基于PLC三轴伺服控制系统的果蔬采摘机械手设计

丁　辉，陈晓林

(常州轻工职业技术学院，江苏 常州　213164)



基于PLC三轴伺服控制系统的果蔬采摘机械手设计

丁辉，陈晓林

(常州轻工职业技术学院，江苏 常州213164)

摘要：为了提高果蔬采摘机械手的工作效率和定位精度、降低果蔬采摘机械手在采摘过程中造成的破碎率，以及简化机械手的结构和控制方式，设计了一种新的基于PLC的三轴伺服控制果蔬采摘机械手。该机械手可以灵活地实现移动、升降和夹紧与放松。为了测试机械手的有效性和可靠性，通过苹果采摘试验对机械手的性能进行了测试。测试发现：机械手的位置和摆角调整时间较少、超调量较低，符合设计需求。其准确定位率较高，最高达到了98.56%；且具有较好的定位性能，单次定位时间耗时较低，机械作业效率较高，能够满足大规模果蔬采摘的设计需求。

关键词：三轴机械手；伺服控制；果蔬采摘；PID控制；超调量；PLC

0引言

1962年，世界第一台工业机器人问世以来，机器人技术得到了迅速的发展，机器人的使用范围已经不再局限于传统的制造业，除了工业外已被众多领域所采用，如我国也已经研发出多种特种机器人和农业采摘机器人等。机械手技术是近年来发展起来的一种高科技生产设备，是机器人的重要分支，通过对机械手预先编程控制可以使其完成各种预期的机械作业；其结构特征具有人和机器的特点，具有智能和自适应能力。由于其能够准确地完成目标任务，可在各种环境中完成作业，因此在国民经济中有着广阔的前景。我国是一个农业生产大国，但随着农业生产规模的不断扩大和精耕细作的要求，某些区域呈现出劳动力不足的现象；而果蔬的采摘是一项劳动密集型的工作，其时令要求较高，因此对于果蔬高效采摘机械手的研究具有重要的意义。

1基于PLC的果蔬采摘机械手总体设计

果蔬采摘机械手应该具备3个主要的功能，包括左右移动、上下升降和夹紧与放松。因此，机械手采用三自由度设计方式，其类型属于气压式圆柱坐标型机械手，结构如图1所示。其结构主要由机座、腰部、水平手臂、垂直手臂及气爪等部分组成。 其中，机械手的电器控制系统除了有多种工步特征外，还需要具有连续控制等工作方式，其操作面板的设计如图2所示。

图1　机械手结构示意图

图2　机械手的采摘任务动作过程

机械手的上升和下降通过电磁阀来控制，当碰到限位开关时，机械手停止动作，开始夹紧；夹紧后，上升电磁阀开始工作，机械手上升；当碰到限位开关时，停止上升，开始左右移动；当果蔬位置移动到果蔬乘放装置时，机械手松开，果蔬落入装置后根据机械视觉，定位下一目标，从而进行下一采摘任务。

操作面板的总体设计如图3所示。当按钮在原点时，系统在左上角进入待命状态；当旋钮在自动位置时，系统自动完成各种预设任务，而且可以循环操作；当旋钮处于手动位置时，机械手通过手动控制来完成各种任务。根据一个作业周期中需要输入和输出的参数，画出PLC的I/O连接图，主要包括15个输入点和6个输出点。

图3　操作面板总体设计

由于不同机型的PLC，其I/O点的编号不同，因此应根据所选择的机型，对PLC的I/O点分配编号，本文采用的是ACMY-S80，图4表示其所对应的I/O点编号。

图4　PLC I/O连接示意图

2三轴机械手结构和伺服控制系统设计

2.1机械结构设计

机械手设计为三轴的形式，即X轴、Y轴、Z轴。其中，X轴为水平方向，设计的有效行程为3m；Y轴为竖直方向，其有效行程为3m；Z轴为垂直于XY轴方向，其有效行程为1m。其总体结构如图5所示。

图5　三轴机械手整体结构

根据机械手总体结构可以对机械手的手部进行设计，根据设计要求设计出的手部结构如图6所示。

图6　机械手手部结构图

图6中，FN为手指对工件的夹紧力，F为夹紧缸活塞杆的推力。三轴机械结构和机械手手部需要使用传动机构进行连接，其传动机构示意图如图7所示。

图7中，机械手传动的同步轮做成可调节结构，丝杆与滑轨之间的连接是丝杠是否移动顺畅和是否达到精度要求的主要原因，因此其连接块的精度要求比较高。丝杠与连接块连接示意图如图8所示。

