罗汉果分拣机器人的制作方法

1.本发明涉及蔬果分拣技术领域，具体为罗汉果分拣机器人。


背景技术：

2.罗汉果属于葫芦科多年生藤本植物的果实，别名拉汗果、假苦瓜、光果木鳖、金不换、罗汉表、裸龟巴，被人们誉为“神仙果”，其叶心形，雌雄异株，夏季开花，秋天结果。主要产于广西壮族自治区桂林市永福县龙江乡、龙胜和百寿等镇，永福县和龙胜县是罗汉果之乡种植历史比较悠久，罗汉果是桂林名贵的土特产，也是药食两用材料之一，其主要功效是能止咳化痰。果实营养价值很高，含丰富的维生素c(每100克鲜果中含400毫克～500毫克)以及糖甙、果糖、葡萄糖、蛋白质、脂类等，其果实大小不一，在生产加工过程中需要对其就行分拣，目前大多数采用简单的机械设备配合人工进行分拣，效果较差，智能化程度低，故亟需设计一种满足实际情况的智能化分拣设备，基于此，本发明设计了罗汉果分拣机器人，以解决上述问题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供罗汉果分拣机器人，以解决上述背景技术中提出的目前大多数采用简单的机械设备配合人工进行分拣，效果较差，智能化程度低，故亟需设计一种满足实际情况的智能化分拣设备的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：罗汉果分拣机器人，包括分拣平台、电控机械臂、k210从控模块、ov5640摄像头和stm32主控模块，所述分拣平台包括水平木板和倒l型支架，在水平木板边缘20cm*9.5cm的位置作为罗汉果的放置点，该点正上方是ov5640摄像头与k210从控模块，方便其对罗汉果拍摄和图形处理，所述倒l型支架固定在水平木板的上表面左侧边缘，所述电控机械臂位于水平木板的右侧，所述电控机械臂的前后放置有分类箱，所述stm32主控模块安装在电控机械臂底部，所述k210从控模块安装在倒l型支架的水平顶部，所述ov5640摄像头安装在倒l型支架的水平底部外侧；
5.所述k210从控模块信号连接有ov5640摄像头、stm32主控模块的串口、sd卡和lcd，所述stm32主控模块信号连接有key按键、k210从控模块的串口、微信小程序模块、电源适配器、led和电控机械臂，所述k210从控模块搭载有图形处理系统，所述图形处理系统基于mobilenet v1模型设计，所述stm32主控模块采用stm32f103c8t6作为主控芯片及其加载电路，k210作为主控芯片；通过ov5640摄像头获取罗汉果照片；lcd实时显示摄像头获取图像；通过串口进行k210从控模块与stm32主控模块通信，电控机械臂对罗汉果进行抓取；key按键来控制机器人整体；led来显示机器人工作状态；通过微信小程序模块使用蓝牙通讯来实时控制机器人；通过串口进行k210从控模块与stm32主控模块通信；电源适配器来对控制系统提供电力支持。
6.优选的，所述电控机械臂包括底板、第一数字舵机、云台支架、第二数字舵机、第三数字舵机、若干支柱，第五数字舵机、第四数字舵机、第六数字舵机和亚克力爪，若干所述支
柱构成电控机械臂的骨架，所述底板上表面两侧分别安装第一数字舵机和stm32主控模块，所述第一数字舵机的转动端通过六角铜柱与云台支架连接，所述云台支架通过轴承与底板连接，所述云台支架的顶部固定有第二数字舵机，所述第二数字舵机的转动端通过支柱和舵盘安装有第三数字舵机，所述第三数字舵机的转动端通过支柱和舵盘安装有第四数字舵机，所述第四数字舵机的转动端通过支柱和舵盘安装有第五数字舵机，所述第五数字舵机的转动端通过支柱和舵盘安装有第六数字舵机，所述第六数字舵机的转动端通过支柱和舵盘安装有亚克力爪，电控机械臂的底板、轴承、云台支架、骨架、舵盘和亚克力爪之间通过不同直径的螺丝来固定，该机械机构的设计可采用现有杭州众灵科技有限公司出品的jibot1机械臂，底板位于骨架底部，起支撑作用；通过六角铜柱将底板与云台支架、轴承相连，通过轴承可实现骨架的360
°
旋转；在云台支架上，使用支柱构成电控机械臂的骨架，支柱内嵌数字舵机，数字舵机通过舵盘与支柱连接，即可实现其多自由度运动，在支柱末端连接亚克力爪，嵌入数字舵机，从而实现抓取功能，电控机械臂中共装入6个数字舵机实现其6自由度运动，在云台支架、亚克力爪各安置1个舵机；在骨架上嵌入4个舵机，从而达到电控机械臂灵活抓取的目的。
