數(shù)控技術(shù)在采摘機(jī)器人作業(yè)中的應(yīng)用

葉 濤

(信陽高級(jí)技工學(xué)校，河南 信陽 464000)

0 引言

采摘作業(yè)是農(nóng)業(yè)種植中耗時(shí)最多、成本最高的環(huán)節(jié)，基于果蔬的季節(jié)性在其成熟后需要在極短時(shí)間內(nèi)完成采摘工作。當(dāng)前，我國(guó)果蔬種植面積不斷增大，但采摘作業(yè)仍以人工采摘為主，且采摘過程中的成本占據(jù)總成本比例為50%～70%。隨著果蔬種植面積不斷提升，我國(guó)果蔬采摘要求逐漸提升，傳統(tǒng)手工采摘無法滿足實(shí)際需求，因此我國(guó)一些地區(qū)開始采用采摘機(jī)器人代替人工采摘，不僅有效提升采摘效率，還降低采摘成本。采摘機(jī)器人主要通過數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制，其路線規(guī)劃及避障等均建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上。本文以數(shù)控技術(shù)為基礎(chǔ)，探究該項(xiàng)技術(shù)在采摘機(jī)器人運(yùn)作過程中的應(yīng)用，并構(gòu)建出模型進(jìn)行應(yīng)用解析。

1 采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人成本、耗能等方面需求，本研究在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人過程中采用欠驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。該機(jī)器人主體部分主要包括兩個(gè)部分：后置輪式移動(dòng)平臺(tái)及末端執(zhí)行機(jī)械手。該結(jié)構(gòu)為6自由度機(jī)器人，通過對(duì)末端執(zhí)行裝置的改進(jìn)便可適應(yīng)對(duì)多品種果蔬的采摘，從而實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。該結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)為后輪驅(qū)動(dòng)模式，避免轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)冗余情況的出現(xiàn)，可在多種復(fù)雜環(huán)境中運(yùn)行。其簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，前期制造成本和后期維護(hù)成本均較低，可滿足農(nóng)用需求。

1.機(jī)械臂 2.末端機(jī)械手 3.轉(zhuǎn)向輪 4.驅(qū)動(dòng)輪 5.果蔬存儲(chǔ)廂 6.自動(dòng)控制室圖1 采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of picking robot

工作過程中，車輪移動(dòng)，機(jī)械手通過智能控制到達(dá)指定位置進(jìn)行果蔬采摘。其具體工作流程為:通過系統(tǒng)數(shù)控技術(shù)控制機(jī)器人到達(dá)指定位置，由上位機(jī)進(jìn)行圖像采集視覺圖像后判斷果蔬具體位置，并通過控制程序反饋信息進(jìn)行動(dòng)力學(xué)求解，將求解得到的運(yùn)動(dòng)信號(hào)反饋至機(jī)械手部分進(jìn)行采摘作業(yè)。采摘成功后，將果蔬放置于車廂中，以此循環(huán)直至采摘作業(yè)完成。其轉(zhuǎn)向作業(yè)則是通過自身系統(tǒng)結(jié)合GPS規(guī)劃路線，到達(dá)轉(zhuǎn)向邊界會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，繼續(xù)采摘。

1.2 部件設(shè)計(jì)

1)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人采用后輪驅(qū)動(dòng)、前輪轉(zhuǎn)向方式控制其運(yùn)動(dòng)過程，后輪與伺服電機(jī)串聯(lián)從而有效降低傳動(dòng)過程中的能量損失，并節(jié)省系統(tǒng)空間，在復(fù)雜地形下可最大限度實(shí)現(xiàn)功率傳遞。前輪部分則是通過伺服電機(jī)串聯(lián)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，確保采摘機(jī)器人行走中具備高精度控制能力。其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.結(jié)構(gòu)固定架 2.帶座軸承平臺(tái)臺(tái) 3.帶座軸承 4.套筒 5.鏈輪 6.鏈條 7.法蘭套筒 8.軸承 9.銷軸 10.鏈輪 11.后輪輪軸 12.后輪 13.伺服電機(jī)圖2 采摘機(jī)器人驅(qū)動(dòng)裝置Fig.2 Picking robot driving device

2)末端執(zhí)行裝置。末端執(zhí)行裝置是整個(gè)結(jié)構(gòu)的核心部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.伺服電機(jī) 2.車廂底部前端固定板 3.同步帶輪 4.同步帶 5.套筒 6.帶座軸承 7.伺服電機(jī) 8.視頻捕捉裝置 9.機(jī)械手爪 10.機(jī)械臂 11.U型件(小) 12.U型件(大) 13.機(jī)械臂 14. U型件(小) 15.伺服電機(jī) 16.U型件(大) 17.機(jī)械臂 18.末端執(zhí)行裝置底座 19.同步帶轉(zhuǎn)盤圖3 末端執(zhí)行裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 End effector structure

