supervisor: Prof. ×××
1 引言
1.1 研究背景
近些年来，世界范围内许多农业相对发达的国家都在进行果实收获自动化的研究，从而真正实现机械代替人类完成采摘工作的任务，然而提高智能化程度和降低生产成本两个技术难题一直是进行实用化和普及化的关键问题。国外果实采摘机器人的研究相对国内来说已经取得了比较大的进展，中国在该领域的研究仍然处于起步阶段。但随着农业规模化的不断发展和科技水平的不断提高，在我国未来的农业生产中，农业机器人将发挥不可低估的作用。因此，在21世纪提高农业自动化水平将成为我国在农业科技领域的一个至关重要的研究点，作为高级自动化设备的各种机器人，在我国的农业方面必定会得到广泛的推广和应用。
农业机器人既是机械与电子的简单结合，也是融合检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术和计算机技术等多种技术于一体的交叉学科。它归根结底仍属于机器人的范畴, 以下的几点可以简要的概括农业机器人的作用：解决农业劳动力不足的问题；替代人类完成脏或非常辛苦的劳动；可以替代人们从事机械式的单调工作；可以获得品质和附加值较高的农产品；实现工厂内的无菌化生产工作；能够吸引更多年轻的学者开展农业生产研发工作。另外，农业机器人具有先进的感知能力，大数据量存储能力和强劲的信息处理能力。所以，在未来农业生产中，农业机器人将发挥强大的作用（纪晓睿，2007）。
农业采摘机器人的作业对象为物理特性复杂多样的农作物产品, 所以研究农业机器人首先应从物理特性和生物特性来考虑这些对象，农业采摘机器人的研究阶段已进入了实用化,随着高科技农业发展的需要和机械、电子产业的日益发展，农业采摘机器人将不断涌现与完善（宋婷，2009）。传统的机械存在易污染环境、对植被造成损害等缺点。为了克服这个缺点，国内外都在大力进行农业机器人的研究，农业机器人智能化的不断提高，相对于传统农业机械能更好的适应生物技术的新发展。改善了传统的劳动方式以及农民的劳动生活状态。因此，世界各国对农业机器人投入了高度重视，以及大量的资金和人力进行研究开发工作（杨宝珍，2008）。农业采摘机器人处于非结构性、未知的工作环境中，其作业对象随机分布性决定了农业采摘机器人必须具有智能化的感应能力和适应复杂的作业环境的能力。农业采摘机器人上传感器的应用对周围环境的感知能力和智能程度有直接的影响。简单、稳定、易实现成为在研制不同农业采摘机器人时传感器选择的重要因素，以提高其作业能力（宋婷，2009）。农业采摘机器人是机器人技术迅速发展的产物，是农业向自动化和智能化发展的重要标志。目前，发达国家已研制出番茄、黄瓜、葡萄、柑橘等水果和蔬菜收获机器人，在农业采摘机器人研究方面居于领先地位。
1.2 国内外农业机器人研究动态趋势
20 世纪90 年代以来，“精确农业”技术引起了发达国家的普遍重视，已被国际农业科技界认为是二十一世纪实现农业可持续发展的先导性技术之一(杨宝珍，2008)。农业采摘收获机器人可用于蔬菜以及水果采摘，也可对花生等经济作物进行采摘。目前很多国家已经开展相关研究，这些机器人的视觉传感器一般为彩色摄像机，用它来寻找和识别成熟果实，机器人主要由机械手、末端执行器、视觉传感器和移动机构等部分组成，加入避障功能的机器人可以避开树枝等障碍物，为了避免采摘过程中对果实的伤害，可以再末端执行器中加入压力传感器（佟玲等，1996）。目前，世界各国已经投入实际应用的有黄瓜采摘机器人、柑橘采摘机器人、葡萄采摘机器人、番茄收摘机器人、西瓜收获机器人等。
1.2.1 国外农业机器人发展状况
近些年，国外农业机器人发展非常迅速。自从第一台西红柿采摘机器人1983 年在美国诞生至今，采摘机器人的研究和开发近三十年来，日本和欧美其他国家相继开展对苹果、柑桔、西红柿、西瓜和葡萄等智能采摘机器人的研究。
美国：美国作为世界农业生产大国，其农业机器人技术发展速度很快。美国具有成熟的行走式农业机器人理论技术，这些归因于自身发达的科学技术、广阔的领土、较高的农业机械化程度。在2004年，世界农业博览会在美国加利福尼亚州图莱里开幕，该次农业博览会上美国加利福尼亚西红柿机械公司展出两台全自动西红柿采摘机。西红柿采摘机首先将西红柿连枝带叶割倒后卷入分选仓，仓内具有能够识别红色的光谱分选设备，可以对红色的西红柿进行挑选，并将其通过输送带送入随行卡车的货舱内，未成熟的西红柿连同枝叶一道被粉碎,喷撒在田里作肥料。在西红柿单位面积产量有保证的前提下，这种长12.5m、宽4.3m 的西红柿采摘机的效率为每分钟可采摘一吨多西红柿，每小时可采摘70吨西红柿（徐崇庶，1998）。
日本：日本的农业机器人技术发展最为成熟，其很大原因是由日本本身的自然资源条件决定的。日本的自然条件表现为土地资源贫乏、劳动力不足、人口密度大、多山地，因此需要大力发展温室作业。但是温室内的温度高、湿度大、不适于长时间工作，因此日本必须选择机械化和自动化相结合的农业发展方向来为弥补劳动力与土地资源不足并改善劳动环境。其农药喷洒机器人、施肥机器人、嫁接机器人、育苗机器人、番茄采摘机器人、黄瓜采摘机器人和葡萄采摘机器人等理论与应用都居世界前列（徐崇庶，1998）。日本Kondo-N等人研制的黄瓜采摘机器人采用六自由度的机械手，这种机械手可以在倾斜棚支架下工作。黄瓜的栽培方式专门为机械化采摘而设计。为了使检测与采摘更容易，黄瓜果实在倾斜棚的下侧，便于黄瓜与茎叶分离。在摄像机前加了滤波片，根据黄瓜的光谱反射特性来识别黄瓜。其末端执行器上装有果梗探测器、切割器和机械手指。采摘时，当机械手指抓住黄瓜后，由果梗探测器寻找果梗，然后由切割器切断果梗。Kondo-N 等人还研制出草莓采摘机器人。草莓具有两种不同的栽培模式，即高架栽培模式和传统模式。其中高架栽培模式因适合机器人作业而得到越来越多的应用。该机器人采用五自由度采摘机械手，末端执行器采用真空系统加螺旋加速切割器，视觉系统与西红柿采摘机器人类似。收获时，由视觉系统计算采摘目标的空间位置，接着采摘机械手移动到预定位置，末端执行器向下移动并把草莓吸入；草莓的位置由三对光电开关检测，当草莓位于合适的位置时，腕关节移动，果梗进入指定位置，由螺旋加速驱动切割器旋转切断果梗，完成采摘工作。
英国：Silsoe 研究所开发的挤奶机器人，装有用激光和摄像机视觉导向的气动“软”机器人臂, 用于放置吸奶杯并清洁和干燥挤奶部位，也可对奶牛乳房的1 /4 部位进行挤奶。它可每天24小时对40头奶牛进行监控和挤扔，并自动对奶牛状态进行监控和数据收集，使奶牛以更接近自然状态的生活周期进食、休息和产奶，最大限度地减少人为干扰，从而提高挤奶效率并改善奶牛健康状况(Spencer S，1999)。
1.2.2 国内农业机器人发展状况
国内在20 世纪90 年代中期开始农业机器人的研究，相对于发达国家来说起步较晚。由于我国的土地具有多样性，主要表现为：山地和丘陵较多，平原地带面积相对也较大。这就决定了发展农业的多样性。我国的一些地区已经开展了大型机械化，并且一些地区在农业生产方面也应开展了关于农业机器人的技术研究和开发，促进了我国现代化农业的进程。我国自身的现代机械化基础薄弱，在“七五”计划时才把机器人列入国家重点科研
规划
污水管网监理规划下载职业规划大学生职业规划个人职业规划职业规划论文
内容，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。随着近三十多年的发展，我国也陆续建立了机器人基础体系，许多科研机构和高等院校也相应开展农业机器人的研究，培养了大批专业人才，研制了很多具有不同特点和用途的农业机器人（朱力，2003）。
与此同时，农业机器人的发展也具有一定的局限性。首先是昂贵的农业机器人价格，因此难以得到普及应用。虽然提高农业生产水平是我国的基本国策之一，并且我国多年来一直在加快农业机械化的进程，一定程度上实现了农业生产设备的机械化，但是我国相对于发达国家在机械技术上的投资比重很低，而且技术研发阶段成本也很高，成熟的技术才会带来价格的降低。因此说更多研发资金的投入是农业机器人技术完善和发展的根本保障。其次是农业生产单位的不同，目前我国主要还是以家庭为单位，生产主体本身的劳动素质不高，具有高技术含量的农业机器人不能很快地被接受。同时家庭式的劳动单元也决定了生产作业量的局限性。农业机器人的价值只有在大规模的劳动生产中才能充分发挥出来。最后是我国多样性的土地结构决定了多样化的农业机器人，来适应我国多样的农业工作环境（戴乃昌，2009）。
我国果蔬采摘机器人的研究已然取得一定的进展。林木球果采摘机器人的应用有望克服我国森林资源的危机，提高我国的森林资源利用率。该林木球果采摘机器人是东北林业大学陆怀民研制的。主要由5个自由度机械手、行走机构、液压驱动系统和单片机控制系统组成。林木球果采摘机器人利用单片机控制系统控制机械手臂完成采摘。这种机器人的效率是500kg/d, 是人工的30～50倍。具有破坏较小，采净率相对高的采摘特点（陆怀民，2001）。
另外，曹其新等运用彩色图像处理技术和神经网络理论，开发了草莓拣选机器人，采用气动驱动器将草莓推到不同的等级方向（曹其新等，1999）。周云山等研究了蘑菇采摘机器人。该系统主要由传送带、摄像机、采摘机器手、三自由度气动伺服机构、机器手抓取控制系统和计算机等组成。为了防止执行不准确、抓取不到位或者蘑菇形态破损等现象，蘑菇采摘机器人加入了计算机视觉系统，这样就提供了蘑菇的形态信息，并能够引导机器手准确抵达蘑菇的中心位置（周云山等，1995）。
中国农业大学率先研制成功自动插接法、自动旋切贴合法嫁接技术，实现了蔬菜幼苗嫁接的精确定位、快速抓取、良好切削。操作者只需把砧木和穗木放到相应供苗台上，机器人能完成砧木、穗木的取苗、切苗、接合等嫁接过程的自动化作业，嫁接速度达到每小时600棵，成功率95%以上，促进了果蔬生产规模化、产业化（张铁中等，1999）。中国农业大学张铁中等在草莓、黄瓜、西红柿、茄子等果蔬采摘机器人方面做了较深入地研究，并研制出了一些试验样机（袁国勇，2006）。2004年, 我国发明的首款挤奶机器人被应用于蒙牛澳亚示范牧场。机器人式、转盘式等现代化挤奶平台都在牧场挤奶示范区进行展示，其中转盘式平台单次可同时对60头奶牛进行挤奶，是目前我国最大的挤奶机(田素博，2007)。
