一種采摘機器機械手的控制系統(tǒng)設(shè)計

胡尕磊

摘要：水果采摘費用高且勞動量大，為快速且正確完成采摘作業(yè)，需要加快研發(fā)采摘機械手設(shè)計。本文以蘋果采摘機械手運動控制為研究對象，對機械手進(jìn)行運動學(xué)分析與建模，設(shè)計并實現(xiàn)了基于PLC的蘋果采摘機械手運動控制的實驗系統(tǒng)，可為其他類型采摘機械手設(shè)計提供一定參考作用。

關(guān)鍵詞：機械手運動控制；建模；設(shè)計

引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)正朝著規(guī)模化、多樣化、精確化方向發(fā)展，農(nóng)業(yè)勞動力的成本迅速上升，勞動力不足的現(xiàn)象日趨明顯，在此背景下，機器人技術(shù)越來越受到了人們的關(guān)注。但是，目前國內(nèi)的采摘自動化程度仍然很低，尤其是采摘機器人的關(guān)鍵部位——機械手，為此，本文以PLC 控制器作為控制中心，對蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，旨在提高采摘自動化及降低人工成本，為種植戶帶來最佳的經(jīng)濟效益。

1.蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1運動控制系統(tǒng)設(shè)計要求

蘋果采摘機械手包括手臂和手腕兩個執(zhí)行部分，機械手準(zhǔn)確采摘目標(biāo)果實，需要靈活的避開途中障礙物，而實現(xiàn)該功能需要依靠機械手的自由度。一般情況下，采摘機械手運動范圍取決于手臂自由度，為了使機械手靈活、運動范圍大，手臂至少需要3個以上自由度。同理，采摘機械手手腕是用來控制機械手空間姿態(tài)的，為了使其獲取更多運行姿態(tài)，手腕也至少需要3個以上自由度。

蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)先從上位機或人機交互界面接受指令，然后驅(qū)動對應(yīng)伺服電機，從而使末端采摘執(zhí)行器準(zhǔn)確采摘目標(biāo)蘋果。

1.2運動控制系統(tǒng)整體設(shè)計

蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)主要包括上位機監(jiān)控系統(tǒng)、PLC控制器，以及驅(qū)動、執(zhí)行部件和傳感器多個模塊。上位機監(jiān)控系統(tǒng)通過串口、以太網(wǎng)采集機械手的數(shù)據(jù)，獲取機械手狀況，完成與現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時交換，實現(xiàn)對系統(tǒng)的監(jiān)控功能；運動控制模塊通過程序或終端的指令對機械手實現(xiàn)控制，保證其末端執(zhí)行器以確定狀態(tài)運動，同時能夠完成采摘任務(wù)；驅(qū)動模塊根據(jù)程序指令給各電機提供動力；執(zhí)行模塊主要是完成蘋果采摘作業(yè)。運動控制系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)由以上各模塊協(xié)調(diào)工作，共同完成采摘作業(yè)任務(wù)。系統(tǒng)采用PLC可編程邏輯控制器，通過其執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時及計數(shù)等操作，并通過外部控制開關(guān)、按鍵接入PLC 輸入設(shè)備，進(jìn)而根據(jù)內(nèi)部程序進(jìn)行輸出控制，實現(xiàn)對驅(qū)動、伺服和氣動設(shè)備的控制。在運動控制中，采摘機械手位置狀況信息通過組態(tài)軟件實時顯示，操作員可以實時了解其作業(yè)情況。

2.機械手運動學(xué)分析與建模

蘋果采摘機器人運動學(xué)分析的基礎(chǔ)是在正確選擇機械手剛體位姿方法上進(jìn)行的。本文采用齊次變化方法描述機器人運動學(xué)問題，需要建立XAYAZA參考和XTYTZT手爪兩個坐標(biāo)系。在參考坐標(biāo)系中，Z軸是末端執(zhí)行器接近目標(biāo)蘋果的方向，為接近矢量a；Y軸是末端執(zhí)行器兩手指的并和方向，為并和矢量o；X軸是a和o所在平面的法線向量，為法線矢量n。因此，手爪坐標(biāo)系XTYTZT可由{n，o，a；P}進(jìn)行描述，即{T}={n，o，a；P}。

2.1正運動學(xué)分析模型

本文采用D-H法建立末端執(zhí)行器空間運動坐標(biāo)系，用齊次變換矩陣表述機械手連桿間平移和旋轉(zhuǎn)運動，從而建立運動學(xué)方程。為了方便計算，特地將機械手基準(zhǔn)與腰關(guān)節(jié)兩個坐標(biāo)系疊加在一起。

式（5）～式（7）為機械手末端執(zhí)行器正運動學(xué)方程，其描述了機械手坐標(biāo)系與基準(zhǔn)坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系。