該結(jié)構(gòu)各個(gè)關(guān)節(jié)的傳動(dòng)過程均為諧波傳動(dòng)，并需通過伺服電機(jī)行星減速機(jī)實(shí)現(xiàn)其力矩傳輸效率最大化。該結(jié)構(gòu)具有尺寸較小、運(yùn)動(dòng)靈活、工作效率高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足果蔬采摘多種需求。末端執(zhí)行器的圓周轉(zhuǎn)動(dòng)方式主要通過齒輪實(shí)現(xiàn)，該種方式傳動(dòng)效率可達(dá)到0.99，實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)過程中可在無滑動(dòng)情況下保持較高傳動(dòng)精度，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂的精確定位。

2 機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

本研究采摘機(jī)器人為六自由度裝置，其運(yùn)動(dòng)過程主要通過中央控制器進(jìn)行控制，以矩陣形式控制末端執(zhí)行器的動(dòng)作規(guī)劃，結(jié)合實(shí)際情況控制末端執(zhí)行裝置的移動(dòng)。

2.1 末端執(zhí)行裝置參數(shù)化建模

末端執(zhí)行裝置位置矢量可對(duì)其空間任意點(diǎn)位置進(jìn)行描述，建立關(guān)于末端執(zhí)行裝置的空間三維之間坐標(biāo)系，將其表示為∑A，對(duì)空間任意一點(diǎn)P可將其描述為下列矩陣，即

式中Px—空間X方向分量；

Py—空間Y方向分量；

Pz—空間Z方向分量；

AP—其中上標(biāo)A表示參考坐標(biāo)系∑A。

對(duì)于空間存在的某剛體B設(shè)定∑B，并設(shè)定其3個(gè)單位主矢量相對(duì)于所建立的∑A方向余弦構(gòu)成的三階矩陣，可將其表示為

對(duì)剛體B上任意一點(diǎn)均可在坐標(biāo)系均可對(duì)其進(jìn)行描述，即通過B的固連坐標(biāo)系∑B將處于坐標(biāo)系∑A的點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)合，將其表描述為APB0,在此基礎(chǔ)上可得到

上式中的復(fù)合映射可將其表示為3×4形式齊次矩陣，在實(shí)際表達(dá)過程中可將AP表示為4×1的列矢量，之后便可得到點(diǎn)P在其所處直角坐標(biāo)系∑A中的齊次矩陣表達(dá)式，將其表示為

3 采摘機(jī)器人的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本研究采摘機(jī)器人主要通過數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制，在控制過程中需要設(shè)計(jì)其專屬控制系統(tǒng)，協(xié)調(diào)系統(tǒng)多個(gè)單元從而完成一整套目標(biāo)作業(yè)。軟件部分主要由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件兩部分構(gòu)成，用戶需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作時(shí)，即通過上位機(jī)對(duì)采摘機(jī)器人傳送指令，下位機(jī)部分則通過無線終端進(jìn)行數(shù)據(jù)接受，在相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的協(xié)助下展開作業(yè)。

3.1 PID 算法程序設(shè)計(jì)

本研究構(gòu)建的PID控制模型如圖4所示。

圖4 PID控制模型Fig.4 PID control model

PID控制模型主要通過積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)3個(gè)部分進(jìn)行調(diào)節(jié)。其中，輸入部分為

e(t)=r(t)-y(t)

輸出部分為

式中p—比例環(huán)節(jié)；

i—積分環(huán)節(jié)；

D—微分環(huán)節(jié)；

Kp—比例增益系數(shù)；

Ki—積分時(shí)間常數(shù)；

KD—微分常數(shù)。

1)比例調(diào)節(jié)：該調(diào)節(jié)是PID調(diào)節(jié)中最基本的控制方式，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中起主導(dǎo)作用，通過比例調(diào)節(jié)可控制系統(tǒng)反應(yīng)速度，從而促使系統(tǒng)輸入與輸出部分時(shí)差最小化，屬于一種同步行為，具有良好動(dòng)態(tài)性，可針對(duì)各種情況實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最大限度降低誤差；但無法將參數(shù)完全回到給定值，控制結(jié)果會(huì)造成余差，且在比例調(diào)節(jié)過程中調(diào)節(jié)器的信號(hào)輸出u與信號(hào)偏差e之間存在如下函數(shù)關(guān)系：

u=kce

2)積分環(huán)節(jié)：調(diào)節(jié)器的信號(hào)輸出u與信號(hào)偏差e之間存在如下函數(shù)關(guān)系，即

通過上文分析可知：只有當(dāng)偏差最后為零時(shí)，系統(tǒng)才能穩(wěn)定輸出，積分調(diào)節(jié)可消除系統(tǒng)存在的余差。通過奈式定理可知：系統(tǒng)中不平衡被控制對(duì)象在進(jìn)行比例調(diào)節(jié)過程中，只需要放大其比例便可促進(jìn)總體系統(tǒng)不斷趨于穩(wěn)定。在調(diào)節(jié)系統(tǒng)過程中若通過I調(diào)節(jié)則無法使得系統(tǒng)穩(wěn)定，積分調(diào)節(jié)在運(yùn)行過程中存在一定滯后性，因此其滯后性使得積分控制的作用比不上比例調(diào)節(jié)。

