采摘機械手運動控制及避障研究
——基于PLC和物聯網遠程控制

賴文雅，王心海，凌永發，李碧青

(賀州學院，廣西 賀州 542899)

0 引言

用機器人和物聯網遠程操控，代替傳統的林間采摘作業，提高農業生產的標準化及效率，是未來現代農業的發展發向。機械手是機器人的重要部件，控制系統通過編程實現預期的操作，結合了人和機器的優勢，體現了很強的人工智能。本文根據采摘機器人作業的特點，結合機械手的運作方式，對機械手運動控制及避障進行設計和驗證，實現了機械手的避障及路徑優化功能。

1 采摘機械手遠程運動控制系統框架

為了實現對采摘機器人機械手的遠程控制，本文提出了一種基于PLC且包括客戶端和服務端的遠程運動控制系統。其中，服務端分為視頻采集和機械手控制兩部分，客戶端則包括對機械手的實時監測、操控及仿真等。系統整體框架結構如圖1所示。

采摘機械手遠程運動控制系統由4部分構成，具體敘述如下。

1)通訊協議模塊：①客戶端和服務端采用網絡協議通信，在客戶端指定數據包格式，并帶有確認機制，服務端根據數據包協議進行解析；②確定視覺服務器的數據傳輸協議包格式。

2)機器人控制服務器模塊：①客戶端操作機械手的界面；②機械手運動控制仿真與避障；③機器人仿真系統。

3)機械手模塊：機械手是用來進行采摘抓取的部件，主要是負責目標物體的采摘抓取。

4)視頻服務器模塊：機械手前端搭載CCD視覺傳感器，用來采集獲取前方實時信息，對采集的視頻進行數據分析處理后反饋給客戶端服務器。

圖1 系統整體框架結構圖Fig.1 The overall framework of the system structure

在整個架構中，機械手是最重要的模塊，其可根據機器人控制服務器編程電磁閥動作，實現手爪的抓取動作，其仿真模型設計如圖2所示。

2 軟硬件設計

2.1 采摘機械手系統硬件平臺

2.1.1 PLC控制系統

本設計采用西門s-200PLC為系統核心控制器，包含中央微處理器、存儲器、手持編程器、電源，以及各種輸入及輸出接口。PLC控制器通常采用軟件編程實現繼電器、定時計數器，以及數模、模數轉換的功能。另外，PLC采用內部總線實現數據信息的傳輸。PLC控制系統框架如圖3所示。

圖2 采摘機械手模塊仿真模型Fig.2 The simulation model of picking manipulator module

圖3 PLC控制系統框架圖Fig.3 The frame diagram of PLC control system

2.1.2 機械手運動控制參數轉換

在機械手運動控制過程中，系統對機械手進行控制時，需要實時了解其位置、運行速度及加速度等具體參數。本研究中，采用GT-400-SV運動控制卡控制機械手的控制，各參數的單位分別為：位置(pulse)、速度(pulse /ST)和加速度(pulse /ST2)，ST為控制其產生1個脈沖的周期時間。

1)設定運動位置。在閉環伺服系統運動位置設定中，機械手以速度和位置為參數的表達式分別為

(1)

(2)

其中，postion為機械手的運動位置；L為機械手關節長度。

2)速度設置。在閉環伺服系統中，機械手速度設置以速度為控制模式中，絲杠轉速表達式為

(3)

電機轉速表達式為

(4)

根據PLC控制器4倍頻工作特性，伺服控制器設定速度的表達式為

(5)

其中，V為電機速度；Vel為伺服控制器的設定速度。

3)加速度設置。和前面兩個參數一樣，在閉環伺服系統中，驅動器以速度為控制模式中，絲杠加速度表達式為

(6)

而電機轉速計算表達式為

(7)

根據PLC控制器4倍頻工作特性，控制器加速度表達式為

(8)

其中，acc為控制器設定的加速度值；a為機械手的運動加速度；m為脈沖倍頻。

2.2 采摘機械手系統軟件平臺

采摘機械手系統的軟件設計主要包括控制服務器(下位機)和本地客戶端(上位機)兩個方面。控制服務器主要由PLC為控制器為核心，負責采集機械手的實時運行狀況和解析視頻服務器的圖像信息，并分析本地服務器的數據包，實時控制機械手；另外，其通過網絡通信的方式將數據信息發送給本地服務器端，完成二者之間信息的交互。本地客戶端主要由PC機機上位機控制軟件構成，可以發送控制指令、接收和顯示采摘機器人的位置、速度，以及加速度信息。采摘機械手系統的軟件整體架構如圖4所示。

