菜苗移植入穴裝置機(jī)械手的設(shè)計(jì)與研究

邱文驍 蔡佳麟 馬書美 李穎姍 蘇欣強(qiáng)

（廣州華夏職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州510935）

國外研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品移植機(jī)器起步很早，特別是在20 世紀(jì)90年代以后，急速發(fā)展的自動(dòng)控制技術(shù)以及傳感器技術(shù)被應(yīng)用到相應(yīng)的移植設(shè)備上面，使其機(jī)械化、自動(dòng)化的程度越來越高，并且全自動(dòng)技術(shù)愈發(fā)穩(wěn)定及高效，越來越趨向于智能化，實(shí)用化。本文設(shè)計(jì)的菜苗移植入穴裝置，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，對(duì)菜苗移植全自動(dòng)移植關(guān)鍵部件——夾持動(dòng)作部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)研究，以期為全自動(dòng)菜苗移植入穴裝置的研制提供相應(yīng)的思路與方法。

1 菜苗移植入穴裝置建模設(shè)計(jì)

菜苗移植入穴裝置主要由機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、夾持動(dòng)作部分、輸送機(jī)構(gòu)部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

機(jī)械手部件設(shè)計(jì)圖如圖2 以及圖3 所示，夾持動(dòng)作部分主要是機(jī)械手模塊，機(jī)械手安裝于機(jī)架上并用于抓取輸送機(jī)構(gòu)的輸送端面上的菜苗至菜苗穴板；機(jī)械手可沿機(jī)架的長、寬、高度方向運(yùn)動(dòng)，把它們分別定義為X，Y，Z 軸方向，X 軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的長度方向運(yùn)動(dòng)；Y 軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的寬度方向運(yùn)動(dòng)；Z 軸電動(dòng)機(jī)構(gòu)用于帶動(dòng)抓取件沿機(jī)架的高度方向運(yùn)動(dòng)。

2 夾持動(dòng)作部分控制方案設(shè)計(jì)

圖1 菜苗移植入穴裝置3D 主視圖

圖2 機(jī)械手3D 設(shè)計(jì)圖

圖3 夾持動(dòng)作部分示意圖

基于菜苗移植入穴裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工作原理，它是代替人工操作者把培育好的菜苗放置到穴盤中，比人工操作更加有效率并且更節(jié)省勞動(dòng)力。夾持動(dòng)作這部分最重要的便是穴苗的抓起與投放；穴苗的基質(zhì)是土壤和營養(yǎng)液，有一定的強(qiáng)度，但是穴盤的摩擦力并不大，這個(gè)過程的主導(dǎo)者便是夾持（轉(zhuǎn)下頁）系統(tǒng)中的機(jī)械手，如果機(jī)械手的夾持力度過大則破壞了基質(zhì)更有甚者會(huì)將整個(gè)穴苗都?xì)?，如果機(jī)械手的夾持力度過小，則可能無法取出穴苗或者在取出的過程中導(dǎo)致穴盤的脫落；并且該系統(tǒng)有非線性、不確定性、多變性和強(qiáng)耦合等特點(diǎn)，特別是在其運(yùn)動(dòng)過程中,會(huì)有一些不確定非線性項(xiàng)，因此這個(gè)過程中需要控制電機(jī)的機(jī)械手作用力能夠完美控制。在考慮系統(tǒng)的能控型、實(shí)用性以及對(duì)菜苗標(biāo)本夾持的準(zhǔn)確性，通過對(duì)菜苗移植入穴裝置夾持動(dòng)作部分的運(yùn)行分析，建立其系統(tǒng)控制程序框圖如圖4 所示。

在圖4 的程序框圖中，步進(jìn)電機(jī)是動(dòng)力輸出裝置，驅(qū)動(dòng)器接受控制器輸出的脈沖信號(hào)，繼而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)過減速微調(diào)對(duì)機(jī)械手進(jìn)行帶動(dòng)動(dòng)作，其偏移量會(huì)通過光電傳感器反饋給控制器，控制器通過對(duì)反饋的數(shù)據(jù)與輸入的期望數(shù)據(jù)相比較，獲得兩者之間位移的偏移量，從而調(diào)整輸入的脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)夾持動(dòng)作模塊位移量的精確控制。