3)微分環(huán)節(jié): 調(diào)節(jié)器的信號(hào)輸出u與信號(hào)偏差e之間存在如下函數(shù)關(guān)系，即

微分調(diào)節(jié)主要是結(jié)合系統(tǒng)偏差信號(hào)微分展開動(dòng)作，根據(jù)其偏差變化進(jìn)行判斷：若偏差未變化則該調(diào)解器未起到作用；若偏差變化較大則微分調(diào)節(jié)器作用明顯，可及時(shí)控制系統(tǒng)偏差的增長(zhǎng)，并逐漸提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不斷提升。

3.2 數(shù)控硬件系統(tǒng)

采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行裝置主要由步進(jìn)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器及單片機(jī)等部分組成，其控制過程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)控制簡(jiǎn)圖Fig.5 System control diagram

本研究選擇的單片機(jī)為AVR ATmega16單片機(jī)，具有較高集成性，且成本低廉，滿足采摘機(jī)械手多功能需求。AVR ATmega16單片機(jī)的額定電壓為4.5～5.5V，具備16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，并具備512字節(jié)EEPROM。ATmega16單片機(jī)的電路引腳圖如圖6所示。

圖6 ATmega16單片機(jī)的電路引腳圖Fig.6 ATmega16 microcontroller circuit pin diagram

1)直線步進(jìn)電機(jī)。末端執(zhí)行器部分采用的是直線步進(jìn)電機(jī)以及氣缸作為動(dòng)力裝置，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中考慮其控制過程穩(wěn)定性及簡(jiǎn)潔性且適合室外土地運(yùn)行需求，直線步進(jìn)電機(jī)在摘取過程中主要實(shí)現(xiàn)對(duì)果樹的夾取。選擇的電機(jī)模型如圖7所示。

圖7 直線步進(jìn)電機(jī)模型Fig.7 Step motor model

結(jié)合實(shí)際情況選擇直線步進(jìn)電機(jī)的參數(shù),如表1所示。

表1 直線步進(jìn)電機(jī)參數(shù)Table 1 Parameters of stepping motor

2)減速步進(jìn)電機(jī)。采摘機(jī)器人末端執(zhí)行器主要是采用旋轉(zhuǎn)采摘方式，因此在實(shí)際研究過程中需要較大力矩，需要減速步進(jìn)電機(jī)的支持。

選擇減速步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)如表2所示。

表2 減速步進(jìn)電機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of deceleration step motor

3)傳感器。本研究傳感器主要包括紅外傳感器和壓力傳感器。光電位置開關(guān)主要安裝于末端采摘機(jī)械手手指兩側(cè)，其安裝位置距離指端距離控制在10～15mm，其作用主要是對(duì)果蔬所在位置進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)直線不僅電機(jī)的運(yùn)行進(jìn)行控制，傳感器檢測(cè)到果蔬后便會(huì)輸出高電平，并通過單片機(jī)對(duì)動(dòng)作進(jìn)行控制。本研究選擇的是ADC0832紅外傳感器，如圖8所示。

圖8 ADC0832紅外傳感器Fig.8 Infrared sensors

壓力傳感器主要是對(duì)末端采摘機(jī)械手的擠壓力進(jìn)行控制，避免擠壓果蔬造成損傷，本研究采用FSR402 壓力傳感器。通過FSR402壓力傳感器產(chǎn)生模擬信號(hào)，并通過 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過電路將壓力傳感器和傳感器連接起來。FSR402 壓力傳感器如圖9所示，A/D轉(zhuǎn)換流程如圖10所示。

圖9 FSR402 壓力傳感器Fig.9 FSR402 pressure sensor

圖10 /D轉(zhuǎn)換流程Fig.10 /D conversion process

通過以上硬軟件結(jié)合便可構(gòu)建出系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)器人作業(yè)的有效控制。

4 結(jié)論

對(duì)數(shù)控技術(shù)在采摘機(jī)器人中的運(yùn)行控制進(jìn)行了分析。該結(jié)構(gòu)實(shí)際工作過程中， 車輪移動(dòng)， 機(jī)械手通過智能控制到達(dá)指定位置進(jìn)行果蔬采摘。重點(diǎn)闡述了驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)及末端執(zhí)行裝置的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)械臂的正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)進(jìn)行分析，為數(shù)控過程奠定基礎(chǔ)。通過PID控制實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘機(jī)器人的自動(dòng)化控制，構(gòu)建出PID控制模型及數(shù)控硬件系統(tǒng)，以對(duì)步進(jìn)電機(jī)結(jié)合傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)控，確定硬件的參數(shù)。