我国农业机器人的应用和推广有待于引起更高的重视和投入更高的研发资金，针对我国土地结构的多样性等因素克服当前的局限性，并且提高已研制出的农业机器人的性能，研发制造出能够适应我国国情和不同作业条件的农业机器人，提高我国当前的农业生产水平，从而加快我国实现农业现代化的进程。
1.3 论文研究的目的和意义
随着科学技术日新月异的发展和农业生产模式的改变，农业机器人在农业生产中得到了更为广泛的应用。农业生产的季节性、多样性、复杂性等因素要求农业机器人的性价比和智能化必须得到相应的提高，这就成为了影响农业机器人研究应用的瓶颈问题。为了解决目前农业机器人存在的通用性差、成本高、智能化程度较低的问题，开放式结构控制器在农业机器人的控制系统得到了应用，投入到农业机器人的科研中具有实际应用价值，进而缩短我国与国际先进水平的差距（崔勇，2008）。农业机器人在经济和技术方面存在特殊性，目前尚未得到广泛应用于研制，因此农业机器人技术远不如工业机器人技术发展得成熟，伴随着逐步出现的农业劳动力不足以及农业生产向规模化、多样化、精确化的发展方向的问题，可以预计，随着日益成熟的农业工程技术和农业现代化技术的不断发展，农业机器人将逐步并更大力度的投入到农业生产中（宋健等，2005）。
目前，机器人在新兴领域中的发展并不断壮大，农业机器人具有极大的研发潜力，采摘机器人研究工作中应用了人机协作和开放式结构的思想，因此采摘机器人作为农业机器人的重要应用在不久的将来会越来越多地应用于农业生产中。采摘机器人为了向大规模、多种类以及更为精确的方向发展必须能够准确地进行成熟果实的识别和定位，从而引导末端执行器准确接近目标进行采摘作业，而末端执行器要求研制灵巧，具有不损伤果实的特性；此外采摘机器人的行走机构的设计必须能够适应复杂的环境；视觉系统对于果实的识别定位以及控制系统和机械手臂系统对果实的采摘要求迅速而准确。随着农业机器人技术的不断成熟，相信未来的几年，农业机器人定能克服了各种各样的工作问题，更好的服务于农业生产（刘长林，2008）。
1.4 论文的主要研究工作和内容
本文主要研究并设计了基于ATmega16的六自由度果实采摘机械手的控制系统，机械系统采用大谷公司生产的六自由度机械手，针对机械手的结构特点以及舵机的相关参数，抛弃了使用232串口通过PC机并利用VB软件对机械手控制的传统方法，对控制器的设计进行了优化，从而大大的增加了系统的移动灵活性。该控制器通过对舵机的角度控制带动整个机械手臂完成对果实的采摘工作。主要工作内容包括：
（1）对六自由度果实采摘机械手机械系统进行分析和研究；
（2）熟练掌握舵机控制原理，根据舵机特性拟定了舵机控制器的设计方案；
（3）利用AD6进行原理图和PCB板的设计并加工；
（4）对整个机械手硬件系统进行调试，并对机械手系统控制器软件程序进行调试和优化；
（5）对机械手位姿进行算法研究，确定了舵机角度与机械手六个关节坐标间的转换关系。
（6）进行系统控制器的控制调试实验，利用控制器对机械手进行实时控制操作。
1.5 本章小节
本章首先介绍了当前国内外农业机器人的发展现状，分析了我国农业机器人的发展趋势。随后阐述了本课题研究的目的、意义，最后提出了本文的研究工作和内容。
2机械手控制方法的研究
舵机是组成机械手的最重要组成部件，实现整个机械手臂的控制的实质就是对六个微型伺服直流电机的控制，以舵机的转动即机械手臂关节的转动作为动力源，来带动整个手臂支架完成机械手在一定空间范围内对果实的采摘工作，下面对微型伺服直流电机的工作原理和结构组成进行分析和研究。
2.1 微型伺服直流电机的工作原理
微型伺服电机的工作原理是一个比较简单的过程，因为单个微型伺服直流电机是一个典型闭环反馈系统，其原理如图2-1所示。
图2-1微型伺服直流电机工作原理图
Fig.2-1 Schematic diagram of miniature DC servo motor
对工作原理图进行说明：控制脉冲通过控制电路传送到直流电机部分，然后变速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。例如：当输入一个周期性的正向脉冲信号时，它的高电平时间持续在1ms～2ms，低电平时间持续在5ms～20ms。一个典型的信号如图2-2所示。
图2-2脉冲信号图
Fig.2-2 Map of pulse
经以上示例脉冲信号图分析知：变速原理是根据PWM脉宽调速。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动（王超炎，2007）。即当输入脉宽小于1.5ms时电机逆时针旋转，输入脉宽等于1.5ms时电机停止，脉宽大于1.5ms时电机顺时针旋转。
图2-3所示为一个典型的20ms周期脉冲的正脉冲宽度与微型伺服电机的输出位置关系。舵机转动角度范围0～180度，通过周期为20ms的PWM信号控制。PWM信号高电平持续时间在0.5～2.5ms之间，舵机输出臂在0°到180°之间变化，即高电平的持续时间决定了舵机的角度。例如高电平为0.5ms时，舵机将转到0度；高电平为1.5ms时，舵机将转到90度；高电平为2.5ms时，舵机将转到180度。
图2-3脉冲宽度与伺服电机输出位置关系示意图
Fig.2-3 Relations of pulse width and servo output location
2.2 微型伺服直流电机内部结构
微型伺服直流电机也称舵机，早期主要用于模型飞机控制，近年来机器人研究事业发展迅速，舵机也越来越多地被应用于机器人领域。近几年，舵机的技术发展是非常迅速的，更小的体积、更高的速度、更大的扭力，这些都是舵机发展的方向。舵机具有控制简单、输出力矩大、输出角度精确、工作电压低、标准模块化等优点，非常适合于小型机器人的制作。
舵机的物理原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器反馈信号，判断是否己经到达定位。位置检测器实质就是可变电阻，当舵机转动时电阻值也会随之改变，藉由检测电阻值便可知转动的角度。一般的伺服马达是将细铜线缠绕在三极转子上，当电流流经线圈时便会产生磁场，与转子外围的磁铁产生排斥作用，进而产生转动的作用力。依据物理学原理，物体的转动惯量与质量成正比，因此要转动质量愈大的物体，所需的作用力也愈大。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体，形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置圆柱体内，这就是无核心马达（胡厦，2008）。
舵机一般有几种规格：标准舵机、小型舵机、微型舵机，微型伺服直流电机内部结构包括了一个小型直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器和一块电子控制板，结构如图2-4所示。其中，高速转动的直流电机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服电机的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量，但转动的速度也愈低（王超炎，2007）。
图2-4微型伺服直流电机内部结构图
Fig.2-4 Internal structure of micro servo DC motor
标准的微型伺服直流电机有三条控制线，分别是：电源线、控制线与地线。其中信号线一般为白色或黄色，正电源线为红色，负电源线为黑色。这里线路切勿接反，否则控制芯片容易烧坏。电源线和地线提供电机和控制线路的能源，电压为4V～6V，此电压应尽可能与处理器的电源隔离（因为伺服电机会产生一定的噪音和干扰），在伺服电机超过额定负载时还会拉低放大器的电压，所以这个系统的电源供应比例必须合理。
2.3 本章小结
本章首先对机械手的控制原理进行实质分析，归结于对舵机的控制。接下来介绍了微型伺服电机的工作原理并对输入正脉冲宽度与舵机正反转的角度关系进行了深入研究，最后对舵机的内部组成结构、物理学原理、和控制线进行了简要的介绍。
3六自由度机械手的机械系统
本论文实验使用的机械手是大谷公司生产的六自由度机械手，下面对机械手的总体结构、硬件结构进行简要的介绍以及对相关参数进行分析，从而为机械手控制器提供设计依据。
3.1 硬件系统的总体结构
大谷机械手机械系统的设计采用模块化的方法，将机械手划分为基座、手臂、手腕、手部四部分，每个部分通过伺服电机进行控制，并采用铝合金支架、螺丝、螺母进行连接和加固。机械手模块化设计如图3-1所示。
图3-1 模块化机械手
Fig.3-1 Physical structure of manipulator system
3.2 机械手的硬件结构组成
本实验的伺服机器手臂由底座、铝制合金结构支架和舵机组合而成。运动结构由基座的旋转部分、构成手臂的三个转动关节、手腕一个转动关节，以及手部的夹持部分构成。机械手由六个舵机驱动，机械手的基座和手臂的舵机工作电压为6V、扭力为13KG，手腕和手指控制部分的舵机工作电压为6V、扭力为1.8KG。
图3-2 机械手系统结构实物图
Fig.3-2 Physical structure of manipulator system
图3-2为机械手系统的组成结构，图示各部分说明如下：1、手部，功能为可以实现对成熟果实的果柄进行采摘； 2、手指夹持舵机，作用是控制手指指尖的间距，即0~5.4 cm；3、手腕转动电机，与人手腕相近，可以完成为0°~180°的转动； 4、5、6、7：皆为手臂控制电机，均可实现0°~180°的转动，整个手臂通过六个舵机的协同工作可以顺利完成对半球面范围内的果实采摘工作；8、底盘，对整个机械手配重，起到稳定重心的作用。