圖4 夾持動(dòng)作模塊系統(tǒng)框圖

3 模糊PID 控制器設(shè)計(jì)及仿真

在控制系統(tǒng)中，PID 控制器是一種將比例、積分、微分等控制結(jié)合起來的線性控制器，是國內(nèi)外最早的控制策略之一，傳統(tǒng)的PID 控制器因?yàn)樗惴ńY(jié)構(gòu)簡單，控制參數(shù)獨(dú)立，可靠性高以及魯棒性好，故在機(jī)械、電子、化工、冶金等行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。PID 控制器的關(guān)鍵在于控制器參數(shù)的整定，由于系統(tǒng)中存在非常多的不確定性，這種不確定性會(huì)導(dǎo)致模型參數(shù)發(fā)生變化，所以更新算法，獲得最優(yōu)的參數(shù)組合。模糊控制（Fuzzy Control）是以模糊語言變量、模糊集合理論以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)智能控制方法, 是近些年快速發(fā)展起來的新型控制器。該控制器能夠以控制系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)作為依據(jù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)參數(shù)來編制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則，并運(yùn)用該規(guī)則完成系統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的模糊化處理以及模糊推理過程，而后計(jì)算機(jī)根據(jù)實(shí)際響應(yīng)，在線修正PID 參數(shù)，最終獲得最適合系統(tǒng)的參數(shù)組合。本文設(shè)計(jì)的模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5 所示。

圖5 模糊PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)建立好的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用Matlab 中Simulink 的模塊庫建立步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)模糊PID 參數(shù)模型，輸入信號(hào)設(shè)定為幅值是1 的階躍信號(hào)，模糊控制器接受偏差e 以及偏差的變化量ec，基本域?yàn)閇-3，3]，利用模糊算法在線修正PID 控制器的三個(gè)參數(shù)Kp，Ki，Kd，以期獲得更好的仿真曲線圖。

圖6 模糊PID 控制算法流程圖

圖7 步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

運(yùn)行Simulink 中搭建的仿真模型，設(shè)定仿真時(shí)間為1s，將輸出的模糊PID 仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖與傳統(tǒng)PID 曲線圖放置同一坐標(biāo)分析，如圖7 所示：單一PID 控制器上升時(shí)間大約是0.085s，在電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)之時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.3s，超調(diào)量約為20%；而模糊PID 控制器曲線上升時(shí)間大約是0.13s，調(diào)節(jié)時(shí)間為0.21s，超調(diào)量約為3%，響應(yīng)曲線能夠快速地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。由圖像以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得出結(jié)論，運(yùn)用模糊PID 控制器控制的步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的PID 系統(tǒng)更具有調(diào)節(jié)時(shí)間更快捷，超調(diào)量更小，系統(tǒng)穩(wěn)定性更可靠，使系統(tǒng)響應(yīng)曲線更為平穩(wěn)。因此，將模糊PID 控制器應(yīng)用于菜苗移植入穴裝置機(jī)械手夾持動(dòng)作模塊中，其優(yōu)越性更為明顯。

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)菜苗移植入穴裝置各個(gè)機(jī)構(gòu)單元之間能夠穩(wěn)定可靠地協(xié)調(diào)配合運(yùn)行，本文在原先設(shè)計(jì)菜苗移植入穴裝置的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，重新設(shè)計(jì)并改進(jìn)其機(jī)械爪模型以及夾持動(dòng)作模塊的控制系統(tǒng)，在夾持動(dòng)作模塊中引入模糊算法以及PID 控制器，采用反饋調(diào)節(jié)的方法提高機(jī)械手的控制精度。并在Matlab 中的Simulink 仿真環(huán)境下建立模型，輸出相應(yīng)的響應(yīng)曲線，通過響應(yīng)曲線表明，盡管傳統(tǒng)的PID 控制器能夠有較快的響應(yīng)速度，但是它的上升過程以及超調(diào)量相對(duì)模糊PID 控制器來說是不夠理想的，具體表現(xiàn)在較大的超調(diào)量以及較為緩慢的上升過程；模糊PID 不但能夠使得系統(tǒng)有較低的調(diào)節(jié)時(shí)間以及較高的穩(wěn)態(tài)精度，而且能夠使得系統(tǒng)響應(yīng)曲線更為平穩(wěn)，有較小的超調(diào)量，可以有效降低夾持動(dòng)作系統(tǒng)因慣性而產(chǎn)生的過沖現(xiàn)象，因此，運(yùn)用模糊PID 控制器為全自動(dòng)菜苗移植入穴裝置夾持動(dòng)作系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要的作用。