采茶機器人的機械自動化控制系統設計分析

辛文文

（青海省西寧市青海大學，青海西寧 810016）

手工采茶勞動強度大且效率低，品質不理想，采茶機器人的應用，通過懸臂式機械臂獨立采摘，有效提高了作業效率。優化脈沖輸出頻率、系統阻尼等影響工作效率的因素，可顯著提升三軸電機伺服系統，以及三軸、二軸聯動的工作效率。

1 機器人機械結構設計

1.1 方案設計

采茶機器人順利作業，需要了解茶棚的空間尺寸、茶葉外形，合理設計三軸機械手，以及采摘爪手（二手指式）。通過單機械手與龍門式布置，沿茶棚走向在茶棚兩側設計X軸，且軸間同步運動。Y軸橫跨茶棚，在Z軸設計爪手。機械手控制器、圖像單元間通過通信獲得茶葉單位坐標參數，圍繞坐標序列，XY軸達到指定坐標后，Z軸導致坐標位置，通過爪手閉合實現采摘。茶葉在負壓風機帶動下回收，即完成一次采摘作業，三軸再次動作實現下一次采摘作業。

1.2 機械結構設計

根據茶棚長寬高，茶葉行間距等數據，設計三軸有效行程。為減少Y軸定量撓度，需對該軸施以強度校核。兩個X軸間選用圓弧齒同步帶。采摘爪手施以舵機驅動，其輸出軸控制左爪手旋轉，與后側手指間齒輪嚙合，此時右側手指同步向另一側旋轉，兩手指分別沿順、逆時針旋轉，由四連桿機構閉合，由刀片輔以墊塊實現茶葉切割[1]。

2 機器人控制系統分析

DSP控制器、圖像處理單元間通訊后，控制器向三軸伺服驅動器、爪手舵機同時發送脈沖，三軸伺服驅動器控制三軸電機動作。

2.1 系統硬件構成

執行機構中，電機選用直流伺服電機。直流伺服電機免維護但控制復雜，易于實現智能化。主要由電機后端編碼器控制精度，低俗運行平穩低頻特性，過載能力強。電機接受DSP控制信號后，由閉環控制實現精準定位，驅動器根據電機編碼器反饋信號采樣，響應速度快但結構與制造復雜，且成本高。

舵機（型號MG995）接收PWM控制信號后，根據占空比輸出舵機轉軸角度，角度靈活轉變的控制系統適用。DSP控制器會輸出脈沖信號，且是含兩個不同占空比的信號，實現對爪手動作的控制。

電機驅動器選用能夠控制電流環、速度環、位置環的直流伺服啟動器（型號MLDS2410-A1），內部含有PID集成控制電路。利用其配套參數設置軟件，圍繞旋轉編碼器、電機的參數，設置驅動器各參數，設置后存入EEPROM內。

控制器包括單片微控制器、DSP數字信號處理器、PLC可編程邏輯控制器、智能控制芯片、工業控制計算機等，實現對控制指令的接收，并反饋信息，通過兩者比較利用控制算法形成控制信號，實現對控制對象的控制。各種控制器都有一定的優缺點，綜合其經濟性、移動作業特征等，選用功能強大的32位定點DSP控制器，具有密保保護機制、兼顧控制及快算功能[2]。

繼電器可實現控制器對大功率電磁閥的弱電控制，固態繼電器由分離電子期間、微電子電路等組成，在輸入端施以控制信號，可實現對大電流負載驅動的效果。不僅操作安全，同時開關速度、抗干擾性、靈敏性、控制功率、電磁兼容性等方面理想，可有效控制電磁閥的通斷電。光電行程開關選用EE-SX674型號，限制各軸極限，避難機械手運行碰撞。

2.2 軟件設計

開始后系統初始化三軸歸零且爪手張開，從圖像單元獲取位置參數，二軸或三軸聯動，舵機動作驅動爪手采摘，風機回收茶葉至收集箱。當區域內所有點采摘完成進行下一區域采摘，若區域內未全部采摘回至二軸或三軸聯動作業環節，以此循環實現茶葉采摘。系統設計由CCS3.3軟件實現，配置函數具備初始化各相關寄存器功能；各任務函數分別具備各軸歸零、串口通信、檢測位置超行程、二軸動作、Z軸向下移動、爪手閉合、Z軸向上移動、爪手張開功能。各中斷函數分別具備實現X、Y、Z三軸位置中斷響應功能。控制系統中DSP、圖像處理單元的通信，串口通信工作流程為此系統初始化后，控制系統進入串口通信子程，當檢測輸入中斷標志為1，接收數據并轉存至結構體中，接收到結束標志數據終止通信。當檢測輸入中斷標志不為1時，重復該操作，直至中斷標志為1，再展開數據接收與結束通信步驟。

