PLC 的采摘机械手电气自动化技术分析

刘 丹

（长春汽车工业高等专科学校，吉林 长春 130013）

随着科学技术的飞速发展，通信技术正在发生翻天覆地的变化，特别是计算机技术的日臻成熟，越来越多的全新技术形态不断涌现，PLC 技术就是其中的一种[1]。PLC 是一个微型计算处理器，不仅包含了先进的通信技术，同时也包括了互联网技术、人工智能等众多技术形态。而随着PLC 技术的不断发展，它在多个领域被普遍应用。实践证明，PLC 技术对于全面提高生产质量和农业采摘效率都会带来巨大的帮助。不少专家认为，PLC 技术是未来电气工程自动化技术中的重要形态。

1 PLC技术的优势

PLC 技术作为一项全新的技术形态，能够被众多行业所应用，一定有着属于自己的独特优势。1）从PLC 的结构上来看，构成并不复杂。由于采用了先进的通信技术，可靠程度相对较高，不容易受到其他环境因素影响，能够保证维护工作自主展开，这对于自动化技术的应用将会带来极大帮助。2）对于控制程序的编写来说，PLC 技术可以满足现代化编程需求，适合技术人员根据自身需求合理编写程序，有利于企业的快速发展。3）从PLC 技术的编程语言选择上来看，相对较为简单，适合在生产一线技术人员中进行全面推广，使生产一线技术人员掌握一定的编程能力，这对于全面提高工厂自动化技术水平、实现技术能力提高将会带来极大帮助。总的来说，PLC 技术有着较多优势，特别是随着互联网时代的不断发展，该技术的实际应用能够实现在线数据交换，降低人工成本，进而引领行业发展趋势，对于农业采摘来说也是如此[2-3]。从这一点上来说，如果将PLC 技术和农业采摘相结合，必将助推我国农业生产效率和产品质量的提升。

2 传统采摘技术存在的弊端

近年来，虽然我国在大数据、物联网、人工智能等新兴技术方面成绩斐然，但仍有不少行业的生产模式滞后，农业行业尤其如此。其实现在市场上有很多的采摘机器人，但由于种种原因不少农户依然会选择人工采摘，但人工采摘的弊端显而易见：1）人工采摘效率并不是特别高，再加上人的精力十分有限。虽然采摘前期可能会相对较快，但进入后期，采摘速度将会持续下降，这会给身体带来较大负荷，也容易产生意外风险。2）人工采摘很容易导致果实受到伤害，人在采摘过程当中稍有不注意就可能会对果实外观产生破坏，使得果实外售价格受到较大影响，引起不必要的经济损失。3）人工采摘成本相对较高。在果实丰收的季节里，需要采摘的果实总量往往相对较大，这就会造成雇佣劳动者数量相对较多，使得农业水果种植成本不断增加[4]。

3 基于PLC的采摘机械手电气自动化技术

3.1 技术优势

农业现代化技术持续进步，很多具备自主作业能力的采摘机器人已经开始被逐渐应用在农业生产过程当中。但受制于自动化控制系统，目前的采摘作业效率并不是特别理想，而基于PLC 技术所产生的控制系统是依靠现代化编程所实现的自动化控制程序[5]。该项技术融合了多种技术形态，具备适用范围广、抗干扰能力强等一系列优点。而借助PLC 的强大处理能力，能够实现自主动作的精确控制，这使得采摘机器人工作效率能够进一步提高，从而全面提升采摘质量[6]。总的来说，PLC 技术能够全面提高采摘机器人的工作效率，实现采摘精确性的全面提升，但目前PLC 技术在我国应用范围还不是特别广，技术并不是特别成熟，需要进一步改进。这也就是目前我国很多农业采摘仍然采取人工采摘，并没有运用采摘机器人进行采摘的根本原因。

3.2 软件系统设计

采摘机械手电气自动化控制系统软件部分的设计非常重要，采摘机器人电气自动化控制系统主要由5 部分组成，包括传感器组件、PLC 测控平台、比例控制放大器、电液比例方向阀和机械手执行机构。机械手作业时，传感器将采集信息传送给PLC 测控平台，平台通过信息处理向比例控制放大器发出控制信号，控制电液比例方向阀，使采摘末端的执行机构执行相关的动作。控制过程的主要流程为：输入机器人及机械手的初始位置信息，再利用传感器采集待作业区域及待采摘目标距离信息，通过对比确定调整机械手位置，最后利用PID 控制程序子程序控制比例阀动作。在电气自动化系统进行控制时，电机的控制方式采用的是PID算法的PI 控制方式，其连续性控制方程为：

其中，Kp为比例增益；Ki为积分增益。其对应的数字离散方程为：

其中，Un为n 次采样的输出值；en为相对于前一次采用的偏差，Ti为积分时间。其前一次方程为：

两方程相减可得：

采用增量式的PI 控制可以避免误差的累加，这是由于增量式的控制与3 次的数据有关，且通过加权处理可以较好地消除误差的影响。

4 机械采摘手发展概况

4.1 具体分类

从目前机械采摘的工作类型来看，主要有以下3种方式：撞击式、切割式、阵摇式。撞击式是利用机器本身的冲击力，将果树的果干撞折或者是直接冲击果枝，使得水果从枝头掉落，掉落的果实会被预先设置的装置所接收[7]。这种方法的缺陷是会对果枝的外观形态造成损伤，使得果树结果受到较大影响。切割式会将枝条或者是水果的果柄切断，从而完成水果采摘，这种切割作业方式会使果树自身受到二次伤害[8]。阵摇式则会借助机器的作用，使得果树中的果实受到加速度的影响从而脱落。总的来说，这3种采摘方式各有利弊，但仍会对果树本身造成一定伤害，并不利于水果结果量的持续上升，也充分说明现在的采摘机器人存在较大弊端。