圖4 采摘機械手系統的軟件設計架構Fig.4 Software design framework of picking manipulator system

在整個軟件中設計中，控制服務器中的PLC控制程序最為復雜，包括公用、自動、手動和初始化4部分。PLC軟件主程序如圖5所示。

圖5 PLC軟件主程序圖Fig.5 PLC software main program diagram

圖5中，CJ為條件跳轉指令，主要是實現程序的跳轉，減少程序不必要的執行時間，提高系統效率。X0和X1為模式選擇端口，X0閉合，X1斷開時，程序為自動控制模式；而當X0斷開，X1閉合時，程序為手動程序和回原位程序。

3 采摘機械手運動學及避障原理

3.1 采摘機械手動力學運動分析

為了實現對采摘機械手的實時控制，首先需要搭建機械手的平面模型，其是跟蹤控制機械手運行軌跡的重要前提。該平面主要通過力學原理對機械手支撐結構進行動力學分析，根據機械手各種前行參數實現對其的控制，達到路徑規劃和避障的目的。采摘機械手動力學平面和空間結構如圖6所示。

圖6 采摘機械手動力學平面結構圖Fig.6 The manual mechanical plane diagram of picking machine

如圖7所示，l1為關節連桿1，其長度為250mm，可變角度為0°～180°；l2為關節連桿2，其長度為250mm，可變角度為0°～100°。另外，由于機械手的關節編碼器采取的是編碼器工作模式，因此在每次調用運動程序時需對機械臂進行初始化操作。關節坐標系和平面直角坐標系之間的坐標切換表達式為

(9)

其中，x、y分別是關節2在直接坐標系中的坐標；q1、q2是關節1在空間坐標系中轉過的角度。

圖7 采摘機械手動力學空間結構圖Fig.7 The manual mechanical space structure diagram of picking machine

根據式(9)可以計算出關節2末端在X-Y平面的位置，然后便可以實現對機械手的運動控制，計算表達式為

(10)

結合式(9)和式(10)，可得運動學逆運算的表達式為

(11)

控制服務器是對機械臂關節進行直接的處理，對機械手進行控制時，需要計算機械臂已經走過的距離，及其當前位置，而該距離的計算通常采用脈沖進行計算，該計算表達式為

(12)

其中，s為關節運動到目標位置的絕對距離。

距離計算公式為

(13)

其中，β為機械手關節2轉過的角度。

3.2 采摘機械手避障原理

在機械手和障礙物目標相切或者重疊時，表明有發生碰撞的可能，否則碰撞可能性為0。因此，在機械手運動控制的過程中，只需要考慮機械手和障礙物目標相切或者重疊的情形，便可以實現避障。為了判斷機械手和障礙物發生碰撞的可能性，本文采用人工勢場法對機械手和障礙物表面排斥力進行分析，并用dsafe和dmin分別表示機械手靠近障礙物的安全距離和極限距離；d為機械手和障礙物表面的最小距離。機械手和障礙物表面的距離關系如圖8所示。

圖8 機械手和障礙物表面的距離Fig.8 The distance between the robot and the surface of the obstacle

如圖8所示：根據d、dlim、dsafe3點與機械手平面直接的距離計算排斥力，即

(14)

其中，K為比例系數；fmax為最大排斥力。K和fmax之間的關系為

(15)

當機械手向障礙物靠近時，d

4 實驗與結果分析

為了驗證采摘機械手運動控制及避障系統的實時性與可靠性，本文利用MatLab進行了仿真試驗。在試驗中，設定步長對0.5°，實現目的是測試機械手是否具備對空間障礙物進行有效避障及重新規劃路徑的能力。仿真結果如圖9所示。

圖9 機械手避障仿真圖Fig.9 The obstacle avoidance simulation diagram of manipulator

如圖9所示：機械手沿著x軸正方向前進，在步進180次時達到A點，此時，與一障礙物達到了最大排斥力fmax，因此系統采取了避障措施，成功繞過了該障礙物。實驗結果表明：該系統碰到障礙物時，能夠以最優的圓弧路徑避開障礙物向目標點靠近，優化效果明顯，具有很強的避障及路徑規劃能力。

5 結論

首先對采摘機械手遠程運動控制系統框架進行闡述；然后著手對系統整個軟硬件進行了有效設計；最后通過對機械手的運動過程進行建模，計算和分析了運動控制及避障的原理，實現了采摘機械手運動控制及避障系統。實驗結果表明：該系統碰到障礙物時，能夠以以最優的圓弧路徑避開障礙物向目標點靠近，優化效果明顯，具有很強的避障及路徑優化能力。