采摘機器人執行末端控制系統設計—基于PLC三自由度控制

葛笑寒

(1.三門峽職業技術學院,河南 三門峽 472000;2.河南科技大學 應用工程學院,河南 三門峽 472000)

0 引言

機械手是能模仿人手和臂的某些動作功能,用以按固定程序抓取、搬運物件或操作工具的自動操作裝置。它可代替人的繁重勞動以實現生產的機械化和自動化,不僅可以提高產品的質量與產量,而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動生產率、節約原材料消耗及降低生產成本具有十分重要的意義。隨著農業自動化技術的不斷發展,采摘機械人被應用到了農業生產領域,目前采摘機器人發展的主要瓶頸是采摘效率和成功率。要想提高機器人的作業效率和精度,需要引入穩定性好、工作效率和控制精度較高的控制裝置,而基于PLC的控制系統可以滿足這些設計需求,對于提高采摘機械的作業水平具有重要的意義。

1 采摘機器人執行末端動作原理和設計

采摘機械人機械手執行末端是機器人的最重要部件之一,其動作精度直接關系到采摘機器人果實定位的精度和采摘的成功率。采摘機械手執行末端的定位主要利用傳感器來對采摘目標進行檢測來確定具體方位。傳感器可以采用非接觸方式感知被檢測物體的物理信息,基本結構包括傳感元件、信號調節器、敏感元件和輔助裝置,如圖1所示。

圖1 傳感器組成和原理

工作時,被檢測果實目標物通過傳感器的敏感元件被感知,然后將感知信息傳遞給傳感元件;傳感元件將信號進行轉換(如將模擬信號轉換為數字信號),再輸出信號。

圖2為采摘機械手的執行末端導氣缸的示意圖。

圖2 執行末端導向氣缸

圖2中,氣缸和外連接板及氣爪相連接,在活塞的帶動下外連接板運動;導桿限制了執行末端的轉動,因此在移動時可以沿指定方向進行動作。

與執行末端導氣缸連接的是氣爪,如圖3所示。氣爪可以抓緊果實后進行相關的采摘作業,采摘完成后在導向氣缸的作用下先進行相關的移動,達到果盤后松開氣爪,將果實存放到果盤里,完成單周期采摘動作。

圖3 執行末端氣爪

2 基于PLC的采摘執行末端控制系統設計

智能機械手是一種模擬人手臂動作的裝置,可以根據人為編程指定的動作和軌跡進行作業(如抓取、搬運和操作工具等),最重要的是機械手執行末端的控制。三自由度機械手的作業靈活性較大,能夠實現水平、垂直和旋轉動作,通過這些動作來定位待作業的物體,然后利用執行末端進行相關作業。近年來,采摘機器人開始被應用到農業生產,因果實成熟期間采摘機器人的作業環境是相對復雜的,一方面果實的數量較多,要求采摘機械手具有較高的采摘效率,另一方面對于種類繁多的果實,要想使采摘機器人具有通用性需要其具有較好的定位能力,采摘機器人的控制系統設計很重要。

PLC起初是一種專門為工業生產而設計的數字控制電子裝置,由于其體積小、操作簡單、編程效率高、功能強大而被應用到各個領域,如果將其使用在采摘機械手執行末端控制系統的設計上,可以有效提高機械手的作業效率。步進電機具有很好的可控性,可以將脈沖信號轉變為角位移或者線位移,其誤差較小,只有周期性誤差而沒有累計誤差。結合PLC和電機設計的采摘機械手執行末端如圖4所示。

圖4為本次設計的采摘機械手裝置示意圖。采摘機械手動作主要分為左右移動、上下移動、旋轉、夾緊和松開,這些動作分別由步進電機、選擇電機和啟動夾緊裝置組成。其動作的基本流程如圖5所示。

圖4 采摘機械手執行末端示意圖

圖5 果實采摘過程PLC控制流程圖

以某一果實的采摘為例,如果果實在采摘機械手正下方,采摘機械手執行末端電機通過脈沖控制執行下降、夾緊對果實進行采摘;然后再上升和右移將果實移動到果盤上方后,松開果實后通過上升和左移回位。如果在同一位置范圍內有多個果實,可以利用循環控制的方式對果實進行采摘,采摘完成后通過再次定位,采摘其他方位的果實。