4.2 机器人采摘的技术原理

从目前的水果采摘机器人构成来看，主要由机械手臂、末端执行器、视觉识别装置、行走装置、中心控制系统5 个部分组成。就具体工作原理来说，水果采摘机器人往往会通过自身所设置的摄像头对果实形态进行拍照，并与自身储存的成熟果实图片相比对，来判断果实是否成熟[9]。当判定为果实成熟以后，便会通过设定的程序移动到目标位置。而行走装置往往是由4 个轮子组成，可以做到快速移动并通过加设收集装置对果实进行收集，而最后一步就是利用机械手臂中的旋转方式将果实拧下来。其中，视觉识别系统是利用目前较为成熟的视距双目识别技术。这种技术的特点在于模仿人的眼部动作来对物体进行观察，两台摄像机就是人的两个眼睛，彼此之间分开一定距离。通过获取图像的方式来对果实位置进行判断[10]。获取图像，再对两个图像的差异进行比较，利用三角测距的方法来得到果实位置。这种技术最大优势就是成本相对较低，而且能够在短时间内快速对果实进行识别。而末端装置则是利用仿生学原理模仿人的手指，能够实现快速抓取。果实行走装置一般采用轮式装置，稳定性相对较高，不会发生侧翻等一系列事故，但这种方式如果遇到较为松软的土地，则很难行进，而坡度较陡的地方也不适合其应用。

4.3 机器人采摘的发展难点

水果采摘机器人发展到目前仍然存在一定困难，其中一部分困难就来自果实的判断和识别定位。果实的成熟判断水平将会直接决定水果采摘机器人自身的工作效率，如果在图像识别和路径判断上浪费较多的时间，则会造成工作效率的进一步下降。在此情况下，机器人的工作效率可能还不如人工采集效率高，那么对于采摘机器人应用也就没有任何意义。除此之外，定位识别成熟果实也往往容易受到外在系统的影响，光线和光照都是重要影响因素之一。例如，如果果树的枝叶较为繁茂，则会将果实挡在其中，使得水果采摘机器人不能第一时间对是否有果实做出准确判断，会使水果采摘机器人自身的工作难度进一步提高。如何不影响水果果实和植物生长状态，也是水果采摘机器人发展的难点。水果采摘机器人在行走和采摘收割过程当中，要想不损坏果实是几乎无法实现的，而且将水果采摘之后如何对断口进行合理处理，避免因为断口导致果蔬来年结果能力越来越差就变得尤为关键了。这就需要对水果的切割方法进行调整，使其进一步满足实际需求。因此，必须对水果切割方式做出有效调整，避免对果树造成二次伤害，而高温切割则是非常好的一种方式，但仍然需要进行大量实验才能够解决相关问题，以便最大限度地发挥机器人在农业采摘中的作用。总的来说，目前采摘机器人自身所遇到的困难相对较多，需要广大科技人员投入更大的精力，进一步提高水果采摘质量。

4.4 采摘装置的发展趋势

从目前情况来看，仍然会产生较多问题，在短时间内没有办法做到大规模使用。而从采摘装置研发方向来看，多功能性将会成为未来发展方向。不但能够采摘果实，还能够实现多元化技术动作，其中就包括了枝条修剪、施用肥料等。与此同时，应减少购买设备所需要的成本费用，进一步降低农业生产种植过程当中所产生的成本开支。此外，有专家指出机械采摘另外的发展渠道就是实现采摘和运输双功能。目前我国大多数果园均处在山区丘陵中，往外运输水果工作十分困难。使用人工进行运输的话，不仅会造成较大的工作强度，也会提升生产成本。因此，研究一款相对较为省力的运输机器，将会变得十分重要。在程序设置和机器人结构构成上也要更加灵活，一方面要适应农民朋友自身素养，另一方面则采取仿生学设计方式，实现灵活操作，避免对水果外观造成破坏。总的来说，采摘机器人将会成为未来的重要发展领域。如何提高机器人的采摘质量，避免对果树造成二次破坏，将会成为研究重点。另外，也需要在成熟水果识别和定位上投入更多精力，使自主采摘机器人具备较强的识别能力，进一步提升采摘效率。

5 结语

综上所述，随着我国现代化农业技术的不断发展，运用机器人进行采摘将会成为现实。一方面，机械采摘能够提高采摘效率，降低人工成本；另一方面，机械采摘技术将会变得越来越成熟，目前所产生的一些问题都将会随着科技的进步而逐步得到解决。总的来说，我们需要在机器人设计方面投入更多的精力，结合实际情况进行多样化机器人技术设计，特别是要加强PLC 技术应用比例，以提升我国采摘机器人自动化程度，真正做到智能化、高效化，为我国农业现代化发展提供帮助。