基于PLC三軸伺服控制系統(tǒng)的果蔬采摘機械手設計

丁　輝，陳曉林

(常州輕工職業(yè)技術學院，江蘇 常州　213164)

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基于PLC三軸伺服控制系統(tǒng)的果蔬采摘機械手設計

丁輝，陳曉林

(常州輕工職業(yè)技術學院，江蘇 常州213164)

摘要：為了提高果蔬采摘機械手的工作效率和定位精度、降低果蔬采摘機械手在采摘過程中造成的破碎率，以及簡化機械手的結(jié)構和控制方式，設計了一種新的基于PLC的三軸伺服控制果蔬采摘機械手。該機械手可以靈活地實現(xiàn)移動、升降和夾緊與放松。為了測試機械手的有效性和可靠性，通過蘋果采摘試驗對機械手的性能進行了測試。測試發(fā)現(xiàn)：機械手的位置和擺角調(diào)整時間較少、超調(diào)量較低，符合設計需求。其準確定位率較高，最高達到了98.56%；且具有較好的定位性能，單次定位時間耗時較低，機械作業(yè)效率較高，能夠滿足大規(guī)模果蔬采摘的設計需求。

關鍵詞：三軸機械手；伺服控制；果蔬采摘；PID控制；超調(diào)量；PLC

0引言

1962年，世界第一臺工業(yè)機器人問世以來，機器人技術得到了迅速的發(fā)展，機器人的使用范圍已經(jīng)不再局限于傳統(tǒng)的制造業(yè)，除了工業(yè)外已被眾多領域所采用，如我國也已經(jīng)研發(fā)出多種特種機器人和農(nóng)業(yè)采摘機器人等。機械手技術是近年來發(fā)展起來的一種高科技生產(chǎn)設備，是機器人的重要分支，通過對機械手預先編程控制可以使其完成各種預期的機械作業(yè)；其結(jié)構特征具有人和機器的特點，具有智能和自適應能力。由于其能夠準確地完成目標任務，可在各種環(huán)境中完成作業(yè)，因此在國民經(jīng)濟中有著廣闊的前景。我國是一個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)大國，但隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大和精耕細作的要求，某些區(qū)域呈現(xiàn)出勞動力不足的現(xiàn)象；而果蔬的采摘是一項勞動密集型的工作，其時令要求較高，因此對于果蔬高效采摘機械手的研究具有重要的意義。

1基于PLC的果蔬采摘機械手總體設計

果蔬采摘機械手應該具備3個主要的功能，包括左右移動、上下升降和夾緊與放松。因此，機械手采用三自由度設計方式，其類型屬于氣壓式圓柱坐標型機械手，結(jié)構如圖1所示。其結(jié)構主要由機座、腰部、水平手臂、垂直手臂及氣爪等部分組成。 其中，機械手的電器控制系統(tǒng)除了有多種工步特征外，還需要具有連續(xù)控制等工作方式，其操作面板的設計如圖2所示。

圖1　機械手結(jié)構示意圖

圖2　機械手的采摘任務動作過程

機械手的上升和下降通過電磁閥來控制，當碰到限位開關時，機械手停止動作，開始夾緊；夾緊后，上升電磁閥開始工作，機械手上升；當碰到限位開關時，停止上升，開始左右移動；當果蔬位置移動到果蔬乘放裝置時，機械手松開，果蔬落入裝置后根據(jù)機械視覺，定位下一目標，從而進行下一采摘任務。

操作面板的總體設計如圖3所示。當按鈕在原點時，系統(tǒng)在左上角進入待命狀態(tài)；當旋鈕在自動位置時，系統(tǒng)自動完成各種預設任務，而且可以循環(huán)操作；當旋鈕處于手動位置時，機械手通過手動控制來完成各種任務。根據(jù)一個作業(yè)周期中需要輸入和輸出的參數(shù)，畫出PLC的I/O連接圖，主要包括15個輸入點和6個輸出點。

圖3　操作面板總體設計

由于不同機型的PLC，其I/O點的編號不同，因此應根據(jù)所選擇的機型，對PLC的I/O點分配編號，本文采用的是ACMY-S80，圖4表示其所對應的I/O點編號。

圖4　PLC I/O連接示意圖

2三軸機械手結(jié)構和伺服控制系統(tǒng)設計

2.1機械結(jié)構設計

機械手設計為三軸的形式，即X軸、Y軸、Z軸。其中，X軸為水平方向，設計的有效行程為3m；Y軸為豎直方向，其有效行程為3m；Z軸為垂直于XY軸方向，其有效行程為1m。其總體結(jié)構如圖5所示。

圖5　三軸機械手整體結(jié)構

根據(jù)機械手總體結(jié)構可以對機械手的手部進行設計，根據(jù)設計要求設計出的手部結(jié)構如圖6所示。

圖6　機械手手部結(jié)構圖

圖6中，F(xiàn)N為手指對工件的夾緊力，F(xiàn)為夾緊缸活塞桿的推力。三軸機械結(jié)構和機械手手部需要使用傳動機構進行連接，其傳動機構示意圖如圖7所示。

圖7中，機械手傳動的同步輪做成可調(diào)節(jié)結(jié)構，絲桿與滑軌之間的連接是絲杠是否移動順暢和是否達到精度要求的主要原因，因此其連接塊的精度要求比較高。絲杠與連接塊連接示意圖如圖8所示。

三軸機械手的實際控制過程是比較復雜的，除了元件的非線性外，還要受到多種干擾，因此需要使用一種控制方案，對機械手的動作進行精確控制，從而提高定位和抓取的精度。

圖7　機械手傳動示意圖

圖8　連接結(jié)構示意圖

2.2伺服控制系統(tǒng)

