采摘機械手的PLC控制設計

王海旭

(四川信息職業技術學院，四川 廣元 628000)

0 引言

現代農業工程的智能化程度不斷提高，為了避免人力的辛勞和工作效率的低下，農業的電氣化和智能化水平正在不斷提升。在果實采摘領域，隨著現代果園的集中化程度加大，其面積和規模越來越大，傳統的人力采摘已經不能適應需求，我們提出基于PLC控制的智能機械手采摘系統。在機械手用于采摘的發展過程中，最初是將工業級機械手直接移植到對果實的采摘，但這也出現了一些問題。比如，工業用機械手一般抓取物件的硬度較大，機械手抓取過程中對物件的破損是不高的，但是用在農業對果實的采摘會出現果實偏軟，如不采取一定措施經常會使較軟的果實破損，所以我們有必要研究可用于農業果實采摘的機械手設備。我們將通過PLC編程的簡易性、對環境的強適應性和可靠的工作性為控制基礎，考慮到傳統的機械手抓取果實的破損率，提出通過在機械手上加裝壓力傳感檢測和數據采集處理系統，進而有效地提高了果實采集的成功率并降低破損率。

1 基于PLC的采摘系統設計方案

采摘機器人的設計以PLC可編程邏輯控制器作為主控單元，PLC通過接收來自數據采集卡的數字量輸入信號，通過內部算法輸出到伺服驅動器，進而驅動伺服電機，帶動機械手移動到指定位置進行夾取果實的動作，在機械手夾取的過程中，我們在機械手上設計了不少的傳感網絡，通過這些傳感器組件使機械手進行位置判斷并在夾取過程中進行壓力判斷，當夾取如草莓此類的軟性水果時，我們可以通過計算機設置對應閾值，讓機械手檢測到足夠壓力時調整電機力度，使之既可以夾取草莓又不會夾壞導致破損。如圖所示為基于PLC的采摘機器人控制系統圖。

圖1 基于PLC的采摘機器人控制系統圖

2 通訊接口設計

該控制系統在傳感器的數據接收端采用數據采集卡，通過USB與計算機進行通訊連接。我們通過LabVIEW進行數據處理，并且將計算機作為上位機，與下位機的PLC進行通訊連接，同時我們對比了幾種PLC下位機的通訊方式，提出3種通訊模式。首先，對于PLC來說，最簡單最直接的通訊方式就是I/O接口控制，這種方式必須要在計算機端安裝I/O卡，而且不能將LabVIEW的數據傳送給PLC。其次，可以進行AD控制，但是在計算機測也必須安裝AD卡，同樣不能把LabVIEW的數據傳送給PLC。最終我們通過給PLC加裝串口模塊的RS232串行通訊方式進行，因為這種控制方式最為全面。

3 采摘機械手的傳感網絡設計

圖2 系統控制流程圖

為了實現采摘機械手的自動化作業，需要對機械手的執行末端進行軟硬件設計。在系統初始時刻，機械手進入初始位置并通過傳感器組件開始采集信號，判斷果實的大小和顏色進行位置定位后開始采集，如果位置出現偏差，則重新輸入新的傳感器采集信號，然后調整位置進行果實抓取，當抓取到果實之后，機械手握力面的壓力傳感器進行實時壓力檢測，壓力過大則減小握力，過小不足以抓下果實就增大握力，最后在系統的控制之下抓取果實放入果籃回收。

該系統主要包含了4個部分，分別為傳感器網絡、PLC控制、伺服系統和伺服電機。傳感器網絡按用途分，又有位置判斷、成熟度檢測和壓力檢測3種，我們通過壓力檢測部分看看該系統是如何降低破損率的。首先，我們的裝置在進入初始狀態時會設定一個夾取的壓力定值，該值由果實類型設定，比如草莓這種偏軟的水果該壓力值就比較小。當機械手的握力面接觸到果實時，我們通過設置在握力面的FSR-402壓力傳感器對握力進行檢測，并把檢測出的結果和我們之前的給定值進行對比，并不斷調節使最終的抓取力度在一個合適的范圍內，在保證抓取成功率的同時也降低了果實的破損率。這個過程我們用數據采集卡收集信號，該壓力傳感器數據采集結構圖如圖3所示，5V的電壓給雙端的壓力傳感器一端供電，該電壓可以采用外接電源的方式，由于傳感器所需的該電壓較小，也可以直接采用數據采集卡的USB接口的上位機供電方式。傳感器的另一端為信號線，通過壓力的變化會向上位機輸出變化的電壓，并且該信號線再和輸出端并聯一個10KΩ的電阻后接地。該采集卡工作的溫度范圍大，可適應性強，其16/8路模擬量輸入通道滿足我們的傳感器輸入要求。最后，數據通過采集卡的USB接口進入上位機，通過上位機的LabVIEW圖形化設計語言進行數據與給定值的比較判斷后再輸出到控制系統進行握力大小的調節。壓力傳感器數據采集結構圖如圖3所示。

