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1、“GZ-2021029 电子产品设计及制作”赛项赛卷二 题目：水果采摘机器人控制器设计及制作 1 竞赛任务 按赛题要求，利用所发的技术资料、元器件及器材完成水果采摘机器人控制器的设计和装调任务，进行 Cortex-M3 系列 STM32F103ZET6（LQFP144）处理器或STC 单片机 IAP15W4K61S4（LQFP64S）的软件设计，完成该控制器的设计及制作。1.1 根据本赛题及所给 U 盘中的技术资料分析水果采摘机器人控制器的工作原理和功能要求；1.2 根据赛题所给的机器人控制器原理图和印刷线路板约束条件，利用 Altium Designer 软件绘制印刷线路板图；1.3 完成赛
2、项所提供印刷线路板的焊接任务；1.4 利用赛项提供的机器人控制器机箱及套件完成结构设计和整机安装，包括开关、电源、电路板、插座的安装及机箱内走线的规划；1.5 完成某一成品线路板的故障排除任务，该线路板将用于机器人控制器中。1.6 完成机器人控制器的功能调试，使其达到规定的技术指标，实现水果采摘机器人的正常工作；1.7 完成 STM32F103 或 IAP15W4K61S4 处理器软件的编写，使水果采摘机器人达到规定的功能要求。2 竞赛时间 竞赛时间为 8 小时（9:00-17:00）。3 功能要求与技术指标 3.1 原理说明 水果采摘机器人为三自由度机器人，在 Z 轴安装有摄像头和机械手，可
3、以对摄像头的图像识别，实现对成熟水果的自动采摘，其机构如图 1 所示。图 1 水果采摘机器人 水果采摘机器人由三个直线导轨分别控制采摘机械手的左右、上下和前后运动，实现对模拟果树上成熟水果的自动采摘。X 轴左右运动导轨的驱动为带编码器的直流减速电机，并安装电容式位移传感器，在导轨的两端安装防撞的行程开关；Y 轴上下运动导轨的驱动为带编码器的直流减速电机，在导轨的两端安装防撞的行程开关；Z 轴前后运动导轨的驱动为直流减速电机，在导轨的两端安装防撞的行程开关；安装在 Z 轴上采摘机械手的驱动为舵机；在机械手夹持板的一边内侧安装力传感器，可以检测夹持水果的力度，在机械手的下方安装摄像头，用于识别成熟
4、红色水果，实现自动采摘。水果采摘机器人还配有摇杆电位器控制板，与控制器有线连接，可手动控制采摘机器人的工作。3.2 功能实现 水果采摘机器人要求能实现对模拟果树上成熟水果的手动控制采摘或自动控制采摘。水果采摘机器人控制器由微处理器(STM32 或 51)电路，显示与键盘电路，传感器测量电路，A/D 转换电路，电机驱动电路和电源电路等部分组成。参赛队需完成水果采摘机器人控制器的印刷线路板绘制，线路板的焊接与调试，某一线路板的故障排除，控制器的安装与调试，控制器指定功能的软件编程与调试等多项竞赛任务。3.2.1 印刷线路板的绘制 根据赛题所指定的水果采摘机器人控制器原理图和印刷线路板约束条件，利用
5、 Altium Designer 软件绘制该控制器的印刷线路板图。控制器原理图由 CPU 电路单元、人机接口电路单元、传感器测量电路单元、A/D 电路单元、功率输出电路单元、电源电路单元等几部分组成，每一单元电路都有若干种选择，印刷线路板的外形结构也有若干种选择。根据不同的选择组成 2 号赛卷的线路板绘制抽取方案，由裁判长指定相关人员在比赛前三天内按该方案随机抽取各单元电路和外形结构，组成完整的控制器原理图和外形结构。线路板约束规则要求：双层印刷线路板，最小间距 10mil（集成电路引脚间距不受此约束），最小线宽 10mil，过孔最小孔径 15mil，过孔最小直径 30mil，敷铜最小间距 1
