采茶機(jī)器人的機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

辛文文

（青海省西寧市青海大學(xué)，青海西寧 810016）

手工采茶勞動(dòng)強(qiáng)度大且效率低，品質(zhì)不理想，采茶機(jī)器人的應(yīng)用，通過(guò)懸臂式機(jī)械臂獨(dú)立采摘，有效提高了作業(yè)效率。優(yōu)化脈沖輸出頻率、系統(tǒng)阻尼等影響工作效率的因素，可顯著提升三軸電機(jī)伺服系統(tǒng)，以及三軸、二軸聯(lián)動(dòng)的工作效率。

1 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 方案設(shè)計(jì)

采茶機(jī)器人順利作業(yè)，需要了解茶棚的空間尺寸、茶葉外形，合理設(shè)計(jì)三軸機(jī)械手，以及采摘爪手（二手指式）。通過(guò)單機(jī)械手與龍門(mén)式布置，沿茶棚走向在茶棚兩側(cè)設(shè)計(jì)X軸，且軸間同步運(yùn)動(dòng)。Y軸橫跨茶棚，在Z軸設(shè)計(jì)爪手。機(jī)械手控制器、圖像單元間通過(guò)通信獲得茶葉單位坐標(biāo)參數(shù)，圍繞坐標(biāo)序列，XY軸達(dá)到指定坐標(biāo)后，Z軸導(dǎo)致坐標(biāo)位置，通過(guò)爪手閉合實(shí)現(xiàn)采摘。茶葉在負(fù)壓風(fēng)機(jī)帶動(dòng)下回收，即完成一次采摘作業(yè)，三軸再次動(dòng)作實(shí)現(xiàn)下一次采摘作業(yè)。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)茶棚長(zhǎng)寬高，茶葉行間距等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)三軸有效行程。為減少Y軸定量撓度，需對(duì)該軸施以強(qiáng)度校核。兩個(gè)X軸間選用圓弧齒同步帶。采摘爪手施以舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸控制左爪手旋轉(zhuǎn)，與后側(cè)手指間齒輪嚙合，此時(shí)右側(cè)手指同步向另一側(cè)旋轉(zhuǎn)，兩手指分別沿順、逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由四連桿機(jī)構(gòu)閉合，由刀片輔以墊塊實(shí)現(xiàn)茶葉切割[1]。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)分析

DSP控制器、圖像處理單元間通訊后，控制器向三軸伺服驅(qū)動(dòng)器、爪手舵機(jī)同時(shí)發(fā)送脈沖，三軸伺服驅(qū)動(dòng)器控制三軸電機(jī)動(dòng)作。

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，電機(jī)選用直流伺服電機(jī)。直流伺服電機(jī)免維護(hù)但控制復(fù)雜，易于實(shí)現(xiàn)智能化。主要由電機(jī)后端編碼器控制精度，低俗運(yùn)行平穩(wěn)低頻特性，過(guò)載能力強(qiáng)。電機(jī)接受DSP控制信號(hào)后，由閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位，驅(qū)動(dòng)器根據(jù)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)采樣，響應(yīng)速度快但結(jié)構(gòu)與制造復(fù)雜，且成本高。

舵機(jī)（型號(hào)MG995）接收PWM控制信號(hào)后，根據(jù)占空比輸出舵機(jī)轉(zhuǎn)軸角度，角度靈活轉(zhuǎn)變的控制系統(tǒng)適用。DSP控制器會(huì)輸出脈沖信號(hào)，且是含兩個(gè)不同占空比的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)爪手動(dòng)作的控制。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選用能夠控制電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的直流伺服啟動(dòng)器（型號(hào)MLDS2410-A1），內(nèi)部含有PID集成控制電路。利用其配套參數(shù)設(shè)置軟件，圍繞旋轉(zhuǎn)編碼器、電機(jī)的參數(shù)，設(shè)置驅(qū)動(dòng)器各參數(shù)，設(shè)置后存入EEPROM內(nèi)。

控制器包括單片微控制器、DSP數(shù)字信號(hào)處理器、PLC可編程邏輯控制器、智能控制芯片、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制指令的接收，并反饋信息，通過(guò)兩者比較利用控制算法形成控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象的控制。各種控制器都有一定的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合其經(jīng)濟(jì)性、移動(dòng)作業(yè)特征等，選用功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn)DSP控制器，具有密保保護(hù)機(jī)制、兼顧控制及快算功能[2]。