圖3 壓力傳感器數據采集結構圖

4 基于PLC的采摘機械手伺服控制

伺服電機的基本結構實際上和其它形式的電機是一樣的，但是它們也有不同點，比如直流伺服電機在換向上就有一定的不同。我們所設計的直流伺服電機的基本原理和一般的直流電機是類似的，我們用伺服驅動器輸出的電壓信號去控制伺服電機的轉動，比如控制機械手的上下左右移動的方向角度和速度。我們選用伺服電機也有其良好的機械特性、響應速度快、控制更精確等等優點。而伺服電機的控制程序也可以用PLC梯形圖來實現，PLC的梯形圖又最接近繼電器控制系統圖，用梯形圖這種簡化了的電路圖來表示控制邏輯是相對簡單的，比較方便掌握，這大大方便了從事農業機械化的電氣工程師的編程思路。

我們通過PLC控制的伺服系統主要通過脈沖的形式，因為伺服電機的工作模式分為2種，即位置控制模式和速度控制模式，如果僅僅是進行速度控制，那么我們就不需要伺服的脈沖驅動，采摘機械手的移動歸根到底還是位置的控制，分解成2個物理量也就是對方向和速度大小的控制，也就是說，控制的是采摘機械手在多快的時間維度內到達果實的哪個部位，并且實現準確抓取的操作。要實現這種控制，我們通過PLC輸出給伺服系統一個計算后的脈沖，該脈沖包含其特定的大小和頻率?？紤]到我們會設置人機顯示界面調節初始位置、手動設置模式等，我們還要考慮與驅動器的通訊問題，在選用驅動器時，我們需要選擇能支持modbus協議的驅動器。通過PLC控制伺服電機的梯形圖如圖4所示。

圖4 基于PLC控制伺服電機的梯形圖

5 上位機軟件設計

LabVIEW又叫虛擬儀器，被稱為“工業界的Windows”，足以體現其地位，它是一款非常適合大量數據進行建模和處理的軟件或者方法，由美國國家儀器開發，非常適合追蹤大量數據并運算的時候。其編程的圖形化、可視化、數據的流程化大大方便了電氣工程師的使用，這一點和梯形圖有異曲同工之妙。在具備復雜傳感器的環境下，有需要將它們集成起來實現特定的功能，那么此時是最能體現LabVIEW威力的時候。

我們的控制系統通過采集卡收集了傳感器信號后經USB數據線與上位機相連，經過LabVIEW程序的運算后，在經PLC加裝的串口模塊的RS232串行通訊方式把LabVIEW運算的結果傳送給PLC。

這一過程的難點在于設置接口函數實現通訊，LabVIEW在實現硬件連接時，其本身帶有函數庫進行硬件的通訊。考慮到我們的傳感器信號是實時采集，現場處理數據的情況，所以排除靜態連接函數，通過編程只需要調用本身提供的動態函數即可。通過該動態連接函數就可以把采集卡實現USB通訊的.dll的庫函數和LabVIEW連接起來，這樣就實現了LabVIEW與硬件的通訊。

設置信號處理程序時，主要分為信號的濾波、卷積、比較等等，該部分充分體現了LabVIEW圖形化調用的方便性，省去了像C語言那樣大量編寫程序的復雜。同時我們考慮到小波算法良好的濾波效果，信號的細節也能夠很好地保持的優點，再加上直接從庫函數中調用高通濾波、低通濾波、卷積的方便性，這些也是實現小波算法的條件，所以我們對信號處理也引入了小波算法。通過設置了高低通濾波器的序列值之后，再將2個濾波后的結果進行卷積后進行抽樣實現。信號檢測與處理工作原理圖如圖5所示。

圖5 信號檢測與處理工作原理圖

5 結語

我們通過對采摘機械手的設計，正是適應現代農業機械化和智能化的不斷更新和換代。現在市面上還沒有功能完善又穩定的采摘機器人的商用，該項研究為了避免人力的辛勞和工作效率的低下，適合農業現代化的有效需求。在果實采摘領域，隨著現代果園的集中化程度加大，其面積和規模越來越大，傳統的人力采摘已經不能適應需求，我們提出的基于PLC控制的智能機械手采摘系統，該系統以PLC邏輯控制器為基礎，我們將通過PLC編程的簡易性、對環境的強適應性和可靠的工作性為控制基礎，考慮到傳統的機械手抓取果實的破損率，提出通過在機械手上加裝壓力傳感檢測和數據采集處理系統，進而有效地提高了果實采集的成功率并降低破損率。比如，數據采集卡接受來自FSR-402傳感器的信號，PLC再通過接收來自數據采集卡的數字量輸入信號，通過內部算法輸出到伺服驅動器，進而驅動伺服電機，帶動機械手移動到指定位置進行夾取果實的動作，在機械手夾取的過程中，我們在機械手上設計了不少的傳感網絡，通過這些傳感器組件使機械手進行位置判斷并在夾取過程中進行壓力判斷，當夾取如草莓此類的軟性水果時，我們可以通過計算機設置對應閾值，讓機械手檢測到足夠壓力時調整電機力度，使之既可以夾取草莓又不會夾壞導致破損。通過我們的研究，有利于提高果園經濟中的農業機械化水平，自動化采摘機械手的應用可以在減小果實破損的基礎上大大提高采摘的成功率和生產效率。