2.2 逆運動學(xué)分析模型

逆運動學(xué)是研究機械手運動控制的理論來源，是將機械手位姿變換轉(zhuǎn)為關(guān)節(jié)變量的依據(jù)，逆運動學(xué)對控制精準(zhǔn)度和快捷性具有重要作用。蘋果采摘機械手的相鄰關(guān)節(jié)軸之間平行，經(jīng)過系統(tǒng)整體優(yōu)化，各關(guān)節(jié)角運動范圍固定，可以得出唯一解。為了簡化計算過程，提高機械手運動效率，本文采用解析法對蘋果采摘機械手進(jìn)行逆運動學(xué)求解。蘋果采摘機械手逆運動學(xué)求解過程如下：

根據(jù)式（2）可以得到末端執(zhí)行器變換矩陣的逆矩陣為

3.運動控制硬軟件設(shè)計

3.1硬件設(shè)計

該機械手控制系統(tǒng)主要由PLC、監(jiān)控圖像管理、觸摸屏、行走電機驅(qū)動板、執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū)動板和伺服電機組成。整個控制系統(tǒng)采用三菱公司FX2N-48MT-DPLC控制器，該處理器具有40個I/O端子（24個輸入點、16輸出點），點數(shù)余量充足，系統(tǒng)采用編程語言簡單，開發(fā)周期短。因此，PLC控制系統(tǒng)比較穩(wěn)定，可靠性強、費用低、抗干擾性強。監(jiān)控圖像管理系統(tǒng)采用Windows操作系統(tǒng)、PCI總線、單屏操作方式，并融合了圖像通信技術(shù)，可以實現(xiàn)對圖像的輸入輸出、圖像文件的存儲與加載，以及對機械手的監(jiān)測和控制；觸摸屏控制器的作用操作員可以人為控制機械手進(jìn)行采摘作業(yè)，能夠準(zhǔn)確地控制機械手的運行速度和距離；行走電機驅(qū)動板和執(zhí)行機構(gòu)電機驅(qū)動板分別給行走設(shè)備和機械手各伺服電機提供動力。

3.2軟件設(shè)計

軟件設(shè)計是整個系統(tǒng)正常運行的核心，硬件搭建好后，可以根據(jù)蘋果采摘特性，通過設(shè)計好的軟件算法控制機械手的運動。

3.2.1人機界面

為了更好地實現(xiàn)對機械手的控制，特地設(shè)計了人機界面，該部分能夠?qū)崿F(xiàn)操作人員與機械手之間的信息交換。本文主要設(shè)計了示教和軌跡規(guī)劃兩個界面，示教界面如圖2 所示。手動界面可以根據(jù)目標(biāo)果實和機械手的相對距離調(diào)節(jié)X、Y、Z 軸。在控制過程中，首先選取節(jié)點值，然后設(shè)置三軸的運動方式，末端執(zhí)行器運動到目標(biāo)位置，則按下停止鍵；若存在偏差，則繼續(xù)調(diào)整。

3.2.2軌跡規(guī)劃界面

手動示教界面設(shè)定好后，就需要進(jìn)行機械手軌跡規(guī)劃。軌跡規(guī)劃界面如圖3 所示。軌跡規(guī)劃界面有10個運動順序方框，和右邊10個步驟選擇一一對應(yīng)，節(jié)點選擇與手動示教界面一一對應(yīng)。

為了檢驗蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)的可靠性，特將該系統(tǒng)應(yīng)用到蘋果采摘實驗中。實驗中，設(shè)定機械手運動速度上限為200mm/ s，加速度為50mm/s2。首先根據(jù)采摘要求設(shè)定手動示教界面，然后進(jìn)行軌跡規(guī)劃，軌跡規(guī)劃運動順序方框節(jié)點設(shè)置為1→2→0→0→0→0→0→0→0。按5 段S曲線加減速算法，根據(jù)PLC智能控制器計算，可以從控制器得到T1、T2、T3時間值，如表1所示。機械手運動控制從節(jié)點1運行到2，X、Y、Z 軸運行情況如表2所示。

實驗結(jié)果表明：采用PLC控制器的蘋果采摘機械手軟硬件均能正常運行。該系統(tǒng)具有可靠性高、實時性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。實驗數(shù)據(jù)說明伺服系統(tǒng)脈沖定位精度在一個脈沖以內(nèi)，能夠精準(zhǔn)地定位機械手運動軌跡和位置；此外，人機交互界面人性化程度高，可以比較直觀地顯示和修改運動控制流程。

4.結(jié)論

總而言之，采摘機械人在解決勞動力不足、降低采摘成本、提高勞動生產(chǎn)率、保證果實的適時采收以及提高產(chǎn)品的國際競爭力等方面具有很大的潛力。因此，我們必須加快對采摘機器人的研究，使其為我國農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。本文對機械手進(jìn)行運動學(xué)分析與建模，設(shè)計了基于PLC的蘋果采摘機械手運動控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、實時性和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以幫助采摘機器人快速識別目標(biāo)并進(jìn)行正確采摘作業(yè)，大大提高了采摘效率，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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