繼電器可實(shí)現(xiàn)控制器對(duì)大功率電磁閥的弱電控制，固態(tài)繼電器由分離電子期間、微電子電路等組成，在輸入端施以控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大電流負(fù)載驅(qū)動(dòng)的效果。不僅操作安全，同時(shí)開(kāi)關(guān)速度、抗干擾性、靈敏性、控制功率、電磁兼容性等方面理想，可有效控制電磁閥的通斷電。光電行程開(kāi)關(guān)選用EE-SX674型號(hào)，限制各軸極限，避難機(jī)械手運(yùn)行碰撞。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

開(kāi)始后系統(tǒng)初始化三軸歸零且爪手張開(kāi)，從圖像單元獲取位置參數(shù)，二軸或三軸聯(lián)動(dòng)，舵機(jī)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)爪手采摘，風(fēng)機(jī)回收茶葉至收集箱。當(dāng)區(qū)域內(nèi)所有點(diǎn)采摘完成進(jìn)行下一區(qū)域采摘，若區(qū)域內(nèi)未全部采摘回至二軸或三軸聯(lián)動(dòng)作業(yè)環(huán)節(jié)，以此循環(huán)實(shí)現(xiàn)茶葉采摘。系統(tǒng)設(shè)計(jì)由CCS3.3軟件實(shí)現(xiàn)，配置函數(shù)具備初始化各相關(guān)寄存器功能；各任務(wù)函數(shù)分別具備各軸歸零、串口通信、檢測(cè)位置超行程、二軸動(dòng)作、Z軸向下移動(dòng)、爪手閉合、Z軸向上移動(dòng)、爪手張開(kāi)功能。各中斷函數(shù)分別具備實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸位置中斷響應(yīng)功能?？刂葡到y(tǒng)中DSP、圖像處理單元的通信，串口通信工作流程為此系統(tǒng)初始化后，控制系統(tǒng)進(jìn)入串口通信子程，當(dāng)檢測(cè)輸入中斷標(biāo)志為1，接收數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)存至結(jié)構(gòu)體中，接收到結(jié)束標(biāo)志數(shù)據(jù)終止通信。當(dāng)檢測(cè)輸入中斷標(biāo)志不為1時(shí)，重復(fù)該操作，直至中斷標(biāo)志為1，再展開(kāi)數(shù)據(jù)接收與結(jié)束通信步驟。

3 控制系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 機(jī)械手系統(tǒng)

機(jī)械手系統(tǒng)由控制柜、三軸滑臺(tái)等部件組成，組件安裝后用履帶拖拉，軟件、硬件都是系統(tǒng)效率影響因素。其中軟件因素，DSP控制存在兩個(gè)實(shí)踐管理器，分別存在獨(dú)立性的計(jì)數(shù)器，控制計(jì)數(shù)器參數(shù)可調(diào)整溢出中斷周期，最終實(shí)現(xiàn)調(diào)整輸出脈沖頻率。硬件因素中，電機(jī)的物理特性，也會(huì)直接影響系統(tǒng)作業(yè)效率，直接電機(jī)轉(zhuǎn)速可通過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速，減去等效負(fù)載曲線斜率、負(fù)載轉(zhuǎn)矩的乘積得出。

3.2 試驗(yàn)

針對(duì)于最高工作頻率的測(cè)定，可確保實(shí)際作業(yè)最高轉(zhuǎn)速，試驗(yàn)方法是不與圖像處理單元通信情況下，利用CCS軟件，調(diào)節(jié)系統(tǒng)脈沖輸出評(píng)率，獲取三軸電機(jī)最快工作效率。最終檢測(cè)結(jié)果顯示，當(dāng)電機(jī)空載轉(zhuǎn)速、電機(jī)運(yùn)行速度間存在正相關(guān)；系統(tǒng)阻尼涵蓋各種摩擦阻尼，與負(fù)載轉(zhuǎn)矩間存在正相關(guān)，轉(zhuǎn)矩越大轉(zhuǎn)速下降越快；負(fù)載與轉(zhuǎn)速存在負(fù)相關(guān)，即負(fù)載減小轉(zhuǎn)速提升；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一定，減速比、電機(jī)減速間存在正相關(guān)，當(dāng)減速比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速提升，脈沖頻率隨之增強(qiáng)。