3.3 机械系统相关参数分析
为了合理的设计控制器，就必须对机械手和舵机相关的参数和做出比较详细的分析，图3-3为机械手的参数参考图，从图中可以得到机械手相关的尺寸参数，此外还对舵机重量、力矩、速度等其它相关参数进行了说明。
图3-3 机械手相关参数
Fig.3-3 Manipulator parameters
具体参数如下：
控制器工作电压/V：5
伺服电机工作电压/V：4.8-6
伺服电机工作电流/A：1.2-3
搬运负载/g：200-500
底盘外圆直径/mm：210
内圆直径/mm：170
底盘高度/mm：58
手臂总长度/mm：390
金属齿轮伺服电机尺寸/mm：40.4×19.8×36
金属齿轮伺服电机重量/g：48
金属齿轮伺服电机速度：1.22sec/60°
金属齿轮伺服电机输出力矩:13kg·cm
Micro STD 伺服电机尺寸/mm：28×14×29.8
Micro STD 伺服电机重量/g:18
Micro STD 伺服电机速度：1.13sec/60°
3.4 本章小节
六自由度机械手的机械系统划分为基座、手臂、手腕、手部四个模块，通过六个舵机完成整个机械手臂对果实的采摘工作；接下来通过实物图介绍了机械手硬件的八个组成部分，并对各个部分的功能作简要的介绍，最后对机械手系统相关部件的尺寸参数和舵机的相关参数进行了说明。
4六自由度果实采摘机械手控制系统的硬件设计
硬件控制系统是整个控制系统的物理基石，是实现采摘机械手整体控制必不可缺的一部分，机械手通过控制芯片获取控制信息，并对信息进行分析和处理，严格控制舵机的转动，进而带动整个手臂的执行机构的一系列动作，最后完成机械手臂在空间一定范围内的果实采摘工作。
机械手硬件控制系统主要由芯片控制模块、电源模块、键盘指令输入模块、液晶显示模块、舵机控制模块以及必需的晶振和复位电路组成。硬件系统构成如图4-1所示。
图4-1 系统硬件组成框图
Fig.4-1 Structure diagram of hardware system
该硬件系统中，选用ATmega16L芯片作为系统的控制芯片，实现信息处理和指令接受和发送的功能；电源模块为芯片和电机控制模块提供所需电压；液晶显示模块实时将6路舵机的状态进行显示；舵机控制模块实现了芯片与6路舵机之间的引脚的连接功能以及解决了舵机供电的问题；JTAG和ISP模块用于与PC机间进行通信，实现程序的烧写。
4.1 硬件开发工具与PCB设计方法
4.1.1 硬件开发工具AltiumDesigner08
设计中的EDA软件采用Altium 公司的AltiumDesigner08。AltiumDesigner08相对于AltiumDesigner6.0带来了一些有意义的新功能和增强功能，使得设计管理更加容易，拓展了FPGA设计。它是完全一体化电子产品开发系统的一个新版本，也是业界第一款也是唯一的一种完整的板级设计解决方案。AltiumDesigner6.0除了全面继承包括99SE，Protel2004 在内的先前一系列版本的功能和优点以外，还增加了许多改进和很多高端功能。
AltiumDesigner6.0 主要由以下四部分组成：
(1) 原理图设计系统（Schematics）：主要用于电路原理图的设计，相对直观的变现了电路的原理连接。
(2) 印制电路被设计系统（PCB）：该部分系统主要用于印制电路板的设计，印制电路板就是根据生成的PCB文件进行电路板加工生产的。
(3) FPGA系统：可根据它来进行可编程逻辑器件的设计，将设计完成后生成的熔丝文件烧录到逻辑器件中，就可以制作具备特定功能的元器件了。
(4) VHDL系统：主要用来进行硬件的编程工作。
4.1.2 PCB高可靠性设计原则
印制板设计要求做到以下四点：一、正确：准确实现电原理图的连接关系，避免出现“短路”和“断路”这两个简单而致命的错误；二、可靠：这是PCB 设计中较高一层的要求。连接正确的电路板不一定可靠性好。从可靠性的角度讲，结构越简单，使用面越小，板子层数越少，可靠性越高；三、合理：这是PCB 设计中更深一层，更不容易达到的要求。印制板的制造、检验、装配、调试到整机装配、调试，直到使用维修，无不与印制板的合理与否息息相关；四、经济：板材选低价，板子尺寸尽量小，连接用直焊导线，表面涂覆用最便宜的，选择价格最低的加工厂等等，印制板制造价格就会下降。
PCB布线原则：在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。
电源、地线的处理：对电源、地线的布线要认真对待，把电源、地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量；一般是在电源、地线之间加上去耦电容；尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线。
设计规则检查（DRC）：布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求。
4.2 芯片控制模块
芯片控制模块由芯片电路、复位电路和晶振电路组成，以下给出了各个电路的具体设计方案和相关功能介绍。
4.2.1 芯片电路
芯片是整个控制器电路的核心，机械手系统通过控制器获取指令从而完成机械手一系列相关的动作。本控制器设计中芯片采用ATMEL公司的ATmega16芯片，并将芯片所有引脚全部引出，从而方便的与外围扩展模块进行连接，芯片电路的设计如图4-2所示。
图4-2芯片电路原理图
Fig.4-2 Chip schematic
4.2.2 复位电路
由于ATmega16已经内置了上电复位设计，并且在熔丝位里，可以控制复位时的额外时间，故AVR的外部的复位电路可以设计得很简单：上电时，直接拉一只10K的电阻到VCC即可，为了可靠，再加上一只10uF的电容(C1)以消除干扰、杂波。
本系统设计的简单复位电路可以实现系统的上电复位和运行中的按键复位功能。并具有一定的抗干扰设计,程序在运行的过程中，有时会出现死循环和“乱飞”等情况，这时候为了保证程序能够正常运行，手动按键复位的设计可以解决此类问题的发生。 复位电路的设计如图4-3所示。
图4-3复位电路原理图
Fig.4-3 Reset schematic
4.2.3 晶振电路
晶振是电路中常用的时钟元件，全称是叫晶体震荡器，外部晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，晶振的提供的时钟频率越高，单片机的运行速度也就越快。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。旁路电容，有频率微调作用，两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者根本不起振，旁路电容的设计主要是让电路更容易起振。晶振电路的设计如图4-4所示。
图4-4晶振电路原理图
Fig.4-4 Crystal schematic
4.2.4 控制芯片的选取
目前国内外在机器人设计和研究中普遍采用微控制器、微处理器、数字信号处理器和片上系统作为机器人的控制部件。
(1) 微控制器
微控制器（MCU-Micro-Controller Unit）又称为单片机，以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watchdog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash、RAM等各种必要功能和外设。微控制器的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制。在现代社会中，微控制器可以应用在自动控制、智能仪表、数据采集系统和外部控制系统等。代表产品有Motorola公司的68HC05、68HC05系列，Microchip公司16C系列，Intel公司8051系列， Atmel公司AVR系列等。目前MCU占控制芯片系统约70％的市场份额。
(2) 微处理器
微处理器（MPU-Micro-Processor Unit）是由通用计算机中的CPU演变而来的，与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现应用的特殊要求，典型代表就是ARM处理器。它和工业控制计算机相比，具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的处理器类型有Am186/88、386EX、SC-400、Power PC、MIPS、ARM系列等。
(3) 数字信号处理器
数字信号处理器（DSP-Digital Signal Processor）是专门用于信号处理方面的处理器，它在系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。主要应用在数字滤波、FFT、谱线分析等方面，在机器人研究中也经常被用作控制芯片。目前最为广泛应用的嵌入式DSP处理器是TI的TMS320C2000/C5000系列，Intel的MCS-296和Siemens的TriCore系列等。
(4) 片上系统
片上系统（SOC-System On Chip）是指的是在单个芯片上集成一个完整的系统，对所有或部分必要的电子电路进行包分组的技术。所谓完整的系统一般包括中央处理器（CPU）、存储器、以及外围电路等。SOC可以分为通用和专用两类：通用系列包括Infineon（Siemens）的TriCore，Motorola的M-Core，Echelon和Motorola联合研制的Neuron芯片等。专用SOC一般专用于某个或某类系统中，代表性的产品是Philips公司的Smart XA。