6、0mil。参赛队所绘制的水果采摘机器人控制器原理图和印刷线路板图电子稿采用 U 盘保存的形式上交。3.2.2 印刷线路板焊接与调试 DCP-218 功率 H 桥 PWM 输出电路板，DCP-206 ADS7950 串行 A/D 转换电路板（DCP-206）为散件，需参赛队自己焊接和调试。若焊接的线路板不能正常工作，可以采用成品线路板替代，但将扣除线路板调试部分任务的分数。3.2.3 水果采摘机器人控制器的安装与调试 水果采摘机器人控制器的装调工作要求在如图 2 所示的机箱中完成。安装套件包括机箱、开关电源、前面板、后面板、安装底板、微处理器核心板（STM32或 51 单片机）、人机接口电路板、
7、传感器测量电路板、A/D 转换电路板、功率输出电路板以及必要的电气附件。其中左右运动导轨的位置测量采用电容式位移传感器测量，不采用直流减速电机上的编码器测量。图 2 水果采摘机器人控制器机箱图水果采摘机器人控制器的具体线路板构成如下：1）DCP-401 或 DCP301 微处理器核心板；2）DCP-204 液晶显示和键盘电路板；3）DCP-206 ADS7950 串行 A/D 转换电路板；4）DCP-216-PAIGU H 桥功率输出电路板；5）DCP-218 功率 H 桥 PWM 输出电路板；6）DCP-28-1 信号调理电路板。参赛队需自行完成水果采摘机器人控制器机箱内的结构设计和装调工作
8、。以上线路板的原理图、印刷线路板元件布置图、元件清单均在电子文件“水果采摘机器人控制器装调”文件夹中。水果采摘机器人控制器的前面板布置如图 3 所示，安装 DCP-204 液晶显示和键盘电路板、摇杆电位器接口和电源开关。图 3 水果采摘机器人控制器前面板图 水果采摘机器人控制器的后面板的布置如图 4 所示，安装有三个接线插座和 带保险丝的电源插座。其中端口 1 连接左右运动导轨电机及编码器、电容式位 图 4 水果采摘机器人控制器后面板图 移传感器的信号，端口 2 连接上下运动导轨电机及编码器、前后运动导轨电机的 信号，端口 3 连接机械手舵机、摄像头和力传感器的信号。2021 技能大赛 工位号
9、：圆心坐标：X查询圆半径：手动采摘 1、手动采摘定位 2、区域内手动采摘 3、区域外手动采摘 按E 键进入主界面 1、区域设定 2、手动采摘 3、自动采摘 DCP-216-PAIGU H 桥功率输出电路板包含有若干个硬件故障，需要参赛队检测排除，并填写故障排除记录表。若不能排除故障无法正常工作，可以采用成品线路板 DCP-216 功率运放输出电路板替代，但将扣除故障维修部分任务的分数。控制器整机的安装工艺评分和印刷线路板的焊接工艺评分将在比赛结束、整机功能测试后集中进行，比赛过程中不对印刷线路板的焊接工艺单独评分。3.2.4 水果采摘机器人的功能要求 水果采摘机器人控制器前面板的按键功能定义如
10、图 5 所示：图 5 控制器按键定义图 通过控制器前面板的液晶显示屏和按键，可以实现水果采摘机器人的参数设定、手动模式采摘和自动模式采摘。要求系统通电后显示界面一如图 6 所示，显示参赛队自己的工位号，核心板上蜂鸣器鸣叫 3 秒，界面底部“按 E 键进入主界面”每隔 1 秒闪烁一次，按下面板上的 E 键，进入主界面。图 6 界面一 图 7 主界面 主界面如图 7 所示，通过前面板的按键上相应的数字键选择进入对应的子功能界面。区域设定子功能界面如图 8 所示，通过前面板的按键设定采摘时采摘机械手查询的区域。区域设定为圆形，圆心坐标和查询圆半径可通过按键设定，在模拟果树的平面上绘有坐标刻度，坐标值
11、的单位为 mm。该界面退出后返回主界面。图 8 区域设定功能界面 图 9 手动采摘子功能界面+自动采摘 1、自动采摘定位 2、区域内自动采摘+机械手坐标：X数量：时间：.S 手动采摘子功能界面如图 9 所示，通过前面板的按键上相应的数字键选择进入对应的子功能界面。该界面退出后返回主界面。手动采摘定位子界面如图 10 所示，将模拟果树整体映射到显示屏上，由摇杆电位器控制板控制，两个电位器控制机械手的左右运动和上下运动，当机械手对准成熟(红色)的水果时，按下控制板上的按键，在显示屏相应的位置显示“+”号，标注出每个水果的具体位置，此时不采摘。该界面退出后返回手动采摘界面。图 10 手动采摘定位子界