三轴机械手的实际控制过程是比较复杂的，除了元件的非线性外，还要受到多种干扰，因此需要使用一种控制方案，对机械手的动作进行精确控制，从而提高定位和抓取的精度。

图7　机械手传动示意图

图8　连接结构示意图

2.2伺服控制系统

为了分析三轴机械手控制系统的本质，必须对实际机械手做进一步抽象和必要的简化处理。通过理论模型的简化和假设，机械手果蔬抓取系统的力学简化模型如图9所示。

图9　机械手采摘抓取果蔬过程物理模型

图9中，机械手连接块质量为mc(kg)，果蔬的质量为ml(kg)，机械手臂长度为l(m)，提升力为F2(N)，连接块与水平轨道的摩擦阻尼系数为μ(kg/s)，假设机械手初始位置为x，摆角为θ，根据图8可以建立机械手的力学模型。其中，机械手位置和果蔬的位置坐标可以表示为

(1)

通过建立机械手的速度和加速度方程，可以得机械手系统的方程组为

(2)

(3)

式(3)中的线速度和角加速度都可以利用伺服电机进行控制。假设速度控制函数为u(k)，u(k)的值和伺服电机的速度值时一一对应的，可以利用位置型PID控制算法，图10表示位置型PID算法的基本流程图。

图10　位置型PID控制算法流程图

图10中，r(k)、c(k)表示两次采样值；e(k)表示两次采样的偏差，即反馈调节数值；A表示期望输出数值。其结构框架如图11所示。

图11　位置型PID控制结构框架图

位置型PID的输出不仅与本次偏差有关，而且与历次测量偏差值都有关，计算时要对e(k)累加。

3果蔬采摘三轴并联机械手功能测试

为了测试设计的果蔬采摘三轴并联机械手采摘效果，对其进行了测试，并利用MatLab/Simulink模块对其PID控制性能进行了计算。其中，机械手的果蔬采摘实验测试如图12所示。

图12　果蔬采摘机器人实验示意图

对于PID控制，其参数整定过程是比较繁琐的，但是可以基于MatLab/Simulink仿真环境，模拟工程稳定边界法的PID参数整定策略和步骤，对PID参数进行整定，整定结果如表1所示。

表1　PID参数整定结果

针对PID参数的整定结果，通过反复修改、比较和仿真，确定系统的前馈PID的仿真参数为Kp=30，Ki=5.0，Kd=0.01。通过计算，得到了机械手位置的响应曲线如图13所示。

图13　PID控制机械手位置响应曲线

由图13可以看出：在计算到12s时，位置不在波动，说明利用PID控制可以短时间内准确定位，提高了机械手果蔬的采摘效率。

图14表示使用PID算法时，利用MatLab仿真模拟计算得到PID控制参数优化结果曲线。由图14可以看出：在计算到4s时，摆角不在波动，说明利用PID控制可以短时间内使摆角稳定，达到准确定位的目的。

表2表示果实的准确定位和单次定位时间测试结果。由表2可以看出：果实准确定位率较高，最高达到了98.56%。这说明在PID反馈调节作用下，果蔬采摘机械手具有较高的定位性能，从而可以有效的降低漏采率和破碎率；而单次定位时间耗时较低，说明采用三轴机械手可以有效的缩短机械动作响应时间，提高机械手的机械作业效率及果蔬采摘的效率。

表2　果实定位准确率和单次定位时间测试结果

4结论

基于PLC和PID反馈调节控制原理，采用伺服控制的方法设计了一种新的三轴果蔬采摘机械手。该机械手可以有效完成采摘过程的移动、升降和夹紧动作，提高了机械手的作业效率和作业精度。

对机械手的性能进行了测试，测试项目包括机械手的响应时间、超调量、机械作业效率和定位的准确率。由测试结果可以发现：调整时间和超调量都较低，准确定位最高达到了98.56%，且单次定位时间耗时较低，具有较高的作业效率。

参考文献：

[1]周俊,赵高阳,刘锐,等.基于粒子滤波的苹果采摘机器人目标姿态估算[J].农业机械学报,2011, 42(3): 161-165.

[2]谢志勇,张铁中.基于RGB 彩色模型的草莓图像色调分割算法[J].中国农业大学学报,2006,1l(1): 84-86.