因此，需要选用一种控制方法简单，能耗低、性价比高的芯片作为控制器，在比较了其他类型的控制器后，选用Atmel公司的AVR系列微控制器ATmega16L作为核心芯片，完成机器人控制系统的设计。在本机器人控制系统设计中，控制芯片需要完成以下的工作：承担程序的储存与运行；产生时钟脉冲，控制程序的中断；接受键盘指令输入的信息；并进行指令的输出；对舵机模块进行控制，控制电机的转向和转角的大小。
4.2.5 ATmega16的特性与引脚功能
ATmega16是AVR公司推出的基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS的高性能微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega16l具有以下几个方面的特性：
先进的RISC 结构：131条指令，大多数指令执行时间为单个时钟周期；32个8位通用工作寄存器；全静态工作；工作于16MHz 时性能高达16MIPS；只需两个时钟周期的硬件乘法器。
非易失性程序和数据存储器：16K字节的系统内可编程Flash；具有独立锁定位的可选Boot代码区；512字节的EEPROM；1K字节的片内SRAM；可以对锁定位进行编程以实现用户程序的加密。
JTAG接口( 与IEEE1149.1标准兼容)：符合JTAG标准的边界扫描功能；支持扩展的片内调试功能；通过JTAG接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。
I/O 和封装：32个可编程的I/O口；40引脚PDIP封装，44 引脚TQFP封装，与44 引脚MLF封装。
外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器；一个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器；具有独立振荡器的实时计数器RTC；四通道PWM；8路10 位ADC。
面向字节的两线接口；两个可编程的串行USART；可工作于主机/从机模式的SPI串行接口；具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。
工作电压:ATmega16L：2.7—5.5V；ATmega16：4.5—5.5V。
Atmega16具有以下3种类型的封装40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装；本论文采用的是40引脚PDIP 封装，其引脚图如图4-5所示。
图4-5 ATmega16l引脚图
Fig.4-5 Pin of ATmega16l
各引脚功能为：
（1）VCC：数字电路的电源。
（2）GND：地。
（3）端口A(PA7-PA0)：端口A为A/D转换器的模拟输入端。端口A为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口A处于高阻状态。
（4）端口B(PB7-PB0)：端口B为8 位双向I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口B处于高阻状态。端口B也可以用做其他不同的特殊功能。
（5）端口C(PC7-PC0) ：端口C为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C处于高阻状态。如果JTAG接口使能，即使复位出现引脚PC5(TDI)、PC3(TMS)与PC2(TCK)的上拉电阻被激活。端口C也可以用做其他不同的特殊功能。
（6）端口D(PD7-PD0)：端口D为8位双向I/O口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口D处于高阻状态。端口D也可以用做其他不同的特殊功能。
（7）RESET：复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。
（8）XTAL1：反向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。
（9）XTAL2：反向振荡放大器的输出端。
（10）AVCC：端口A与A/D转换器的电源。不使用ADC时，该引脚应直接与VCC连接。使用ADC时应通过一个低通滤波器与VCC连接。
（11）AREF：A/D的模拟基准输入引脚。
4.3 电源模块
电源使用5V直流电源为芯片模块和舵机驱动模块供电，为了使用简单方便设计了双插针式供电电路，通过开关S0开控制电源的供应，并且设计了发光二极管来监视电源的情况，其中1K电阻起到对发光二极管的保护作用，并且引出了两个双插针式电源接口从而实现方便为其他外围模块电路提供电源。电源电路的设计如图4-6所示。
图4-6电源电路原理图
Fig.4-6 Power circuit schematic
4.4 键盘指令输入模块
指令的输入采用矩阵键盘的方式，本实验板设计了4×4矩阵键盘来实现对舵机的控制。按键采用4个引脚的轻触开关，规格为6.0×6.0×5.0mm，它是一种电子开关，使用时轻轻点按开关按钮就可使开关接通，当松开手时开关既断开，其内部结构是靠金属弹片受力弹动来实现通断的。使用时距离较远的两脚短接即可，四角是为了焊接的更稳固，本电路板的设计使用的是按键下排的2个引脚，矩阵键盘模块接口设计了插针的方式，这样方便了系统功能的扩展。键盘电路的设计如图4-7所示。
图4-7 键盘扫描电路原理图
Fig.4-7 Keyboard scanning schematic
4.5 液晶显示模块
控制器为了方便与12864液晶显示屏进行连接，电路板设计了与液晶屏通信的接口，同样出于系统功能的扩展和芯片间通讯的目的。
为了实现对6路舵机的显示：本设计采用JM12864F液晶屏。带中文字库的128×64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64，内置8192个16×16点汉字，和128个16×8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。
基本特性：
低电源电压：VDD为 +3.0V ~ +5.5V。
显示分辨率：128×64点。
内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)。
内置128个16×8点阵字符。
2MHZ时钟频率。
显示方式：STN、半透、正显。
驱动方式：1/32 DUTY，1/5 BIAS。
视角方向：6点。
背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5 ~ 1/10。
通讯方式：串行、并口可选。
内置DC-DC转换电路，无需外加负压。
无需片选信号，简化软件设计。
工作温度： 0℃ ~ +55℃。
存储温度: -20℃ ~ +60℃。
JM12864M的引脚说明见表4-1。
表4-1 JM12864M引脚说明
Tab.4-1 Pins description of JM12864M
引脚
引脚名称
方 向
功 能 说 明
1
VSS
—
模块的电源地
2
VDD
+5V
模块的电源正端
3
V0
—
LCD驱动电压输入端
4
RS(CS)
H/L
并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号
5
R/W(SID)
H/L
并行的读写选择信号；串行的数据口
6
E(CLK)
H/L
并行的使能信号；串行的同步时钟
7
DB0
H/L
数据0
8
DB1
H/L
数据1
9
DB2
H/L
数据2
10
DB3
H/L
数据3
11
DB4
H/L
数据4
12
DB5
H/L
数据5
13
DB6
H/L
数据6
14
DB7
H/L
数据7
15
PSB
H/L
并/串行接口选择：H-并行；L-串行
16
NC
空脚
17
RESET
H/L
复位 低电平有效
18
NC
空脚
19
LED_A
（LED+5V）
背光源正极
20
LED_K
（LED-OV）
背光源负极
4.6 舵机驱动模块
目前在机器人设计中常用的驱动手段有：
（1）电气驱动：如步进电机、直流伺服电机、无刷伺服电机等。
（2）液压驱动器：如电磁伺服阀、摆动油缸、液压伺服马达等。
（3）气压驱动器：如直线气缸、螺旋气动马达等。
（4）其他新型驱动器：如形状记忆合金、人工肌肉、压电效应驱动器等。
机械手的驱动部分是直流伺服电机，机械手的运动是通过六个微型直流伺服电机带动机械手臂的金属支架的运动来实现的，因此舵机控制也成为实验的核心内容，舵机的硬件连接接口的设计十分简单，舵机的结构原理和控制原理见下章介绍，下图中舵机接口的目的设计是为了与舵机的三根控制线进行连接。舵机驱动模块的设计如图4-8所示。
图4-8 舵机接口电路原理图
Fig.4-8 Servo interface schematic
4.7 程序下载模块
为了实现多方式的程序烧录功能，电路板设计了ISP和JTAG两种下载电路，下载方式可任选其一，下面对两种下载电路作简要介绍。
4.7.1 JTAG下载电路
JTAG是一个通信标准，用于计算机和单片机进行实时快速通讯。AVR 的JTAG功能使得AVR的调试工作非常简单，可以通过JTAG 接口对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位进行编程。使用AVR studio软件和JTAG硬件可以进行程序下载和程序在线调试。
JTAG接口有四个引脚。以JTAG的术语来说，这些引脚组成了测试访问端口TAP。这些引脚是：
TMS：测试模式选择。此引脚用来实现TAP 控制器各个状态之间的切换。
