番茄采摘機(jī)器人數(shù)字孿生仿真系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究*

劉維孟 ， 盧偉源 ，尹秉奎 ，彭海堅(jiān) ，付祥華

（1.廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣東 廣州 510630；2.廣東弘科農(nóng)業(yè)機(jī)械研究開(kāi)發(fā)有限公司，廣東 廣州 510630；3.珠海城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 珠海 519090；4.珠海眾華智能科技有限公司，廣東 珠海 519090）

0 引言

番茄作為營(yíng)養(yǎng)的蔬菜水果，深受人們的喜愛(ài)，而溫室栽培的串收小番茄[1-2]，憑借其口感、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值等而成為餐桌上的零食，也因其溫室培養(yǎng)不受季節(jié)影響，近年來(lái)得到大規(guī)模推廣。而番茄的采摘采用人工方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，是設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化的瓶頸，研發(fā)番茄采摘機(jī)器人是適應(yīng)設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)的。

目前采摘機(jī)器人多是利用現(xiàn)成的服務(wù)機(jī)器人或者協(xié)作機(jī)器人，然后配上一定的行走裝置以及升降裝置構(gòu)成采摘機(jī)器人的機(jī)械機(jī)構(gòu)部分；而控制系統(tǒng)則采用了視覺(jué)識(shí)別，加上運(yùn)動(dòng)控制方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄等果蔬的視覺(jué)定位，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械臂采摘作業(yè)以及行走裝置運(yùn)動(dòng)等的控制[3-8]。

通常，采摘機(jī)器人的開(kāi)發(fā)工作是按照傳統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備的開(kāi)發(fā)過(guò)程進(jìn)行的，即機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—電氣控制設(shè)計(jì)—軟件編程—實(shí)物樣機(jī)—機(jī)電聯(lián)調(diào)這樣一個(gè)流程[9-11]。這個(gè)開(kāi)發(fā)流程屬于傳統(tǒng)的串行開(kāi)發(fā)流程，需要制作出來(lái)實(shí)物樣機(jī)，才能進(jìn)行電氣系統(tǒng)、軟件等的機(jī)電聯(lián)調(diào)，如果出現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理的情況，或者有更好的方案，則需要重新制造樣機(jī)，開(kāi)發(fā)成本較高。

本文提出了一種基于數(shù)字孿生調(diào)試技術(shù)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)番茄采摘機(jī)器人的并行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)階段，就能通過(guò)半實(shí)物樣機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)電聯(lián)調(diào)，盡早發(fā)現(xiàn)早期缺陷和錯(cuò)誤，避免大的返工和浪費(fèi)，節(jié)約開(kāi)發(fā)成本。同時(shí)，該平臺(tái)也同樣可以應(yīng)用到其他采摘機(jī)器人的開(kāi)發(fā)上，能夠加快設(shè)施農(nóng)業(yè)采摘自動(dòng)化設(shè)備的開(kāi)發(fā)進(jìn)度。

1 數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)的搭建

數(shù)字孿生技術(shù)[12-15]就是早期西門(mén)子提出的數(shù)字化雙胞胎（Digital Twin），是目前智能制造領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，它利用數(shù)字化技術(shù)，建立與物理樣機(jī)一樣的虛擬樣機(jī)模型，這里的一樣不僅僅是外觀和幾何模型一樣，包括其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制方式等都是一樣的。在機(jī)電設(shè)備當(dāng)中，實(shí)物樣機(jī)中的運(yùn)動(dòng)控制、信號(hào)反饋、運(yùn)行節(jié)拍等，都能在虛擬樣機(jī)中實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)，也就是孿生技術(shù)。通過(guò)數(shù)字孿生仿真技術(shù)，能夠大幅縮短機(jī)電產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。傳統(tǒng)的串行開(kāi)發(fā)流程如圖1所示，而并行的機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)串行開(kāi)發(fā)流程

圖2 并行機(jī)電聯(lián)合設(shè)計(jì)流程

番茄采摘機(jī)器人的數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)的開(kāi)發(fā)，是利用西門(mén)子NX軟件進(jìn)行搭建，首先通過(guò)軟件對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，或者利用其他三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后將設(shè)計(jì)導(dǎo)入NX軟件中。