[3]赵鹏,赵德安.双目立体视觉在果树采摘机器人中的应用[J].农机化研究,2009,31(1):212-214.

[4]王磊,段会川.Otsu方法在多阈值图像分割中的应用[J].计算机工程与设计,2008,29(11):2844-2845.

[5]戚继忠,王自强.基于ARM7TDMI 实现 CF 卡存储的文件系统设计[J].微处理机,2007(1):114-115.

[6]秦培龙,李国,李艳红.基于S3C44B0X 的Bootloader 设计与实现[J].微计算机信息,2008(2): 153-155.

[7]谢志勇,张铁中,赵金英.基于Hough 变换的成熟草莓识别技术[J].农业机械学报,2007,38(3):106-109.

[8]王东,赵宇,王秀红.一种改进的DFT迭代的MIMO-OFDM系统信道估计算法[J].应用科技.2009(3):19-22.

[9]徐文颖,张静,董建萍.导频信道估计中的插值算法[J].上海师范大学学报,2007,12(6):41-46.

[10]张铁中,杨丽,陈兵旗,等.农业机器人技术研究进展[J].中国科学:信息科技,2010,40(增刊1):71-87.

[11]毕坤,赵馨,侯睿锋,等.机器人技术在农业中的应用方向和发展趋势[J].中国农学通报,2011(27):469- 473.

[12]周俊,刘锐,张高阳.基于立体视觉的水果采摘机器人系统设计[J].农业机械学报,2010,41(6):158-162.

[13]宋健,孙学岩,张铁中,等.开放式茄子采摘机器人设计与试验[J].农业机械学报,2009,40(1):143-147.

[14]赵庆波,赵德安,姬伟,等.采摘机器人视觉伺服控制系统[J].农业机械学报,2009,40(1):152-156.

[15]段瑞玲,李庆祥,李玉和.图像边缘检测方法研究综述[J].光学技术,2005(3):415-419.

[16]魏伟波,芮筱亭.图像边缘检测方法研究[J].计算机工程与应用,2006(30):88-91.

[17]宏福.图像边缘分割算法的优化研究与仿真[J].计算机仿真,2011(11):280-283.

[18]袁春兰,熊宗龙.基于Sobel算子的图像边缘检测研究[J]河海科技大学学报,2009,30(6):31-48.

[19]韦艳,陈华根.GPS定位显示中的坐标转换[J].海洋绘,2010,30(3):16-19.

[20]郝冬,刘斌.基于模糊逻辑行为融合路径规划方法[J].计算机工程设计,2009,30(3):660-663.

[21]王建军,武秋俊.机器人在农业中的应用[J].农机化研究,2007(7):174-176.

[22]王俭,赵鹤鸣,陈卫东.基于子区域的机器人全覆盖路径规划的环境建模[J].苏州科技学院学报：工程技术版,2004,17(1):72-75.

[23]王建军,武秋俊.机器人在农业中的应用[J].农机化研究,2007(7):174-176.

Design of Picking Manipulator for Fruits and Vegetables Based on PLC Three Axis Servo Control System

Ding Hui, Chen Xiaolin

(Changzhou Vocational Institute of Light Industry, Changzhou 213164, China)

Abstract：In order to improve fruit picking manipulator's working efficiency and positioning accuracy and reduce the fruit and vegetable picking manipulator in picking process caused by the broken rate, simplify the structure and control method of manipulator design a new PLC triaxial servo control of fruit and vegetable picking manipulator based on, the manipulator can be flexibly the realization of moving, lifting and clamping and relax.For the validity and reliability of the test of mechanical hand, through the apple picking experiments of the manipulator performance were tested. Through the test found that, manipulator position and swing angle adjustment in less time, overshoot is low, in line with the design requirements.And accurate localization rate is higher, the highest reached 98.56%, fruit and vegetable picking manipulator has good localization performance, single positioning time consuming is low, manipulator mechanical higher operating efficiency to meet design requirement of picking fruits and vegetables on a large scale.

Key words：three axis manipulator; servo control; fruit picking; PID control; overshoot; PLC

文章编号：1003-188X(2016)07-0182-05

中图分类号：S225；TP242

文献标识码：A

作者简介：丁辉(1969-)，女，江苏大丰人，副教授，硕士。通讯作者：陈晓林(1965-)，男，江苏东台人，工程师，(E-mail)chenxiaolin1965@126.com。

基金项目：科学技术部科技型中小企业技术创新基金项目(13C26213201925)

收稿日期：2015-06-18