采摘機械手執行末端的移動主要是由PLC控制的步進電機來實現,步進電機的選擇主要根據以下步驟來選型。首先是計算機減速比,減速比主要根據脈沖當量來計算,即

i=(φ·S)/(360·Δ)

(1)

其中,φ為步進電機的步距角;S為絲杠螺距;Δ為脈沖。裝置加在電機軸上的慣量為Jt,表達式為

Jt=J1+(1/i×2)[(J2+Js)+W/g(S/2π)×2]

(2)

其中,J1、J2為齒輪慣量;Js為絲桿慣量;W為工作臺質量。第3步計算輸出總力矩M,公式為

M=Ma+Mf

(3)

其中,Ma表示電機啟動的加速力矩。

Ma=(Jm+Jt)·n/T×1.02×10-2

(4)

其中,Jm、Jt分別為電機自身慣量與負載慣量電機所需達到的轉速;T為電機升速時間。

Mf為克服導軌摩擦折算的轉矩,其計算公式為

Mf=(μ·W·S)/(2πηi)×10-2

(5)

其中,μ為摩擦因數;η為傳遞效率。根據計算得到的主要參數對步進電機進行選擇,電機通過PLC控制發送脈沖來執行采摘機械手末端的動作。輸入部分的PLC原理圖如圖6所示。

圖6 輸入部分PLC原理圖

圖6中,輸入主要采用脈沖輸入的方式,主要輸入夾緊和松開、上升和下降、左行和右行、順時針和逆時針轉動等動作。輸出部分的設計如圖7所示。

根據PLC輸入和輸出部分的原理圖,可以采用編程的方式對采摘機械手控制末端的動作進行編程控制,為了驗證方案的可行性,利用PLC仿真調試軟件模擬控制系統的運行,從而實現控制系統的優化。

3 采摘機械手執行末端控制系統測試

為了驗證基于PLC控制系統的采摘機械手執行末端的性能,對其各種動作進行測試,包括上移、下移、左移、右移、旋轉、加緊和松開等。PLC的I/O地址分配如表1所示。

圖7 輸出部分原理圖

表1 PLC的I/O地址分配

表1中,PLC的I/O地址分配分為輸入和輸出部分:輸入部分包括夾緊按鈕、松開按鈕、下降按鈕、上升按鈕、左移按鈕和右移按鈕;輸出部分包括上移、下移、左移、右移、夾緊和松開電磁閥。根據PLC的設計原理圖和I/O端口分配,可以對采摘機械手執行末端的動作進行編程,然后利用組態軟件進行仿真調試,驗證動作方案的可行性。驗證過程采用自動工作方式,測試界面如圖8所示。

MCGS 是為工業過程控制和實時監測領域服務的通用計算機系統軟件, 可以對三自由度采摘機械手進行調試,操作簡單使用方便。通過測試得到了如表2所示的測試結果。

圖8 基于MCGS的控制系統調試

表2 測試結果匯總表

采用MCGS對采摘機械手執行末端的測試主要包括采摘動作單周期的完成時間和執行末端的定位精度,結果表明:采摘機械手完成單周期的最短時間僅為5.12s,執行末端的定位精度最低在90%以上,可以滿足高精度采摘機械人設計的需求。因此,將PLC控制系統使用在采摘機器人機械手執行末端是可行的。

4 結論

采摘機器人是當前農業生產過程中已經開始使用的自動化裝置,其采摘效率和精度主要受執行末端的定位和響應效率影響較大。為此,將PLC控制器引入到了機械手執行末端的控制系統的設計中,并設計了詳細的硬件結構和軟件執行流程方案。為了驗證方案的可行性,采用MCGS組態軟件對采摘機械手執行末端PLC控制系統進行了測試,結果表明:基于PLC控制器的采摘機械手執行末端具有較高的響應效率和定位精度,將PLC控制器引入到采摘機械手的設計上對于現代自動化采摘機械的研究具有重要的意義。