12、面 图 11 区域内、外手动采摘子界面 区域内手动采摘子功能界面如图 11 所示，按 D 键后执行对区域设定圆内的成熟水果进行自动采集。机械手坐标实时显示机械手的坐标值；数量显示采摘的个数，进入界面时清零；时间显示采摘耗时，按 D 键开始采摘时清零并计时，至采摘完毕后停止计时，保持最终时间。采摘完后等待，按 E 键界面退出后返回手动采摘界面。区域外手动采摘子功能界面如图 11 所示，按 D 键后执行对区域设定圆外的成熟水果进行自动采集。机械手坐标实时显示机械手的坐标值；数量显示采摘的个数，进入界面时清零；时间显示采摘耗时，按 D 键开始采摘时清零并计时，至采摘完毕后停止计时，保持最终时间。采摘
13、完后等待，按 E 键界面退出后返回手动采摘界面。自动采摘子功能界面如图 12 所示，通过前面板的按键上相应的数字键选择进入对应的子功能界面。该界面退出后返回主界面。图 12 自动采摘子功能界面 图 13 自动采摘子功能界面 自动采摘定位子界面如图 13 所示，将模拟果树整体映射到显示屏上，由安装在机械手上的摄像头对区域设定圆内的区域进行扫描，根据摄像头的图像结果定位成熟(红色)水果的坐标值，在显示屏上相应位置用“+”标注，此时不采摘。该界面退出后返回自动采摘界面。区域内自动采摘子界面如图 14 所示，按 D 键后执行对区域设定圆内的水 果进行采集。机械手坐标实时显示机械手的坐标值；压力实时显示
14、机械手上力传感器的输出电压。采摘完后等待，按 E 键界面退出后返回自动采摘界面。机械手坐标：X数量：压力：.V 图 14 区域内自动采摘子界面 在手动和自动采摘时，若机械手的夹持力过大，会触发机械手下方线路板上蜂鸣器，提示采摘水果破损，判定为采摘失败。3.3 功能的分步实现 本赛题包含印刷线路板设计、印刷线路板焊接和调试、水果采摘机器人控制器的装调、控制器软件的编写几方面内容，参赛队在设计及制作时可分步完成以上各项内容。在参赛队自己焊接的 DCP-218 功率 H 桥 PWM 输出电路板不能正常工作时，可以采用成品的训练板 DCP-218 功率 H 桥 PWM 输出电路板代替；自己焊接的DCP
15、-206 ADS7950 串行A/D 转换电路板不能正常工作时可以用成品的训练板 DCP-206 串行 A/D 转换电路板代替，但会影响参赛队的得分。4 技术文件要求 各队完成的全部文件存放在“2021QG”（为 2 位数字，即竞赛队工位号）文件夹中，提交的电子文件采用统一命名规则（类型名工位号），不得以其它名称命名电子文件。因保密要求，在电路原理图和线路板图文件中不得出现学校名称、参赛选手姓名等信息；电子文件名称如不符合命名规则，体现参赛队信息的，该队该项竞赛成绩将被取消。4.1 提交的技术文件 参赛队提交的电子文件均采用 U 盘保存后提交，技术文件包括：1、电子设计工艺所绘制的印刷线路板原
16、理图和线路板图；2、水果采摘机器人任务与功能验证所编写的源程序；4.2 文件命名要求 电子文件列表如下：2021QG 电路原理图.SchDoc线路板图.PcbDoc 源程序（文件夹）4.3 技术文件上交方式 原理图、线路板图及源程序均需提交电子文档，采用 U 盘保存，一式贰份上交，上交时间为比赛结束时（17:00）。5 评分标准 序号 评分项目 知识、技能点 分值 1 安全操作规范 操作规范、环境清洁、安全用电团队合作、符合职业岗位的要求和企业生产“5S”原则。8 2 电子设计工艺 按赛卷要求完成印刷线路板绘制 17 3 电子装调工艺 印刷线路板焊接、机器人控制器安装布局与接线工艺及故障诊断与维修。45 4 任务与功能验证 根据竞赛任务书要求，完成某一特定功能机器人的任务与功能实现。30 5 扣分项 超过规定时间补领元器件、更换功能电路板竞、赛平台故障及其他违纪扣分项。6 总计 100