TCK：测试时钟。JTAG 操作是与TCK 同步的。
TDI： 测试数据输入。需要移位到指令寄存器或数据寄存器的串行输入数据。
TDO：测试数据输出。自指令寄存器或数据寄存器串行移出的数据。
JTAG电路接口原理图如图4-9。
图4-9 JTAG下载电路原理图
Fig.4-9 JTAG downloading schematic
4.7.2 ISP下载电路
ISP是一种通用的程序下载方式，AVR单片机都有ISP下载接口。可以通过ISP下载线或者STK500把程序下载到单片机中。本实验的ISP下载线为并口ISP下载线。与JTAG区别为：JTAG可以调试程序，而ISP只能下载程序。两者联系为：同作为AVR程序下载工具，都能把程序从电脑下载到单片机中。都能对芯片的熔丝位和锁定位进行编程。ISP电路接口原理图如图4-10所示。
图4-10 ISP下载电路原理图
Fig.4-10 ISP downloading schematic
4.8 本章小节
本章主要对机械手控制器硬件系统进行了分析设计。首先对EDA软件进行简要介绍并概括了PCB的设计原则，随后介绍了芯片的选择、ATmega16的特性与引脚功能，最后对组成控制系统的各个模块的原理图进行设计及对模块功能进行了说明。
5 六自由度果实采摘机械手控制系统的软件设计
机械手控制系统中，系统软件的设计与硬件设计同样重要，在硬件设计达到了要求的前提下，软件的设计将与硬件电路密切配合，实现对六自由度果实采摘机械手的控制。
考虑到整个系统由微处理器协调和运转，所以采用C语言对其单片机进行软件开发，用C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进和扩充。C语言是一种结构化的程序设计语言，它提供了十分丰富的程序控制语句，利用C语言实现数字滤波等高级算法简单易读。
5.1系统软件的选择
首先，在ICCAVR软件下对程序进行编译和调试，然后通过AVRSTUDIO软件将程序下载到机械手控制器控制芯片中，实现对六自由度果实采摘机械手的脱机控制。
5.1.1 编译软件ICCAVR
在对程序的编写中要使用编译环境对程序进行编译，AVR的集成开发环境种类比较多，如WINAVR、ICCAVR、IAR、BASCOM-AVR、Code Vision AVR等。本设计采用ICCAVR编译环境。ICCAVR 是一种使用符合 ANSI 标准的C语言来开发微控制器 MCU程序的一个工具，其特点为：①ICCAVR是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（IDE）；②源文件全部被组织到工程之中，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成，错误显示在状态窗口中，并且当点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行；③工程管理器还能直接生成可以直接使用的INTEL HEX格式文件，该格式的文件可被大多数编程器所支持，用于下载到芯片中；④ICCAVR是一个32位的程序支持长文件名。
5.1.2 程序下载软件AVR Studio
ATMEL AVR Studio集成开发环境(IDE)，包括了AVR Assembler编译器、AVR Studio调试器、支持芯片下载编程功能，AVR Studio支持以下开发工具：AVRISP MKII、JTAGICE MKII、AVR Dragon、JTAGICE、AVRISP、STK500/501/502/503/504/505/520、ICE50、ICE40、ICE200。
AVR Studio主要功能包括以下几项：编写、编译汇编工程项目；使用STK500、JTAG或JTAG MKII下载；仿真调试，可以使用软件仿真、JTAG仿真或 JTAG MKII仿真三种方式。
5.2 机械手软件设计总体方案
主程序时整个控制系统的灵魂，主程序能够有机地调用各个子程序，使他们形成一个紧密联系的整体，控制各个模块有条不紊的执行操作命令。主程序总体设计流程包括系统初始化、键盘检测和扫描、液晶屏显示、舵机控制等模块。系统主程序流程图如图5-1所示。
图5-1 主程序流程图
Fig.5-1 Main program flow chart
5.2.1 系统初始化
系统的初始化包括I/O口寄存器初始化、12864液晶屏初始内容、数据、指令的初始化、 键盘检测与扫描的初始化等。
首先对ATmega16L芯片I/O口进行了初始化设置，端口的初始化主要对端口的I/O类型以及输出高低电平进行设置，其中PA口连接矩阵键盘，对键盘的输入进行检测；PB口低3位对12864液晶屏的使能端、数据指令进行控制；PC口连接JTAG下载器，全部引脚设置为输出；PD口的低六位对舵机控制模块进行指令的输出，以及对12864液晶屏的使能端、数据指令引脚进行控制。
然后对12864液晶屏初始内容、数据/指令的初始化，液晶的初始化包括基本指令集功能设定、整体显示开，游标，位置开、光标设置，读或写一个字符后，地址指针加一，光标加一，整屏不移动以及清屏等设计。
接下来进行定时器0的初始化：包括对定时器模式的选择、对计数初值和匹配值进行设定、以及开启中断使能。
//Time0 初始化
void Init_T0()
{
TCCR0 = 0x02; // 8M晶振 普通模式 8分频
TCNT0 = 0xCD; //计数初值设置
TIMSK = 0x01; // 溢出中断使能
5.2.2 键盘扫描和检测
矩阵键盘检测原理：采用行扫描法，又称逐行扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。在本实验中键盘检测方法如下：
首先、判断键盘中有无按键按下，将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则无按键按下。
最后、判断闭合键所在的位置，在确认有按键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
5.2.3 液晶显示
本实验液晶显示采用12864液晶显示屏，用以对舵机的状态进行实时显示。
液晶显示原理：12864点阵液晶显示模块（LCM）就是由128×64个液晶显示点组成的一个128列、64行的阵列。每个显示点对应一位二进制数，1表示亮，0表示灭。存储这些点阵信息的RAM称为显示数据存储器。要显示某个图形或汉字就是将相应的点阵信息写入到相应的存储单元中。
12864LCD有并行和串行两种数据传送方式，本实验采用串行方式。
串行数据传送共分三个字节完成：
第一字节：串口控制—格式为11111AB0
其中A 为数据传送方向控制，H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD。 B为数据类型选择，H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令。
第二字节：(并行)8 位数据的高4位，格式如时序图所示。
第三字节：(并行)8 位数据的低4位，格式如下时序图。
串行接口时序参数如下：(测试条件：T=25 ℃，VDD=4.5V)
图5-2 串行连接时序图
Fig.5-2 Serial connection timing diagram
5.2.4 舵机控制
舵机的软件控制方法具体要使用AVR单片机中断的概念，更为具体的是使用定时器中断。
中断的概念：CPU在处理某一事件A时，发生了另一事件B请求CPU迅速去处理（中断发生）；CPU暂时中断当前的工作，转去处理事件B（中断响应和中断服务）；待CPU将事件B处理完毕后，再回到原来事件A被中断的地方继续处理事件A（中断返回），这一过程称为中断。
对舵机的控制采用定时器的方式，AVR定时器共有三个，其中定时器0和定时器2是8位定时器，定时器1是16位的。定时器分5种工作类型：普通模式、CTC模式、快速PWM模式、相位修正PWM模式、相位与频率修正PWM模式。
普通模式：跟51的普通模式类似，采用内部计数时钟 或采用外部计数脉冲输入用于计数或测频。
CTC模式：即比较匹配时清零定时器模式，其特点为：用于输出50%占空比的方波信号或者用于产生准确的连续定时信号。
计算公式：
（5-1）
式中
为CTC模式下的频率
为晶振频率
n代表预分频因子(1、8、32、64、256、1024)
top为计数上限值
快速PWM模式：单斜波计数，用于输出高频率的PWM信号(比双斜波的高一倍频率) 。
计算公式：
（5-2）
式中
为输出PWM频率
为晶振频率
n代表预分频因子(1、8、32、64、256、1024)
top为计数上限值
相位修正PWM模式：双斜波计数，用于输出高精度的，相位准确的，对称的PWM信号，可以输出0%~100%占空比的PWM信号。
相位与频率修正模式：若要在T/C 运行时改变TOP 值，最好用相位与频率修正模式代替相位修正模式。若TOP保持不变，那么这两种工作模式实际没有区别。
计算公式：
（5-3）
式中
为相位与频率修正模式下的输出频率
为晶振频率
n代表预分频因子(1、8、32、64、256、1024)
top为计数上限值
相位与频率修正PWM模式：双斜波计数，用于输出高精度的、相位与频率都准确的PWM波形 ，相频修正PWM模式与相位修正PWM模式的主要区别在于OCR1x 寄存器的更新时间，可以输出0%~100%占空比的PWM信号
计算公式：
（5-4）
式中，变量
为相位与频率修正模式下的输出频率
为晶振频率
n代表预分频因子(1、8、32、64、256、1024)
top为计数上限值
