采摘機械手末端控制系統的設計—基于PLC和MCGS組態軟件

李 慧,李 麗

(焦作師范高等專科學校a.理工學院;b.計算機與信息工程學院,河南 焦作 454000)

0 引言

隨著科學技術的發展和進步,以各種控制器控制的不同類型的機械手憑借其突出的性能被廣泛地應用。機械手在不同的作業場合,尤其是在特殊的環境背景下,為人類活動的順利快速進行帶來了極大的方便和益處。近年來,果蔬采摘機器人逐漸成為農業機器人領域研發的熱點,末端執行器作為采摘機器人的核心技術之一,世界許多國家針對不同果實開發了相應的末端執行器,取得了較多成果。為了保證果實的采摘效率和成功率、盡量避免果實的破損,需要選擇一種合理的控制系統。可編程邏輯控制器是PLC的全稱,它不僅是一種存儲器,還可以編程。通常它以內部程序儲存可進行為基礎,在存儲的同時還能夠按照某些指令執行與之相對應的動作。在特定的軟件系統條件下,PLC技術的效能可以發揮到極致。PLC是一種結構簡單、編程方便和穩定性較好的可編程控制器,將其運用到采摘機械手末端控制系統的設計上,對于提高采摘機械手的作業效率和精度具有重要的意義。

1 執行末端和PLC控制系統框架設計

采摘機器人進行果實的采摘時,一方面要注重采摘效率,另一方面也要注意在保證不損傷果實的前提下實現果實的采摘。為了實現無損采摘有以下幾個方案可供選擇:①先抓緊果實,然后進行轉動將果柄擰斷;②抓住果實后用微型電鋸將果柄鋸斷;③與第2種方案類似,利用刀片將果柄割斷;④抓住果實后,利用剪刀將果柄割斷;⑤抓住果實后,利用激光將果柄燒斷。

在這幾種方案中,第2～5種方案的成功率較高,但是在采摘果實時首先要對機械手執行末端進行移動以定位到果實,包括上移、下移、左移和右移等;定位果實后對果柄進行識別,此時可以利用機器視覺來進行檢測,也可以根據果實和果柄之間的距離特點,將刀具和機械手抓緊裝置保持一定的距離,識別到果實后利用刀片按照既定動作將果柄剪切。

機械手是采摘機器人的重要組成部分,是保證在復雜環境中開展整個采摘作業的綜合性剛體。采摘機械手包含多個可自動運動的關節,各關節都在其坐標系度量下進行運動,從而實現果實的成功抓取。因此,在對采摘機械手運動控制及避障進行研究之前,必須提前對機械手位移、速度和加速度等運動學原理進行分析。

為了實現采摘機械手執行末端準確地定位果實,特別是上移、下移、左移和右移的準確性,需要選擇一種可靠穩定的自動控制方案。隨著計算機技術的飛速發展,PLC已經進入日常生產、生活的各個方面,其功能也日益強大,將其使用在機械手執行末端的控制上,可以有效提高采摘效率和精度,其基本框架結構如圖1所示。

圖1 PLC硬件系統框架結構

與普通的微型計算機類似,PLC主要由微處理器、存儲器、輸入輸出部件和I/O接口組成,各部分通過總線連接而成,I/O接口可以根據設計的具體需求進行擴展,存儲器包括外存儲器和內存儲器。

2 基于PLC和MCGS組態軟件的采摘機械手控制系統設計

對于采摘機器人的設計,采摘末端果實的定位和抓取是非常關鍵的。采摘機器人的果實定位能力直接影響果實的采摘精度,抓取能力直接影響果實的采摘率和破損程度。利用PLC對采摘機械手進行控制,可以提高采摘機械手的控制精度和響應速度,而MCGS組態軟件可以對設計的采摘機械手進行仿真,以驗證其設計的合理性。PLC根據硬件結構的不同可以分為3種,包括整體式、模塊式和混合式。

整體式的PLC結構為一個統一體,包括了PLC的一些組件,如電源、顯示板、存儲器、I/O接口等。其中,I/O接口可以根據采摘機械手的設計需求進行擴展。

模塊式的PLC結構一般用在大型或者中型的PLC設計上,其主要由兩部分組成:一部分是機架,另一部分是模塊。機架有不同的槽數供選擇,也可以增設或者擴展機架,維修方便。

