基于轮廓图元边缘检测的新式秸秆上料机械手设计

黄力刚,朱文琦，刘志刚

( 1. 河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000；2.南昌工学院，南昌　330108；3.云南大学 软件学院，昆明　650091)



基于轮廓图元边缘检测的新式秸秆上料机械手设计

黄力刚1,朱文琦1，刘志刚2,3

( 1. 河南工业职业技术学院，河南 南阳473000；2.南昌工学院，南昌330108；3.云南大学 软件学院，昆明650091)

摘要：为了解决秸秆粉碎机自动上料问题，设计了一种新的秸秆上料机械手装置，提高了秸秆粉碎机作业的精度和自动化水平。该装置使用Canny算子对秸秆图像进行分割，并对弱边缘进行提取，将提取信息传递给机械手PC处理中心，发出控制机械手的动作的指令；并利用PLC闭环系统控制，完成了秸秆上料机械手的自动化控制，优化了伺服电机的启停时间和上料的工作效率。同时，对装置进行了秸秆上料试验，结果表明：与人工上料相比，使用自动化控制的机械手可以提高工作效率及秸秆的粉碎质量，且可降低上料过程对人造成的损害，是一种安全高效的上料装置。

关键词：秸秆粉碎；边缘检测；上料装置；机械手；PLC控制

0引言

我国对饲料的需求量很大，据统计，每年至少有数百亿斤的粮食和数千亿斤农作物秸秆被粉碎加工成饲料。饲料的加工已经成为国民经济中非常重要的基础产业，而饲料加工的主要设备是饲料粉碎机。饲料粉碎机在粉碎过程中刀片转速非常大，人工上料的方式具有一定的危险性，且人工上料的工作效率低，已经不能满足日益增加的生产需要。为此，设计了一种新的机械手上料装置，利用图像边缘检测和PLC闭环控制系统，能够准确定位秸秆的位置，可较好控制上料精度，完成自动化秸秆上料过程。

1秸秆上料机械手总体设计

从目前情况来看，农作物秸秆用粉碎机械种类不多，其中粗纤维类秸秆大部分采用的还是普通类的通用粉碎机。这些粉碎机的工作效率低、耗能高，市场上也没有专业加工秸秆的自动化粉碎机，因此研究粉碎机的自动化上料机械手具有重要的意义。

图1为秸秆粉碎机的示意图。其秸秆上料机械手主要由4部分组成，包括机座、臂、腰和手腕，可以参考同类机械手的设计参数，对主要尺寸进行设计，使机械手尽可能具有较大的作业范围。综合考虑各种因素，设计了机械手的主要参数，θ1表示腰部转动角度，θ2表示臂俯仰角度，θ3表示手腕起落角度。

图1　秸秆粉碎机示意图

表1表示秸秆上料机械的性能参数表，其中主要设计参数包括自由度、坐标形式、额定负荷质量以及最大活动范围等，其中自由度的数目为5个，采用垂直关节型的坐标形式，而额定负荷质量取为48kg，最大活动直径为3.8m。

表1　秸秆上料机械手主要性能参数

机械手的关节控制使用伺服电机控制，其主要工作转速设置如表2所示。机械手的总体设计图如图2所示。

表2　关节最大工作转速表

图2　秸秆上料机械手的基本构成

秸秆上料机械手的手臂通常由驱动手臂运动的部件与驱动源相配合，以实现手臂的各种运动。上料机械手的部件主要包括臂部部件、腰部部件和腕部部件。其中，执行末端均使用伺服电机来控制。控制的系统总体设计框架如图3所示。

图3　精密秸秆上料机械手总体设计框图

图3中：首先是系统数据的初始化，然后通过图像检测传感器采集图像信号，信号转换后到达PC机进行图像边缘提取，提取后和预设信号进行比对；然后利用PLC闭环控制，控制伺服电机的动作，完成机械手的动作控制。

2秸秆精密上料机械手精确装置设计

2.1秸秆上料机械手结构设计

腰部的主要设计是腰部外安放一驱动电机，驱动内部蜗轮蜗杆传动装置，实现竖直主轴的转动，实现了臂部部件的旋转。传动的示意图如图4所示。

图4　腰部部件设计

臂部的主要设计是在大臂与肩部连接关节处安装一驱动电机，带动与之相连的小齿轮旋转，进而带动与小齿轮啮合的大齿轮旋转，大齿轮旋转使得与之相连的轴旋转，实现了臂部的运动。其设计示意图如图5所示。