对单个舵机或者是舵机相对较少的控制可采取PWM模式，相位修正PWM模式具体方法是首先对T/C1控制寄存器A和控制寄存器B进行配置，需要严格对舵机的周期进行设置，即周期为20ms；通过公式（5-5）用来确定周期为20ms时的T/C1控制寄存器A上限值（即OCR1A），通过公式（5-6）用来确定给定不同高电平时间（即单次按键）伺服电转角的所需设定的T/C1控制寄存器B值（即OCR1B）；其中
为晶振频率，n取64分频，OCR1A作为比较匹配上限值，OCR1B作为舵机信号线信号的输出值。
（5-5）
（5-6）
式中
为输出PWM频率
为晶振频率
N取64，为分频数
OCR1A，OCR1B为计数上限值
由于机械手中包括六个舵机，PWM方式不适
合同
劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载
时控制数目较多的电机（AVR单片机共有4路PWM输出），所以采取普通模式来控制脉冲的长度。程序流程图如5-3所示：
图5-3 定时器控制程序流程图
Fig.5-3 Timer control program flow chart
周期值为舵机输出臂达到最大转角的位置值，超过该值后舵机会保持最大转角并锁定，故达到该值时作清零处理，标定值为舵机角度的定位值，达到该值时舵机保持该角度并锁定。
5.3 本章小结
继前几章对六自由度果实采摘机械手的机械结构以及控制器电路进行了分析和设计，本章对机器人软件系统进行了设计和分析，分别对系统初始化、键盘检测、液晶显示程和舵机控制部分进行了分析和编程，最后将程序载到机械手臂控制器芯片中进行软件调试。
6 系统调试与实验分析
系统的调试分为硬件调试和软件调试，单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段。
6.1 硬件调试
硬件的调试首先要进行静态的调试。目的是排除各种故障，大致分为三步：
首先，要排除逻辑故障。这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将加工的印制板认真对照原理图，看两者是否一致。应特别注意电源系统检查，以防止电源短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总线、数据总线和控制总线）是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。必要时利用数字万用表的短路测试功能，可以缩短排错时间。
其次，排除元器件失效。造成这类错误的原因有两个：一个是元器件早已损坏；另一个是由于安装错误，造成器件烧坏。可以采取检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后，用替换方法排除错误。
最后，排除电源故障。在通电前，一定要检查电源电压的幅值和极性，否则很容易造成集成块损坏。加电后检查各插件上引脚的电位，一般先检查VCC与GND之间电位，若在5V～4.8V之间属正常。若有高压，联机仿真器调试时，将会损坏仿真器等，有时会使应用系统中的集成块发热损坏。
静态调试完成后接下来要上电后进行联机仿真调试，分别对显示模块，键盘控制模块，舵机驱动模块进行逐步调试，各个模块功能调试完成后再进行联合调试。
结合本文，首先要对整个控制板的进行检查，包括通过电源指示灯确认电源的接入，JTAG线与PC口的连接，芯片模块与显示模块、键盘模块、舵机驱动模块的连接是否正常等。整板接口检查完毕后首先要进行液晶显示调试，键盘调试一般在显示调试通过后进行调试，键盘调试就比较简单，完全可以借助于显示屏，利用程序进行调试。利用开发装置对程序进行设置断点，通过断点可以检查程序在断点前后的键值变化，这样可知键盘工作是否正常。然后对舵机进行调试以确定舵机是否处于正常工作状态。
6.2 软件调试
软件调试是指计算机软件把编译好的程序通过串行口、并行口或者USB口传输到硬件调试设备仿真器中，仿真器可以接入实际的电路中，然后与单片机一样执行。这样 就可以在软件里看到真实的执行情况。不仅如此，还可以通过计算机断的软件实现单步、全速、运行到光标的常规调试手段。
调试的连接框架图如下所示。
图6-1 调试的连接框图
Fig.6-1 The frame of debugging
本实验使用AVR串口仿真器通过ICCAVR软件在C语言环境下调试。程序调试完毕后，使用AVR STUDIO软件将程序下载到芯片中。
过以上调试以及将程序烧写到微处理器，进行控制器对机械手的控制，通过实验验证了硬件电路设计和软件编写的可行性和正确性。
6.3 机械手控制实验
首先、将控制器与机械手进行连接，将LCD连接到控制器，并且将电源接入控制芯片与舵机控制模块，在完成硬件调试和软件调试后，接下来进行机械手系统控制实验。
实验中，对机械手的操作方式为矩阵键盘的控制方式，矩阵键盘的功能说明如下：
图6-2 矩阵键盘示意图
Fig.6-2 Matrix keyboard diagram
按键功能说明如下：
K1-K6为1-6路舵机选择和确定键。
K7、K8闲置。
K9舵机角度增加20°，K10舵机角度减小20°，用于舵机角度的粗调。
K11舵机角度增加10°，K12舵机角度减小10°，用于舵机角度的中调。
K13舵机角度增加5°，K14舵机角度减小5°，用于舵机角度的微调。
K15、K16闲置。
执行键盘操作完毕，舵机按照键盘输入指令执行相应角度值的改变，进而带动机械手臂完成空间范围内位姿的变化，同时12864液晶屏对舵机的状态进行实时显示，用以确保舵机角度输入的准确性。
通过以上实验操作，完成了整个机械手系统的控制流程，满足了预期的控制要求，实现了预期的控制目的。
6.4 本章小节
本章首先介绍了系统控制器的硬件调试和软件调试，然后，进行了系统的整体调试，控制方法为键盘输入指令控制，并对按键控制功能进行了相应介绍，通过实验调试结果验证，证明本系统的设计是合理的，且能满足对六自由度机械手的精确控制要求。
7 机械手位姿分析
机械手的位姿分析：机械手的空间姿态与手臂的全部关节的坐标是相互对应的，给出三维空间机械手各个关节（即电机）的坐标即可确定机械手的空间位姿，因为机械手具备六个自由度，因此确定六个舵机的坐标即可确定机械手的位姿，而六个舵机的坐标决定因素是关节间的长度和六个电机的角度，其中关节间的长度为常量，舵机旋转角度为变量。因此，本章的目的是找出三维空间内六个关节的坐标与舵机角度的关系。
具体分析计算过程如下：
图7-1位姿分析图
Fig.7-1 Single joint posture analysis diagram
如图7-1所示，原点O为底盘上2号电机的轴中心，
为机械手臂的第一部分长度，a为3号舵机，a′为a点在底盘的投影，
为
与底面投影的夹角，
为底面投影与X轴的夹角对其进行以下分析：
因为采用二号舵机为坐标原点（0，0，0），故一号舵机的坐标为（0，0，
）
在地面的投影长度为
，在X，Y，Z轴的投影长度分别为
，
，
。
因此三号电机即a点的坐标为：（
，
，
）
图7-2 多关节位姿分析图
Fig.7-2 Multi-joint posture analysis diagram
如图7-2所示，为多关节位姿分析图，图中a、b、c、d分别为3-6号舵机，
、
、
、
分别为机械手臂相邻关节间铝合金支架的长度，
、
、
分别为 4、5、6号舵机到2号舵机的直线距离，
-
,
-
夹角定义如图所示。
由图7-2得：
因此、四号电机 b点坐标为：
（
，
，
）
在△OAB中，由内角和为180°原理：
=180°得到
=
由图7-2得：
因此、五号电机c点坐标为：
（
，
，
）
同理，由图7-2得：
因此，六号电机d点坐标为：
（
，
，
）
由此，经计算分析得出六个舵机的三维坐标皆为关于舵机角度的函数，从而确定了二者间的转换关系，因此本章得出了以下结论：机械手的空间位姿完全可以由六路舵机的角度进行表示，从而为实验提供了理论依据。
8 结论
农业机器人是目前国内外研究的热点课题，它综合了农业信息、机械、电子、传感器、材料、控制理论、计算机、信息处理等多门学科。农业机器人的研究无疑对促进科技的发展和人类进程有重大的现实意义。将高效的微控制器与机器人技术的结合，是当今科技发展的一种必然趋势，为农业现代化机电产品的研制提供了一种新的途径，特别是农业机器人技术的发展往往代表了一个国家的农业自动化程度的高低。本论文所研究的六自由度果实采摘机械手，是基于农业应用和机电技术的结合，来实现特定功能的一种多关节机器人。该机械手可以作为一种学习的平台，进行演示与示范，添加相应的探测传感器和剪切装置后可以应用到农业机器人的研究中。
本实验的果实采摘机械手采用金属支架的结构，通过六个舵机进行控制机械手的各个关节。因此具备六个自由度，使其更能适应复杂的环境，比三自由度机械手或其他形式的机器人具有更多的优越性和灵活性。通过对机械手整体机构的设计和参数分析设计了适合机械手臂的控制器，采用ATmega16作为控制芯片外加外围电路，能够满足在低成本、低功耗的情况下对机器人控制的要求。由于AVR系列微控制器可以用C语言和汇编语言编程，且功能强大，能够对端口进行扩展，芯片不需要太多的驱动程序，这对后续研究工作有很大的帮助作用。控制器的设计按照模块化的方法进行设计通过芯片模块、键盘输入模块、液晶显示模块、舵机控制模块间的协同合作完成对机械手的控制。本实验可以得出以下结论：
（1）对机械手结构参数进行分析，确定了机械手的工作空间范围为2号舵机中心为原点的、直径为39cm半球面，并且考虑到基座的配重、机械手臂长度和重量、舵机的力矩等因素，本实验设计的控制器可以完成对该范围以内小于200g的小型果实的采摘工作。
（2）经由视觉系统给出各个关节的空间坐标，即确定了机械手的空间位姿，并根据计算分析得出的三维空间坐标与舵机角度的关系，进而得出了舵机角度与机械手位姿的关系。
（3）确定了舵机相应角度值，通过键盘输入相应舵机角度，同时LCD显示屏对1-6路舵机的角度状态进行数字化实时显示，实现了控制器对机械手的采摘操作。
致谢