在NX軟件中利用機(jī)電概念設(shè)計(jì)模塊，對(duì)模型進(jìn)行物理屬性設(shè)置、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)關(guān)系的設(shè)置，定義對(duì)應(yīng)的傳感器、時(shí)間序列、運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程信號(hào)及邏輯關(guān)系等，完成虛擬樣機(jī)的設(shè)置，具體的設(shè)置流程如圖3所示。

圖3 虛擬樣機(jī)設(shè)置流程

物理屬性的設(shè)置，主要是對(duì)模型添加剛體和碰撞體屬性，讓模型具有質(zhì)量和重力以及碰撞關(guān)系，使得仿真虛擬模型與現(xiàn)實(shí)的實(shí)物模型更接近，這是數(shù)字孿生仿真的第一步；碰撞體設(shè)置涉及物體的碰撞，以及碰撞之后的反彈，這一項(xiàng)仿真需要耗費(fèi)大量電腦資源，所以一般情況下，如果沒(méi)有發(fā)生碰撞關(guān)系的一般不進(jìn)行設(shè)置，以加快仿真的速度，減少資源的消耗。具體物理屬性設(shè)置的過(guò)程如圖4所示。番茄采摘機(jī)的虛擬樣機(jī)模型如圖5所示。

圖4 物理屬性設(shè)置

圖5 番茄采摘機(jī)的虛擬樣機(jī)模型

運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)置，主要是給模型添加約束，使虛擬樣機(jī)具備與實(shí)物樣機(jī)一樣的旋轉(zhuǎn)、滑動(dòng)等運(yùn)動(dòng)功能，有點(diǎn)類(lèi)似一般三維軟件里的運(yùn)動(dòng)仿真。但是數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)中的運(yùn)動(dòng)關(guān)系還包含了扭矩、阻尼以及動(dòng)力等。本案例中，給服務(wù)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)添加鉸鏈副，并在鉸鏈副上添加位置控制；而升降臺(tái)添加滑動(dòng)副來(lái)模擬電缸升降的滑動(dòng)機(jī)構(gòu)；對(duì)于四個(gè)行走機(jī)構(gòu)輪，添加鉸鏈副來(lái)仿真輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置過(guò)程如圖6所示。

圖6 運(yùn)動(dòng)關(guān)系和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)置

定義傳感器主要是給模型添加碰撞和拾取的傳感器，在仿真模型中，通過(guò)添加碰撞傳感器的方式來(lái)觸發(fā)拾取動(dòng)作，該碰撞傳感器可以模擬實(shí)物樣機(jī)中的各類(lèi)開(kāi)關(guān)觸發(fā)信號(hào)。本案例是在夾爪位置添加碰撞傳感器，并采取拾取固定副方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)番茄的拾取動(dòng)作仿真。傳感器的設(shè)置如圖7所示。

圖7 定義傳感器

定義時(shí)間序列主要是設(shè)置動(dòng)作步驟和工序流程，根據(jù)番茄采摘的動(dòng)作步驟，按照時(shí)間先后順序，設(shè)置時(shí)間仿真序列，類(lèi)似工序流程。在不與外部信號(hào)進(jìn)行通信聯(lián)調(diào)的純仿真動(dòng)作，可以直接通過(guò)時(shí)間仿真序列實(shí)現(xiàn)設(shè)備的虛擬調(diào)試，以驗(yàn)證其動(dòng)作步驟的合理性。時(shí)間序列導(dǎo)出XML文件，還可以利用西門(mén)子STEP7導(dǎo)入生成西門(mén)子GRAPH的PLC程序，對(duì)于簡(jiǎn)單的流程動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)快速控制程序編寫(xiě)。時(shí)間序列的設(shè)置如圖8所示。

圖8 定義時(shí)間序列

如果要實(shí)現(xiàn)半實(shí)物樣機(jī)的虛實(shí)聯(lián)調(diào)，則需要定義過(guò)程信號(hào)及與外部信號(hào)通信的信號(hào)的邏輯關(guān)系，可以通過(guò)信號(hào)適配器來(lái)進(jìn)行定義。本案例中，主要定義了機(jī)械臂各個(gè)軸的角度控制信號(hào)，以及卡爪、升降臺(tái)電缸的電機(jī)位置信號(hào)和開(kāi)關(guān)信號(hào)等。信號(hào)適配器的設(shè)置如圖9所示。