7.优选的，所述stm32主控模块的串口与k210从控模块的串口之间通过电平转换模块信号连接，实现通信。
8.优选的，所述stm32主控模块的加载电路包括蓝牙接口、通信接口、功能按键、电源接口、数字舵机供电电压选择端、pwm舵机稳压电路、swd仿真接口电路、led控制电路、舵机接口、稳压供电电路、晶振电路、usb电路、boot按键、复位按键和缓冲电路。
9.优选的，所述mobilenetv1模型采用maixhub提供的方法实现。
10.优选的，所述pwm舵机稳压电路选用mp1584稳压芯片，它将7.5v输入电压稳压到5v，来给控制系统供电；它输入电压的范围是4.5
‑
28v；最高可输出3a直流电，还包括4个10uf贴片电容；2个100nf贴片电容；4个100k欧贴片电阻；1个200k欧电阻；1个39k欧电阻；1个4.7uh的贴片电感，该电感的额定电流是800ma和1个通用二级管。
11.优选的，所述usb电路包括micro usb母座和ch340e usb转串口芯片，它连接stm32主控模块的串口1，用来下载程序和1个通用二极管1n4007，3个0.1uf电容。
12.优选的，所述swd仿真电路有1个1uf电容，用来连接st
‑
link，方便调试程序和下载程序。
13.优选的，所述稳压供电电路选用rt9193线性稳压器，它最大输入电压为5.5v，最大输出电流为300ma，输出电压稳定为3.3v；稳压电路中还包括4个1uf贴片电容。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明采用ov5640摄像头，并辅以照明灯构成图像采集系统，使用k210从控模块搭载mobilenet v1模型作为图像处理系统，使用stm32主控模块控制数字舵机群来构成电控机械臂的运动控制系统，通过微信小程序模块、led显示、lcd展示来实时反馈控制系统的状态，利用打开机械臂将不同规格的罗汉果分拣至分类箱内，该系统整体智能化程度高，具有市场推广前景。
附图说明
15.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领
域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
16.图1为本发明结构示意图；
17.图2为图1俯视图；
18.图3为本发明k210从控模块系统图；
19.图4为本发明stm32主控模块系统图；
20.图5为图1中电控机械臂结构示意图；
21.图6为本发明stm32主控模块芯片示意图；
22.图7为本发明蓝牙接口示意图；
23.图8为本发明通信接口示意图；
24.图9为本发明key按键示意图；
25.图10为本发明电源接口示意图；
26.图11为本发明跳线接口示意图；
27.图12为本发明pwm舵机稳压电路图；
28.图13为本发明swd仿真接口示意图；
29.图14为本发明led电路示意图；
30.图15为本发明舵机接口示意图；
31.图16为本发明稳压电源电路图；
32.图17为本发明晶振电路图；
33.图18为本发明usb电路图；
34.图19为本发明boot和复位按键示意图；
35.图20为本发明缓冲电路图；
36.图21为本发明模型准确率示意图；
37.图22为本发明舵机流程控制图；
38.图23为本发明定时器2中断服务函数示意图；
39.图24为本发明k210从控流程图；
40.图25为本发明实施例大果lcd显示图；
41.图26为本发明实施例中果lcd显示图；
42.图27为本发明实施例小果lcd显示图；
43.图28为本发明实施例大、中果分装示意图；
44.图29为本发明实施例小果装箱示意图；
45.图30为本发明实施例微信小程序控制示意图；
46.图31为本发明实施例按键和led功能测试示意图。
47.附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0048]1‑
水平木板，2
‑
电控机械臂，3
‑
倒l型支架，4
‑
k210从控模块，5
‑
ov5640摄像头，6
‑
电平转换模块，7
‑
分类箱，8