在本论文的写作过程中，我的导师×××副教授倾注了大量的心血，从选题到开题报告，从写作提纲，到一遍又一遍指出每次稿中的具体问题，严格把关，循循善诱，在此我表示衷心感谢。
同时，我还要感谢在一起愉快的度过研究生生活的工程实验中心研究室的各位同门，正是由于你们的帮助和支持，我才能克服一个一个的困难和疑惑，直至本文的顺利完成。特别感谢我的师妹×××同学，她对本课题做了不少工作，给予我不少的帮助。
我还要感谢在我学习期间给我极大关心和支持的所有老师以及关心我的同学和朋友。写作毕业论文是一次系统学习的过程，毕业论文的完成，同样也意味着新的学习生活的开始。
在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！最后我还要感谢培养我长大含辛茹苦的父母，谢谢你们！
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附 录
附录A：六自由度果实采摘机械手控制器原理图
附录B：六自由度果实采摘机械手控制器PCB图
攻读硕士学位期间发表的学术论文
×××，×××．2010．六自由度果实采摘机械手及其控制系统的设计．农机化研究．录用待发．
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作 者 签 名： 日 期：
指导教师签名： 日 期：
使用授权说明
本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名： 日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
建议成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师： （签名） 单位： （盖章）
年 月 日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
评定成绩：□ 优 □ 良 □ 中 □ 及格 □ 不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）
年 月 日
教学系意见：
系主任： （签名）
年 月 日
学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者（本人签名）： 年 月 日
学位论文出版授权书
本人及导师完全同意《中国博士学位论文全文数据库出版章程》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程》(以下简称“章程”)，愿意将本人的学位论文提交“中国学术期刊（光盘版）电子杂志社”在《中国博士学位论文全文数据库》、《中国优秀硕士学位论文全文数据库》中全文发表和以电子、网络形式公开出版，并同意编入CNKI《中国知识资源总库》，在《中国博硕士学位论文评价数据库》中使用和在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益。
论文密级：
□公开
□保密（___年__月至__年__月）(保密的学位论文在解密后应遵守此协议)
作者签名：_______ 导师签名：_______
_______年_____月_____日 _______年_____月_____日
独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解滨州学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
二〇一〇年九月二十日
致 谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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作 者 签 名： 日 期：
指导教师签名： 日 期：
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作者签名： 日 期：
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本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期： 年 月 日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期： 年 月 日
导师签名： 日期： 年 月 日
独 创 声 明
本人郑重声明：所呈交的毕业设计(论文)，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本设计（论文）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本声明的法律后果由本人承担。
作者签名:
年 月 日
毕业设计（论文）使用授权声明
本人完全了解**学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定。
本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版，同意学校保存学位论文的印刷本和电子版，或采用影印、数字化或其它复制手段保存设计（论文）；同意学校在不以营利为目的的前提下，建立目录检索与阅览服务系统，公布设计（论文）的部分或全部内容，允许他人依法合理使用。
（保密论文在解密后遵守此规定）
作者签名:
年 月 日
基本要求：写毕业论文主要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析，解决实际问题的能力，使学生得到从事本专业工作和进行相关的基本训练。毕业论文应反映出作者能够准确地掌握所学的专业基础知识，基本学会综合运用所学知识进行科学研究的方法，对所研究的题目有一定的
心得体会
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，论文题目的范围不宜过宽，一般选择本学科某一重要问题的一个侧面。
毕业论文的基本教学要求是：
1、培养学生综合运用、巩固与扩展所学的基础理论和专业知识，培养学生独立分析、解决实际问题能力、培养学生处理数据和信息的能力。2、培养学生正确的理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度。3、培养学生进行社会调查研究；文献资料收集、阅读和整理、使用；提出论点、综合论证、总结写作等基本技能。
毕业论文是毕业生总结性的独立作业，是学生运用在校学习的基本知识和基础理论，去分析、解决一两个实际问题的实践锻炼过程，也是学生在校学习期间学习成果的综合性总结，是整个教学活动中不可缺少的重要环节。撰写毕业论文对于培养学生初步的科学研究能力，提高其综合运用所学知识分析问题、解决问题能力有着重要意义。
毕业论文在进行编写的过程中，需要经过开题报告、论文编写、论文上交评定、论文答辩以及论文评分五个过程，其中开题报告是论文进行的最重要的一个过程，也是论文能否进行的一个重要指标。
撰写意义：1.撰写毕业论文是检验学生在校学习成果的重要措施，也是提高教学质量的重要环节。大学生在毕业前都必须完成毕业论文的撰写任务。申请学位必须提交相应的学位论文，经答辩通过后，方可取得学位。可以这么说，毕业论文是结束大学学习生活走向社会的一个中介和桥梁。毕业论文是大学生才华的第一次显露，是向祖国和人民所交的一份有份量的答卷，是投身社会主义现代化建设事业的报到书。一篇毕业论文虽然不能全面地反映出一个人的才华，也不一定能对社会直接带来巨大的效益，对专业产生开拓性的影响。但是，实践证明，撰写毕业论文是提高教学质量的重要环节，是保证出好人才的重要措施。
2.通过撰写毕业论文，提高写作水平是干部队伍“四化”建设的需要。党中央要求，为了适应现代化建设的需要，领导班子成员应当逐步实现“革命化、年轻化、知识化、专业化”。这个“四化”的要求，也包含了对干部写作能力和写作水平的要求。
3.提高大学生的写作水平是社会主义物质文明和精神文明建设的需要。在新的历史时期，无论是提高全族的科学文化水平，掌握现代科技知识和科学管理方法，还是培养社会主义新人，都要求我们的干部具有较高的写作能力。在经济建设中，作为领导人员和机关的办事人员，要写指示、通知、总结、调查报告等应用文；要写说明书、广告、解说词等说明文；还要写科学论文、经济评论等议论文。在当今信息社会中，信息对于加快经济发展速度，取得良好的经济效益发挥着愈来愈大的作用。写作是以语言文字为信号，是传达信息的方式。信息的来源、信息的收集、信息的储存、整理、传播等等都离不开写作。
论文种类：毕业论文是学术论文的一种形式，为了进一步探讨和掌握毕业论文的写作规律和特点，需要对毕业论文进行分类。由于毕业论文本身的内容和性质不同，研究领域、对象、方法、表现方式不同，因此，毕业论文就有不同的分类方法。
按内容性质和研究方法的不同可以把毕业论文分为理论性论文、实验性论文、描述性论文和设计性论文。后三种论文主要是理工科大学生可以选择的论文形式，这里不作介绍。文科大学生一般写的是理论性论文。理论性论文具体又可分成两种：一种是以纯粹的抽象理论为研究对象，研究方法是严密的理论推导和数学运算，有的也涉及实验与观测，用以验证论点的正确性。另一种是以对客观事物和现象的调查、考察所得观测资料以及有关文献资料数据为研究对象，研究方法是对有关资料进行分析、综合、概括、抽象，通过归纳、演绎、类比，提出某种新的理论和新的见解。
按议论的性质不同可以把毕业论文分为立论文和驳论文。立论性的毕业论文是指从正面阐述论证自己的观点和主张。一篇论文侧重于以立论为主，就属于立论性论文。立论文要求论点鲜明，论据充分，论证严密，以理和事实服人。驳论性毕业论文是指通过反驳别人的论点来树立自己的论点和主张。如果毕业论文侧重于以驳论为主，批驳某些错误的观点、见解、理论，就属于驳论性毕业论文。驳论文除按立论文对论点、论据、论证的要求以外，还要求针锋相对，据理力争。