為了分析三軸機械手控制系統(tǒng)的本質(zhì)，必須對實際機械手做進一步抽象和必要的簡化處理。通過理論模型的簡化和假設，機械手果蔬抓取系統(tǒng)的力學簡化模型如圖9所示。

圖9　機械手采摘抓取果蔬過程物理模型

圖9中，機械手連接塊質(zhì)量為mc(kg)，果蔬的質(zhì)量為ml(kg)，機械手臂長度為l(m)，提升力為F2(N)，連接塊與水平軌道的摩擦阻尼系數(shù)為μ(kg/s)，假設機械手初始位置為x，擺角為θ，根據(jù)圖8可以建立機械手的力學模型。其中，機械手位置和果蔬的位置坐標可以表示為

(1)

通過建立機械手的速度和加速度方程，可以得機械手系統(tǒng)的方程組為

(2)

(3)

式(3)中的線速度和角加速度都可以利用伺服電機進行控制。假設速度控制函數(shù)為u(k)，u(k)的值和伺服電機的速度值時一一對應的，可以利用位置型PID控制算法，圖10表示位置型PID算法的基本流程圖。

圖10　位置型PID控制算法流程圖

圖10中，r(k)、c(k)表示兩次采樣值；e(k)表示兩次采樣的偏差，即反饋調(diào)節(jié)數(shù)值；A表示期望輸出數(shù)值。其結(jié)構框架如圖11所示。

圖11　位置型PID控制結(jié)構框架圖

位置型PID的輸出不僅與本次偏差有關，而且與歷次測量偏差值都有關，計算時要對e(k)累加。

3果蔬采摘三軸并聯(lián)機械手功能測試

為了測試設計的果蔬采摘三軸并聯(lián)機械手采摘效果，對其進行了測試，并利用MatLab/Simulink模塊對其PID控制性能進行了計算。其中，機械手的果蔬采摘實驗測試如圖12所示。

圖12　果蔬采摘機器人實驗示意圖

對于PID控制，其參數(shù)整定過程是比較繁瑣的，但是可以基于MatLab/Simulink仿真環(huán)境，模擬工程穩(wěn)定邊界法的PID參數(shù)整定策略和步驟，對PID參數(shù)進行整定，整定結(jié)果如表1所示。

表1　PID參數(shù)整定結(jié)果

針對PID參數(shù)的整定結(jié)果，通過反復修改、比較和仿真，確定系統(tǒng)的前饋PID的仿真參數(shù)為Kp=30，Ki=5.0，Kd=0.01。通過計算，得到了機械手位置的響應曲線如圖13所示。

圖13　PID控制機械手位置響應曲線

由圖13可以看出：在計算到12s時，位置不在波動，說明利用PID控制可以短時間內(nèi)準確定位，提高了機械手果蔬的采摘效率。

圖14表示使用PID算法時，利用MatLab仿真模擬計算得到PID控制參數(shù)優(yōu)化結(jié)果曲線。由圖14可以看出：在計算到4s時，擺角不在波動，說明利用PID控制可以短時間內(nèi)使擺角穩(wěn)定，達到準確定位的目的。

表2表示果實的準確定位和單次定位時間測試結(jié)果。由表2可以看出：果實準確定位率較高，最高達到了98.56%。這說明在PID反饋調(diào)節(jié)作用下，果蔬采摘機械手具有較高的定位性能，從而可以有效的降低漏采率和破碎率；而單次定位時間耗時較低，說明采用三軸機械手可以有效的縮短機械動作響應時間，提高機械手的機械作業(yè)效率及果蔬采摘的效率。

表2　果實定位準確率和單次定位時間測試結(jié)果

4結(jié)論

基于PLC和PID反饋調(diào)節(jié)控制原理，采用伺服控制的方法設計了一種新的三軸果蔬采摘機械手。該機械手可以有效完成采摘過程的移動、升降和夾緊動作，提高了機械手的作業(yè)效率和作業(yè)精度。

對機械手的性能進行了測試，測試項目包括機械手的響應時間、超調(diào)量、機械作業(yè)效率和定位的準確率。由測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：調(diào)整時間和超調(diào)量都較低，準確定位最高達到了98.56%，且單次定位時間耗時較低，具有較高的作業(yè)效率。

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Design of Picking Manipulator for Fruits and Vegetables Based on PLC Three Axis Servo Control System

Ding Hui, Chen Xiaolin

(Changzhou Vocational Institute of Light Industry, Changzhou 213164, China)

Abstract：In order to improve fruit picking manipulator's working efficiency and positioning accuracy and reduce the fruit and vegetable picking manipulator in picking process caused by the broken rate, simplify the structure and control method of manipulator design a new PLC triaxial servo control of fruit and vegetable picking manipulator based on, the manipulator can be flexibly the realization of moving, lifting and clamping and relax.For the validity and reliability of the test of mechanical hand, through the apple picking experiments of the manipulator performance were tested. Through the test found that, manipulator position and swing angle adjustment in less time, overshoot is low, in line with the design requirements.And accurate localization rate is higher, the highest reached 98.56%, fruit and vegetable picking manipulator has good localization performance, single positioning time consuming is low, manipulator mechanical higher operating efficiency to meet design requirement of picking fruits and vegetables on a large scale.

Key words：three axis manipulator; servo control; fruit picking; PID control; overshoot; PLC

文章編號：1003-188X(2016)07-0182-05

中圖分類號：S225；TP242

文獻標識碼：A

作者簡介：丁輝(1969-)，女，江蘇大豐人，副教授，碩士。通訊作者：陳曉林(1965-)，男，江蘇東臺人，工程師，(E-mail)chenxiaolin1965@126.com。

基金項目：科學技術部科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新基金項目(13C26213201925)

收稿日期：2015-06-18