‑
stm32主控模块，20
‑
底板，21
‑
第一数字舵机，22
‑
云台支架，23
‑
第二数字舵机，24
‑
第三数字舵机、25
‑
支柱，26
‑
第五数字舵机，27
‑
第四数字舵机，28
‑
第六数字舵机，29
‑
亚克力爪。
具体实施方式
[0049]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0050]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0051]
请参阅图1
‑
4，本发明提供一种技术方案：罗汉果分拣机器人，包括分拣平台、电控机械臂2、k210从控模块4、ov5640摄像头5和stm32主控模块8，分拣平台包括水平木板1和倒l型支架3，倒l型支架3固定在水平木板1的上表面左侧边缘，电控机械臂2位于水平木板1的右侧，电控机械臂2的前后放置有分类箱7，stm32主控模块8安装在电控机械臂2底部，k210从控模块4安装在倒l型支架3的水平顶部，ov5640摄像头5安装在倒l型支架3的水平底部外侧；
[0052]
k210从控模块4信号连接有ov5640摄像头5、stm32主控模块8的串口、sd卡和lcd，stm32主控模块8信号连接有key按键、k210从控模块4的串口、微信小程序模块、电源适配器、led和电控机械臂2，k210从控模块4搭载有图形处理系统，图形处理系统基于mobilenet v1模型设计，stm32主控模块8采用stm32f103c8t6作为主控芯片及其加载电路
[0053]
请参阅图5，电控机械臂2包括底板20、第一数字舵机21、云台支架22、第二数字舵机23、第三数字舵机24、若干支柱25，第五数字舵机26、第四数字舵机27、第六数字舵机28和亚克力爪29，若干支柱25构成电控机械臂2的骨架，底板20上表面两侧分别安装第一数字舵机21和stm32主控模块8，第一数字舵机21的转动端通过六角铜柱与云台支架22连接，云台支架22通过轴承与底板20连接，云台支架22的顶部固定有第二数字舵机23，第二数字舵机23的转动端通过支柱25和舵盘安装有第三数字舵机24，第三数字舵机24的转动端通过支柱25和舵盘安装有第四数字舵机27，第四数字舵机27的转动端通过支柱25和舵盘安装有第五数字舵机26，第五数字舵机26的转动端通过支柱25和舵盘安装有第六数字舵机28，第六数字舵机28的转动端通过支柱25和舵盘安装有亚克力爪29；
[0054]
请参阅图6
‑
20，jp1是蓝牙模块接口，jp2是与k210从控模块4的通信接口，jp3是电源接口端子，jp4是数字舵机供电电压选择端，jp5与jp6口是第六数字舵机28接线口；
[0055]
u1是mp1584芯片，u2是stm32f103c8t6芯片，u3是rt9193芯片，u4是usb接口，u5是ch340e芯片；
[0056]
p1是swd仿真接口电路，y1是8m晶振；d1、d2、d6是保护二极管，power是电源显示端，led是工作状态灯；
[0057]
key和boot是功能按键，reset是复位按键；
[0058]
stm32主控模块8的串口与k210从控模块4的串口之间通过电平转换模块6信号连接；
[0059]
stm32主控模块8的加载电路包括蓝牙接口、通信接口、功能按键、电源接口、数字舵机供电电压选择端、pwm舵机稳压电路、swd仿真接口电路、led控制电路、舵机接口、稳压
供电电路、晶振电路、usb电路、boot按键、复位按键和缓冲电路；
[0060]
mobilenetv1模型采用maixhub提供的方法实现；
[0061]
boot、复位按键和key按键均选用红柄贴片轻触开关，复位按键电路中有1uf的贴片电容和10k欧姆的贴片电阻；
[0062]
pwm舵机稳压电路选用mp1584稳压芯片，它将7.5v输入电压稳压到5v，来给控制系统供电；它输入电压的范围是4.5
‑
28v；最高可输出3a直流电，还包括4个10uf贴片电容；2个100nf贴片电容；4个100k欧贴片电阻；1个200k欧电阻；1个39k欧电阻；1个4.7uh的贴片电感，该电感的额定电流是800ma和1个通用二级管；
[0063]