3 控制系統驗證

3.1 機械手系統

機械手系統由控制柜、三軸滑臺等部件組成，組件安裝后用履帶拖拉，軟件、硬件都是系統效率影響因素。其中軟件因素，DSP控制存在兩個實踐管理器，分別存在獨立性的計數器，控制計數器參數可調整溢出中斷周期，最終實現調整輸出脈沖頻率。硬件因素中，電機的物理特性，也會直接影響系統作業效率，直接電機轉速可通過理想空載轉速，減去等效負載曲線斜率、負載轉矩的乘積得出。

3.2 試驗

針對于最高工作頻率的測定，可確保實際作業最高轉速，試驗方法是不與圖像處理單元通信情況下，利用CCS軟件，調節系統脈沖輸出評率，獲取三軸電機最快工作效率。最終檢測結果顯示，當電機空載轉速、電機運行速度間存在正相關；系統阻尼涵蓋各種摩擦阻尼，與負載轉矩間存在正相關，轉矩越大轉速下降越快；負載與轉速存在負相關，即負載減小轉速提升；當負載轉矩一定，減速比、電機減速間存在正相關，當減速比增加，電機轉速提升，脈沖頻率隨之增強。

針對于聯動作業效率的測定，主要目的了解三軸、二軸聯動作業效率。試驗方法是記錄機械手在各個坐標條件下的平均采摘時間，計算各組二軸、三軸聯動耗時時間，計算各聯動形式均值，以及平均利用時間。結果顯示二軸聯動達到指定坐標點后，Z軸動作到達指定坐標后，爪手迅速開啟與閉合完成采摘。爪手垂直動作，與周圍茶葉不會造成影響，但動作效率不高。三軸聯動時，各軸達到指定坐標點，爪手動作完成采摘后移動到下一坐標點。運行速度迅速，但爪手與周圍茶葉產生接觸。兩種聯動形式比較，Z軸獨立動作時間減少，節省的兩個動作花費時間。二軸聯動Z軸約兩千次每小時，三軸聯動約兩千五百次每小時，可見后者聯動形式的速度優勢明顯[3]。

可見脈沖輸出頻率、系統阻尼、減速機減速比、電機空載轉速等是工作效率主要影響因素。通過測試得出三軸電機的最大工作速度、最高工作頻率。同時三軸聯動的工作效率，明顯高于二軸聯動效率。通過實際采摘試驗后還需根據實際情況調整控制系統的穩定性。

為提高作業效率，在采摘機器人的結構設計基礎上進行了優化，將機械結構改為懸臂梁式，機械手由以往的Z軸改為與Y軸平行式結構，分為左Y軸與右Y軸，在兩Y軸上設計左Z軸與右Z軸。機械手與茶棚間隔指定距離，兩Y軸隨承載移動平臺移動。滑臺需合理控制三軸的有效行程、長度、臺面尺寸、每轉進給量、最大速度、重復定位精度等參數。采摘爪手以推拉式電磁鐵制動，通過電磁吸力動作，根據彈簧彈力歸位，通過微型軸承，實現固定銷、轉動鉸鏈間的配合，確保作業精度與效率。爪手系統由電磁鐵、轉動鉸鏈、固定銷、手指、墊塊、刀片、左右連桿組成，初始狀態下，電磁鐵頭伸出爪手張開。電磁鐵通電后，電磁鐵向上由四連桿帶動手指閉合完成茶葉采摘。

兩種設計方案比較，以往的單體機械手結構，滾珠絲杠結構，不僅結構簡單穩定且易于安裝，定位精度與穩定性強。但受閉環伺服控制影響，單體工作效率不高。優化后的雙機械臂結構，同步帶結構，兩機械手通過協調完成茶葉采摘，具有工作效率高的優勢，但結構繁瑣且穩定性差，后續還需通過控制算法改善其穩定與定位精準度。

4 總結

利用DSP控制器、直流伺服電機等設備設計出了龍門式三軸直角坐標機械，通過對采摘抓手的優化，克服了負載、脈沖輸出頻率等問題，設計了懸臂式雙臂對稱爪手，采摘效率顯著提升。

[1]侯龍瀟,王鵬飛.基于PLC的機器人自動控制系統的設計探討[J].工程技術（全文版）,2016（4）:00257-00257.

[2]諶孫杰,馬璐,吳秋平.兩自由度并聯機器人控制系統設計[J].計算機測量與控制,2016（6）:110-112.

[3]殷蘇民,鄭昌俊,徐啟祥,等.基于Sysmac自動化平臺的Delta機器人控制系統設計[J].機床與液壓,2017（3）:1-5.