圖9 信號(hào)適配器設(shè)置

2 SmartACS數(shù)字孿生調(diào)試平臺(tái)的搭建

在虛擬樣機(jī)模型搭建和設(shè)置完畢之后，接下來(lái)就是控制程序的編制，在智能制造產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備中，主要通過(guò)PLC對(duì)設(shè)備進(jìn)行程序控制。一般流程就是利用西門(mén)子博途軟件編寫(xiě)PLC控制程序，然后將程序下載到西門(mén)子1500PLC中，利用西門(mén)子OPC UA的通信模塊，實(shí)現(xiàn)實(shí)物PLC與虛擬數(shù)字孿生模型的通信，達(dá)到實(shí)物PLC控制虛擬模型的數(shù)字孿生調(diào)試。該方案由于PLC成本較高，且PLC程序編制相對(duì)來(lái)說(shuō)有一定的門(mén)檻，不利于推廣。并且由于控制器主要是國(guó)外產(chǎn)品，不利于農(nóng)業(yè)機(jī)械的國(guó)產(chǎn)替代和自主可控。

本文所介紹的方案，主要以珠海眾華智能開(kāi)發(fā)的SmartACS運(yùn)動(dòng)控制軟件為基礎(chǔ)，通過(guò)基于PC的運(yùn)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)模型的運(yùn)動(dòng)控制編程和調(diào)試；該軟件通過(guò)拖拽功能塊的方式編程，取代了傳統(tǒng)的寫(xiě)程序代碼的方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)PC運(yùn)動(dòng)控制卡的編程，大大降低了編程人員的入門(mén)門(mén)檻，而且目前基于PC的國(guó)產(chǎn)運(yùn)動(dòng)控制卡的性能和市場(chǎng)普及率相比國(guó)外品牌毫不遜色。本案例采用國(guó)產(chǎn)Zmotion運(yùn)動(dòng)控制卡，該運(yùn)動(dòng)控制卡除了可以實(shí)現(xiàn)常規(guī)的I/O信號(hào)和運(yùn)動(dòng)控制外，還集成視覺(jué)識(shí)別功能，配合低代碼的SmartACS編程軟件，能夠很好地應(yīng)用到采摘機(jī)的視覺(jué)定位編程上，不必額外再配套視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，有效降低了開(kāi)發(fā)成本。該軟件的程序編制界面如圖10所示。

圖10 SmartACS軟件界面

3 番茄采摘機(jī)虛擬調(diào)試

數(shù)字孿生虛擬樣機(jī)搭建完畢，控制程序編制完成后，則可以開(kāi)始進(jìn)行虛擬調(diào)試。在這里需要運(yùn)動(dòng)控制板卡的控制信號(hào)通過(guò)OPC UA的通信方式，利用數(shù)字孿生模型的信號(hào)映射，實(shí)現(xiàn)實(shí)物信號(hào)與虛擬模型的信號(hào)對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)物控制卡控制虛擬模型的虛擬調(diào)試，能夠在實(shí)物樣機(jī)制造前，對(duì)程序和機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)虛擬的機(jī)電聯(lián)調(diào)，提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制程序。數(shù)字孿生虛擬調(diào)試信號(hào)交互原理圖如圖11所示。搭建好的軟硬件數(shù)字孿生虛擬調(diào)試平臺(tái)如圖12所示。

圖11 信號(hào)交互原理圖

圖12 虛擬調(diào)試平臺(tái)

4 結(jié)論

課題組開(kāi)發(fā)搭建了一種基于運(yùn)動(dòng)控制卡的番茄采摘機(jī)器人數(shù)字孿生虛擬調(diào)試平臺(tái)，采用低代碼運(yùn)動(dòng)控制和視覺(jué)識(shí)別編程軟件，對(duì)番茄采摘機(jī)器人數(shù)字孿生虛擬模型進(jìn)行虛擬調(diào)試，可以在開(kāi)發(fā)階段對(duì)設(shè)計(jì)樣機(jī)模型進(jìn)行機(jī)電聯(lián)調(diào)和程序驗(yàn)證，大大提高了開(kāi)發(fā)的速度并降低了開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)采用了低代碼編程的國(guó)產(chǎn)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)編程軟件以及PC運(yùn)動(dòng)控制卡，降低了開(kāi)發(fā)者和使用者的門(mén)檻，有利于后續(xù)設(shè)施農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平的提高。