晶振电路选用8m无源晶振，2个22pf的贴片电容；
[0064]
usb电路包括micro usb母座和ch340e usb转串口芯片，它连接stm32主控模块8的串口1，用来下载程序和1个通用二极管1n4007，3个0.1uf电容；
[0065]
led控制电路选用贴片发光二极管；2个10k欧贴片电阻；
[0066]
接口端子选用螺钉式接线端子，额定电压为300v；额定电流为10a；跳线选择接口是舵机供电选择端；
[0067]
swd仿真电路有1个1uf电容，用来连接st
‑
link，方便调试程序和下载程序；
[0068]
舵机接口电路选用3
×
6的直立排针，每排分别连接电源端、gnd、pwm信号线；
[0069]
缓冲电路选用4个220uf的铝电解电容，额定电压为16v；
[0070]
蓝牙接口电路和通信接口电路均选用2个100r贴片电阻和1个1n5819肖特基二极管，来保护芯片；
[0071]
稳压供电电路选用rt9193线性稳压器，它最大输入电压为5.5v，最大输出电流为300ma，输出电压稳定为3.3v；稳压电路中还包括4个1uf贴片电容。
[0072]
训练样本采用分辨率为224
×
224的不同规格的罗汉果照片，样本总量达540张，逐步调整模型，使其对罗汉果的识别准确率达到最高。
[0073]
增加灯光，加大训练样本后，模型的准确率取得长足的进步，如图21所示：模型的准确率随着训练次数的增加在变大，在模型的训练初期，模型的训练准确率和测试准确率在迅速增加，随着模型的进一步训练，二者的增长速度放缓；当epoch到100时，模型结束训练；如当模型训练接近尾声时，其训练准确率和测试准确率均稳定在85％左右；可见模型并不是随着训练准确率提高而测试准确率下降，模型不存在过拟合，模型可以投入使用。
[0074]
stm32主控程序中，最重要的就是机械臂控制程序的编写，其中，机械臂由6块数字舵机来控制，而数字舵机是由定时器2控制输出pwm来控制其角度变换的；舵机控制函数如图22所示，定时器2中断服务函数如图23所示；
[0075]
主控程序中包括了数字舵机、led、功能按键、蓝牙、主从板串口通信的控制程序；
[0076]
k210从机的功能包括ov5640摄像头实时获取罗汉果照片；调用分类模型mobilenet v1；串口实时发送分类信息；lcd实时显示摄像头拍摄信息；k210从机程序设计如图24所示；
[0077]
实施例：罗汉果识别模型(mobilenet模型)测试与分析；如图25所示，模型运行的时间为66ms，模型认为该罗汉果为大果的概率为0.83，这个概率是随时波动的，波动范围为：0.81～0.86；可知模型能够很好地识别大果；
[0078]
如图26所示，模型运行时间为66ms，模型认为该罗汉果为中果的概率为0.63，其波
动范围为：0.62～0.68；可知模型能够较好地识别中果，模型判断概率低是因为中果的大小接近于小果，在长度上二者平均相差6mm；
[0079]
如图27所示，模型运行时间为66ms，模型判断该罗汉果为小果的概率为0.89，其波动范围为0.86～0.91，可知模型能够很好地识别小果。电控机械臂分拣罗汉果测试与分析；如图28所示，机械臂能够将1枚大果、2枚中果分别装箱；如图29所示，机械臂能够将9枚小罗汉果装箱，每个箱子下面都垫有气泡垫来保护罗汉果在分拣过程中不会因碰撞而毁坏。
[0080]
微信小程序控制测试与分析；分拣系统连接好后，通过微信小程序的开始按钮，来命令罗汉果分拣机器人开始分拣工作；当机械臂分拣工作结束后，通过小程序的停止按钮，来命令罗汉果分拣机器人停止分拣，在分拣过程中，通过小程序的复位按钮，来命令罗汉果机器人停止分拣，并复位至初始状态，分拣机器人控制过程如图30。
[0081]
其他控制功能测试与分析；如图31所示，当罗汉果分拣机器人处于工作状态时，绿色led亮起，当其处于停滞状态时，绿色led熄灭；当按键key按下时，同样可以命令罗汉果分拣机器人开始与停止工作。
[0082]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0083]
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。