按研究问题的大小不同可以把毕业论文分为宏观论文和微观论文。凡届国家全局性、带有普遍性并对局部工作有一定指导意义的论文，称为宏观论文。它研究的面比较宽广，具有较大范围的影响。反之，研究局部性、具体问题的论文，是微观论文。它对具体工作有指导意义，影响的面窄一些。
另外还有一种综合型的分类方法，即把毕业论文分为专题型、论辩型、综述型和综合型四大类：
1．专题型论文。这是分析前人研究成果的基础上，以直接论述的形式发表见解，从正面提出某学科中某一学术问题的一种论文。如本书第十二章例文中的《浅析领导者突出工作重点的方法与艺术》一文，从正面论述了突出重点的工作方法的意义、方法和原则，它表明了作者对突出工作重点方法的肯定和理解。2．论辩型论文。这是针对他人在某学科中某一学术问题的见解，凭借充分的论据，着重揭露其不足或错误之处，通过论辩形式来发表见解的一种论文。3．综述型论文。这是在归纳、总结前人或今人对某学科中某一学术问题已有研究成果的基础上，加以介绍或评论，从而发表自己见解的一种论文。4．综合型论文。这是一种将综述型和论辩型两种形式有机结合起来写成的一种论文。如《关于中国民族关系史上的几个问题》一文既介绍了研究民族关系史的现状，又提出了几个值得研究的问题。因此，它是一篇综合型的论文。
写作步骤：毕业论文是高等教育自学考试本科专业应考者完成本科阶段学业的最后一个环节，它是应考者的 总结 性独立作业，目的在于总结学习专业的成果，培养综合运用所学知识解决实际 问题 的能力。从文体而言，它也是对某一专业领域的现实问题或 理论 问题进行 科学 研究 探索的具有一定意义的论说文。完成毕业论文的撰写可以分两个步骤，即选择课题和研究课题。
首先是选择课题。选题是论文撰写成败的关键。因为，选题是毕业论文撰写的第一步，它实际上就是确定“写什么”的问题，亦即确定科学研究的方向。如果“写什么”不明确，“怎么写”就无从谈起。
教育部自学考试办公室有关对毕业论文选题的途径和要求是“为鼓励理论与工作实践结合，应考者可结合本单位或本人从事的工作提出论文题目，报主考学校审查同意后确立。也可由主考学校公布论文题目，由应考者选择。毕业论文的总体要求应与普通全日制高等学校相一致，做到通过论文写作和答辩考核，检验应考者综合运用专业知识的能力”。但不管考生是自己任意选择课题，还是在主考院校公布的指定课题中选择课题，都要坚持选择有科学价值和现实意义的、切实可行的课题。选好课题是毕业论文成功的一半。
第一、要坚持选择有科学价值和现实意义的课题。科学研究的目的是为了更好地认识世界、改造世界，以推动社会的不断进步和发展 。因此，毕业论文的选题，必须紧密结合社会主义物质文明和精神文明建设的需要，以促进科学事业发展和解决现实存在问题作为出发点和落脚点。选题要符合科学研究的正确方向，要具有新颖性，有创新、有理论价值和现实的指导意义或推动作用，一项毫无意义的研究，即使花很大的精力，表达再完善，也将没有丝毫价值。具体地说，考生可从以下三个方面来选题。首先，要从现实的弊端中选题，学习了专业知识，不能仅停留在书本上和理论上，还要下一番功夫，理论联系实际，用已掌握的专业知识，去寻找和解决工作实践中急待解决的问题。其次，要从寻找科学研究的空白处和边缘领域中选题，科学研究。还有许多没有被开垦的处女地，还有许多缺陷和空白，这些都需要填补。应考者应有独特的眼光和超前的意识去思索，去发现，去研究。最后，要从寻找前人研究的不足处和错误处选题，在前人已提出来的研究课题中，许多虽已有初步的研究成果，但随着社会的不断发展，还有待于丰富、完整和发展，这种补充性或纠正性的研究课题，也是有科学价值和现实指导意义的。
第二、要根据自己的能力选择切实可行的课题。毕业论文的写作是一种创造性劳动，不但要有考生个人的见解和主张，同时还需要具备一定的客观条件。由于考生个人的主观、客观条件都是各不相同的，因此在选题时，还应结合自己的特长、兴趣及所具备的客观条件来选题。具体地说，考生可从以下三个方面来综合考虑。首先，要有充足的资料来源。“巧妇难为无米之炊”，在缺少资料的情况下，是很难写出高质量的论文的。选择一个具有丰富资料来源的课题，对课题深入研究与开展很有帮助。其次，要有浓厚的研究兴趣，选择自己感兴趣的课题，可以激发自己研究的热情，调动自己的主动性和积极性，能够以专心、细心、恒心和耐心的积极心态去完成。最后，要能结合发挥自己的业务专长，每个考生无论能力水平高低，工作岗位如何，都有自己的业务专长，选择那些能结合自己工作、发挥自己业务专长的课题，对顺利完成课题的研究大有益处。
致 谢
这次论文的完成，不止是我自己的努力，同时也有老师的指导，同学的帮助，以及那些无私奉献的前辈，正所谓你知道的越多的时候你才发现你知道的越少，通过这次论文，我想我成长了很多，不只是磨练了我的知识厚度，也使我更加确定了我今后的目标：为今后的计算机事业奋斗。在此我要感谢我的指导老师——***老师，感谢您的指导，才让我有了今天这篇论文，您不仅是我的论文导师，也是我人生的导师，谢谢您！我还要感谢我的同学，四年的相处，虽然我未必记得住每分每秒，但是我记得每一个有你们的精彩瞬间，我相信通过大学的历练，我们都已经长大，变成一个有担当，有能力的新时代青年，感谢你们的陪伴，感谢有你们，这篇论文也有你们的功劳，我想毕业不是我们的相处的结束，它是我们更好相处的开头，祝福你们！我也要感谢父母，这是他们给我的，所有的一切；感谢母校，尽管您不以我为荣，但我一直会以我是一名农大人为荣。
通过这次毕业设计，我学习了很多新知识，也对很多以前的东西有了更深的记忆与理解。漫漫求学路，过程很快乐。我要感谢信息与管理科学学院的老师，我从他们那里学到了许多珍贵的知识和做人处事的道理，以及科学严谨的学术态度，令我受益良多。同时还要感谢学院给了我一个可以认真学习，天天向上的学习环境和机会。
即将结束*大学习生活，我感谢****大学提供了一次在**大接受教育的机会，感谢院校老师的无私教导。感谢各位老师审阅我的论文。
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Y
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定时器中断返回
计数值清零�
_1332070519.unknown
_1332070536.unknown
_1332069914.vsd
�
�
�
开始�
系统初始化�
是否有键按下�
Y
N
找到闭合键
闭合键释放
确定键码
Y
N
N
定时器中断
液晶显示舵机状态
Y
延时去抖
重新判断是否有键按下�
N
Y
_1331381824.unknown
_1331381877.unknown
_1331382853.unknown
_1331383491.unknown
_1331382414.unknown
_1331382596.unknown
_1331381862.unknown
_1331381848.unknown
_1331381794.unknown
_1331381812.unknown
_1331380922.unknown
_1331297699.vsd
1.5 ms
1.5 ms
20 ms
_1331377962.unknown
_1331379621.unknown
_1331380882.unknown
_1331379642.unknown
_1331380792.unknown
_1331379631.unknown
_1331379507.vsd
a
x
y
O
z
a′
_1331379607.unknown
_1331378735.unknown
_1331379250.vsd
a
b
c
d
O
z
a′
b′
c′
d′
_1331378705.unknown
_1331367108.unknown
_1331368250.unknown
_1331368866.unknown
_1331375915.unknown
_1331377875.unknown
_1331368876.unknown
_1331368885.unknown
_1331368690.unknown
_1331368718.unknown
_1331368551.unknown
_1331368651.unknown
_1331368459.unknown
_1331367293.unknown
_1331367434.unknown
_1331367137.unknown
_1331362792.unknown
_1331367071.unknown
_1331362726.unknown
_1331016289.vsd
芯片
控制模块
按键指令
输入模块
电源模块
舵机
控制模块
液晶显示
模块
机械手
_1331118947.unknown
_1331119033.unknown
_1331129051.vsd
K1
K2
K3
K4
K8
K7
K6
K5
K9
K10
K11
K12
K16
K15
K14
K13
_1331119006.unknown
_1331118906.unknown
_1330842993.vsd
�
输入正脉冲宽度
(周期为20ms)
舵机输出臂位置
0.5ms
1.0ms
1.5ms
2.0ms
2.5ms
0°
45°
90°
135°
180°
_1330845127.vsd
模块式机械手
手臂
手腕
基座
手部
舵机二
舵
机
三
舵
机
四
舵
机
五
舵
机
六
舵机一
_1330869824.vsd
AVR控制器
机械手
PC
串口仿真器
信号线
_1328339092.vsd
控制电路
齿轮组
直流电机
比例电位器
控制脉冲
比例电压
浙公网安备 33021202002483