針對(duì)于聯(lián)動(dòng)作業(yè)效率的測(cè)定，主要目的了解三軸、二軸聯(lián)動(dòng)作業(yè)效率。試驗(yàn)方法是記錄機(jī)械手在各個(gè)坐標(biāo)條件下的平均采摘時(shí)間，計(jì)算各組二軸、三軸聯(lián)動(dòng)耗時(shí)時(shí)間，計(jì)算各聯(lián)動(dòng)形式均值，以及平均利用時(shí)間。結(jié)果顯示二軸聯(lián)動(dòng)達(dá)到指定坐標(biāo)點(diǎn)后，Z軸動(dòng)作到達(dá)指定坐標(biāo)后，爪手迅速開(kāi)啟與閉合完成采摘。爪手垂直動(dòng)作，與周圍茶葉不會(huì)造成影響，但動(dòng)作效率不高。三軸聯(lián)動(dòng)時(shí)，各軸達(dá)到指定坐標(biāo)點(diǎn)，爪手動(dòng)作完成采摘后移動(dòng)到下一坐標(biāo)點(diǎn)。運(yùn)行速度迅速，但爪手與周圍茶葉產(chǎn)生接觸。兩種聯(lián)動(dòng)形式比較，Z軸獨(dú)立動(dòng)作時(shí)間減少，節(jié)省的兩個(gè)動(dòng)作花費(fèi)時(shí)間。二軸聯(lián)動(dòng)Z軸約兩千次每小時(shí)，三軸聯(lián)動(dòng)約兩千五百次每小時(shí)，可見(jiàn)后者聯(lián)動(dòng)形式的速度優(yōu)勢(shì)明顯[3]。

可見(jiàn)脈沖輸出頻率、系統(tǒng)阻尼、減速機(jī)減速比、電機(jī)空載轉(zhuǎn)速等是工作效率主要影響因素。通過(guò)測(cè)試得出三軸電機(jī)的最大工作速度、最高工作頻率。同時(shí)三軸聯(lián)動(dòng)的工作效率，明顯高于二軸聯(lián)動(dòng)效率。通過(guò)實(shí)際采摘試驗(yàn)后還需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

為提高作業(yè)效率，在采摘機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，將機(jī)械結(jié)構(gòu)改為懸臂梁式，機(jī)械手由以往的Z軸改為與Y軸平行式結(jié)構(gòu)，分為左Y軸與右Y軸，在兩Y軸上設(shè)計(jì)左Z軸與右Z軸。機(jī)械手與茶棚間隔指定距離，兩Y軸隨承載移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)?；_(tái)需合理控制三軸的有效行程、長(zhǎng)度、臺(tái)面尺寸、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量、最大速度、重復(fù)定位精度等參數(shù)。采摘爪手以推拉式電磁鐵制動(dòng)，通過(guò)電磁吸力動(dòng)作，根據(jù)彈簧彈力歸位，通過(guò)微型軸承，實(shí)現(xiàn)固定銷、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈間的配合，確保作業(yè)精度與效率。爪手系統(tǒng)由電磁鐵、轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、固定銷、手指、墊塊、刀片、左右連桿組成，初始狀態(tài)下，電磁鐵頭伸出爪手張開(kāi)。電磁鐵通電后，電磁鐵向上由四連桿帶動(dòng)手指閉合完成茶葉采摘。

兩種設(shè)計(jì)方案比較，以往的單體機(jī)械手結(jié)構(gòu)，滾珠絲杠結(jié)構(gòu)，不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定且易于安裝，定位精度與穩(wěn)定性強(qiáng)。但受閉環(huán)伺服控制影響，單體工作效率不高。優(yōu)化后的雙機(jī)械臂結(jié)構(gòu)，同步帶結(jié)構(gòu)，兩機(jī)械手通過(guò)協(xié)調(diào)完成茶葉采摘，具有工作效率高的優(yōu)勢(shì)，但結(jié)構(gòu)繁瑣且穩(wěn)定性差，后續(xù)還需通過(guò)控制算法改善其穩(wěn)定與定位精準(zhǔn)度。

4 總結(jié)

利用DSP控制器、直流伺服電機(jī)等設(shè)備設(shè)計(jì)出了龍門(mén)式三軸直角坐標(biāo)機(jī)械，通過(guò)對(duì)采摘抓手的優(yōu)化，克服了負(fù)載、脈沖輸出頻率等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了懸臂式雙臂對(duì)稱爪手，采摘效率顯著提升。

[1]侯龍瀟,王鵬飛.基于PLC的機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)探討[J].工程技術(shù)（全文版）,2016（4）:00257-00257.

[2]諶孫杰,馬璐,吳秋平.兩自由度并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2016（6）:110-112.

[3]殷蘇民,鄭昌俊,徐啟祥,等.基于Sysmac自動(dòng)化平臺(tái)的Delta機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)床與液壓,2017（3）:1-5.