图5　臂部部件设计

秸秆上料机械手相对其关节回转轴应尽可能在质量上平衡，这对减小电机负载和提高机器人手臂运动的响应速度是非常有利的。腕部的结构设计如图6所示。

秸秆上料机械手的3个主要部件主要通过伺服电机来实现精确控制，而其控制系统使用PLC闭环控制。

图6　腕部部件设计

2.2精确和电机控制

为了实现机械手的精确控制，使用PLC闭环反馈调节的方式调节电机的运动，机械手由于传动负载作回转运动。负载额定功率可以表达为

(1)

其中，NL表示负载轴回转速度，Tl表示为负载转矩，η表示减速机效率，则负载加速功率可以表示为

(2)

(3)

其中，NM表示最大力矩， 启动时间可以表达为

(4)

Tl=Ff·R=G·f·R

(5)

(6)

梯度是一个向量，其幅度和相位分别为

(7)

(8)

其中，偏导数需要对每一个像素位置进行计算，在实际应用中常常采用小型模版利用卷积运算来近似，Gx和Gy各自使用一个模板。

由图7可以看出：Canny算子的分割效果最好，能够检测到真正的弱边缘。将提取得到的边界信息可以传输到PC处理中心，通过PLC控制发出指令动作，其过程如图8所示。

图7　Candy算子玉米秸秆图像弱边界提取

图8　PLC精确闭环反馈系统

图8中：首先通过图像传感器和图像变送器把图像边缘对应的标准电流信号送到模拟量模块MAD02，通过PLC通信模块把图像边缘二值化数值反馈到计算机上；组态王发出检测到图像进行的一系列指令，并通过机械手的手部、腰部和腕部进行一系列动作，完成精确上料过程；并优化伺服电机的启停时间，提高上料的工作效率。

3精密秸秆上料机械手实验测试结果与分析

为了测试本文设计的精密秸秆上料机械手的有效性和可靠性，使用饲料粉碎机对上料机械手的效果进行了综合试验，通过测试首先得到了机械手的动态响应曲线，如图9所示。

图9　调试系统响应结果

由图9可以看出：利用PLC闭环PID控制后，系统的超调量很小，且鲁棒性较好，其响应过程平稳。通过对比机械手自动上料和人工上料的质量，得到了如表3所示的结果。

表3　上料粉碎率测试结果

由表3可以看出：机械手自动上料可以大大提高秸秆粉碎的质量，提高机械粉碎率。这是由于图像边缘检测可以完成对弱边界的提取，因此机械手的上料精度较高，上料的碎料合格率也较高。

表4表示秸秆自动化上料和人工上料的对比结果。由表4可以看出：机械手自动上料可以大大提高秸秆粉碎的效率，缩短粉碎时间。这是由于采用PLC闭环控制可以有效地提高系统的响应速率，从而验证了自动化机械手可以大大提高工作效率。

表4　上料时间测试结果

4结论

1)设计了一种新的秸秆自动化上料机械手装置。该机械手通过对秸秆图像的识别，可自动完成上料操作，采用图像边缘检测可以提取得到秸秆的弱边界，使用PLC闭环控制，可以提高上料的精度、缩短上料时间。

2)通过对秸秆上料机械手的测试发现：图像边缘检测可以完成对弱边界的提取，机械手的上料精度较高，秸秆的粉碎效果较好。采用PLC闭环控制可以有效地提高系统的响应速率，提高了工作效率。但是，秸秆上料机械手的性能还有待于进一步升级，如自动化启停还需要进一步完善，通过功能的优化，可以将其推广到各种饲料粉碎机中。

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Manipulator Design of a New Straw Feeding Based on Contour Map Edge Detection

Huang Ligang1, Zhu Wenqi1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091, China)

Abstract：In order to solve the problem of straw crusher automatic feeding, we design a new straw stalk feeding manipulator device, precision and automation level of the straw crusher is improved. The device using canny operator of straw image segmentation, and the weak edge extraction, extracted information to manipulator PC processing center, a control action of the manipulator's instructions, and a closed-loop control system based on PLC, completes the straw stalk feeding automatic control of the manipulator, and optimize the servo motor start-stop time, improve loading efficiency.The last straw is for device feeding experiment, the experimental results can be seen that,compared with the artificial feeding,use of automatic control of the manipulator can improve work efficiency and improve the quality of the shattering of the straw, and can reduce the feeding process of damage,which is a safe and efficient feeding device.

Key words：straw crushing; edge detection; feeding device; manipulator; PLC control

文章编号：1003-188X(2016)07-0015-05

中图分类号：S226；TH137

文献标识码：A

作者简介：黄力刚(1980-)，男，河南邓州人，讲师，硕士。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-05-20