2018年全国职业院校技能大赛高职组
“GZ-2018084电子产品设计及制作”赛项赛卷四
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 根据本赛题及所给光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；
1.6 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，可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。
上下运动直线导轨 采摘机械手 摄像头OV7725 前后运动直线导轨 模拟果树与水果 左右运动直线导轨 电容式位移传感器 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。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；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；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；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，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。根据不同的组合组成4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10mil。
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光盘刻录的形式上交。
3.2.2 印刷线路板焊接与调试
微处理器核心板（DCP-400或DCP-300）、功率H桥PWM输出电路板（DCP-218）和多功能万用板（DCP-226）为散件，需参赛队自己焊接和调试。 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、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直流减速电机上的编码器测量，不采用电容式位移传感器测量。
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-400或DCP300微处理器核心板； 2）DCP-208 ADS1118串行A/D转换电路板； 3）DCP-216功率运放输出电路板；
4）DCP-218功率H桥PWM输出电路板； 5）DCP-226多功能万用板。
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。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安装微处理器核心板DCP-400或DCP300（STM32或51单片机、液晶显示模块、键盘电路）、摇杆电位器接口和电源开关。前面板的布置如图3所示：
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。
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。
1、区域设定 2018技能大赛
2、夹持力控制 工位号：□□
3、自动采摘
按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，坐标值的单位为mm。该界面退出后返回主界面。
圆心坐标： 给定夹持力：
□□□X□□□ □.□□V
查询圆半径： 实际夹持力：
□□□ □□.□V
图8 区域设定功能界面 图9 夹持力控制子功能界面
◎ 夹持力控制子功能界面如图9所示，对机械手的夹持力的大小进行控制。
通过前面板的按键设置给定夹持力的大小，以力传感器的输出电压显示。按D键后机械手舵机夹紧水果，要求实际夹持力达到给定值保持5秒后放松，或再按D键后机械手舵机放松。该界面退出后返回主界面。
◎ 自动采摘子功能界面如图10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。
自动采摘 1、自动采摘定位 2、区域内自动采摘 + + + 图10 自动采摘子功能界面 图11 自动采摘定位子功能界面 ◎ 自动采摘定位子界面如图11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形内的区域进行扫描，根据摄像头的图像结果定位成熟水果的坐标值，在显示屏上相应位置用“+”标注。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12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；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键界面退出后返回自动采摘界面。
机械手坐标：
□□□X□□□ 数量：□□
时间：□□.□S
图12 区域内自动采摘子界面
◎ 在自动采摘时，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微处理器核心板DCP-400或DCP300、功率H桥PWM输出电路板DCP-218不能正常工作时，可以采用成品的训练板DCP-400核心板或DCP-300核心板、成品的训练板DCP-218（功率H桥PWM输出电路板）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“2018QG××”（××为2位数字，即竞赛
2018 高职 电子产品设计及制作 赛卷4