混合式是將整體式和模塊式進行混合,不過使用得較少,本次選用的是整體式的PLC結構。采摘機械手的主要動作示意圖如圖2所示。

采摘機械手的主要動作分為兩部分:一部分是果實的定位動作,包括左移、右移、上升和下降;一部分是采摘動作,包括加緊和放松,夾緊主要是對果實進行采摘,放松是將果實放入指定位置。給每個動作進行編號,如表1所示。

圖2 采摘機械手動作示意圖

表1 采摘機械手動作編號

采摘機械手輸入動作的編號主要包括開始動作、停止動作、移動上限、移動下限、移動左限和移動右限;輸出動作的編號主要為采摘機械手上移、下移、左移和右移、抓緊果實和放開果實。輸入部分的PLC接線圖如圖3所示。

圖3 輸入部分PLC接線示意圖

根據輸入動作的編號設計了PLC的接線圖,主要接線按鈕包括啟動、停止、下限位、上限位、左限位和右限位。同理,設計了輸出部分的PLC接線圖,如圖4所示。

圖4 輸出部分PLC接線示意圖

圖5 組態環境和運行環境關系圖

1)主控窗口。主控窗口是本次采摘機械手監控的的主體框架部分,在主控窗口上可以加入一個設備窗口和多個用戶窗口。主控窗口可以對這些窗口進行管理,如工程名稱的定義、工程菜單的編制、封面設計及窗口的啟動等。

2)設備窗口。設備窗口主要用來連接和驅動采摘機器人的機械手等末端設備,可以采集不同功能的末端設備的作業數據,將數據傳輸到數據庫進行數據分析,并管理和調度設備的正常運行。

3)用戶窗口。用戶窗口可以實現采摘機器人和人之間的交互功能,在用戶窗口可以使用的圖形有圖元、圖符和動畫構件。利用這些可以設計圖形畫面,也可以對動畫的顯示進行定義和操作,將復雜的畫面變得簡單、易操作。

4)實時數據庫。實時數據庫是MCGS系統的核心,可以將采集的采摘機器人作業環境進行數據處理,是數據采集和信息輸出的關鍵部分,采集的數據利用實時數據庫進行報警處理和存盤,還可以為系統的其他部分提供數據共享。

5)運行策略。運行策略主要是針對系統的運行流程而設計的,包括編程控制程序和功能構件的選擇,使系統可以順利地運行。

根據運行結構可以了解PLC設計方案的可行性和可靠性,通過不斷的優化調試,最終得到合理的PLC設計方案。

3 采摘末端控制系統測試

為了驗證采摘機械手PLC控制系統設計方案的可行性,采用MCGS組態軟件對PLC控制系統進行了測試。測試時,首先需要定義動作的一些變量。通過對PLC控制系統的分析,需要定義的變量主要如表2所示。

表2 變量定義表

根據表2需要定義的變量,在組態軟件系統的實時數據庫選項卡里進入到實時數據庫設置窗口后,可以對變量進行定義。實時數據庫的設置窗口包括組態環境和運行環境兩部分5個窗體結構,如圖6所示。

圖6 實時數據庫設置窗口

每定義一個變量需要點一下新增對象按鈕,窗口內會出現一個新增的對象,然后在對象屬性里可以對變量的一些參數進行定義。以采摘機械末端的移動為例,其設置如圖7所示。

圖7 動作組態屬性設置

采摘機械手的動作可以在圖7所示的屬性設置窗口內設置,包括最小移動量和最大移動量等。輸入參數完成后點擊確認按鈕存盤,再點擊啟動按鈕可以觀察采摘機械手的動作。

采摘機械末端動作示意圖如圖8所示。圖8中,對采摘機械手進行了簡化,然后利用組態軟件建立了采摘機械手簡單模型,對PLC控制系統進行了測試,并根據采摘機械末端的簡單模型的動作情況,對采摘機械手移動的準確率和響應時間進行了統計,結果如表3所示。

圖8 采摘機械末端動作示意圖

表3 移動準確率和響應時間統計

由表3可以看出:采摘機械手移動的準確率高,響應時間短,可以滿足高精度采摘機器人的設計需求。

4 結論

采摘機械手執行末端的控制效率和精度直接影響采摘機器人的作業效果。為了提高采摘機器人的自動化程度,將PLC應用到了機械手執行末端的控制系統中,并設計執行末端的動作方案。為了驗證方案的可行性,采用MCGS組態軟件對機械手執行末端的動作進行了仿真,得到了機械手執行末端移動準確性和響應時間等參數。測試結果表明:采用PLC控制系統后,采摘機械手執行末端具有較高的采摘精度和效率,可以滿足高精度采摘機器人設計的需求。