基于PLC的果蔬機器人抓取控制系統(tǒng)研究

敖茂堯

(廣西職業(yè)技術學院,南寧 530226)

1 引言

果蔬作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最為重要的經(jīng)濟作物,在其生長與收獲過程中耗費了大量的人力物力,尤其在果蔬的采摘環(huán)節(jié),是最消耗人力和時間的一個環(huán)節(jié)。隨著我國城市化的發(fā)展,農(nóng)村勞動力人口大幅度縮減,果蔬的生產(chǎn)成本不斷增加,如何提高果蔬的收獲效率是需要重點關注的問題。當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已經(jīng)朝著機械化、智能化、精準化發(fā)展,機器人在農(nóng)業(yè)上的應用成為當前研究的熱點,果蔬機器人是集電子技術、智能技術、機械工程、計算機工程、農(nóng)業(yè)科學與生物科學等為一體的智能裝備,主要針對水果與蔬菜的采摘、搬運、分揀、碼垛、打包等方面的作業(yè)任務。由于果蔬機器人的研究還處于初始階段,存在目標識別不準、定位精度不高、抓取不穩(wěn)定等問題,其中抓取采摘是其關鍵環(huán)節(jié),影響到果蔬果實的獲取效率,為此,本文針對果蔬機器人的抓取控制系統(tǒng)進行研究,對于提高果蔬的采摘效率,加快機器人在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用具有重要的意義[1]。

2 機器人抓取關鍵技術應用分析

2.1 PLC在機器人中的應用

PLC稱之為可編程邏輯控制器,具有操作方式簡單、程序編寫直觀、控制方式多樣、定位精度準確等特點。PLC常應用于機器人的開關量控制、變頻控制、運動軌跡控制等方面,具體來講,一是利用PLC控制機器人的開關量,這種方式可以同時控制上萬個開關,不僅控制方式靈活多樣,而且節(jié)省工業(yè)生產(chǎn)中大量的人力物力,工作效率高;二是采用PLC技術對機器人電機進行變頻控制,實現(xiàn)對電動機速度的精確調(diào)整,使得機器人控制更加穩(wěn)定;三是PLC技術對機器人運動軌跡的控制,PLC通過運動控制算法指揮機器人進行各種運動,包括點位運動、直線運動、圓弧運動等,具有良好的定位誤差與控制精度[2]。

2.2 總線在機器人中的應用

總線是連接工業(yè)生產(chǎn)中各個部件或裝置的信號線,信號按照規(guī)定的協(xié)議與標準進行傳輸,信號傳輸?shù)乃俣取⑽粚捙c頻率是保障設備正常運行的關鍵因素。在工業(yè)生產(chǎn)中常見有 PROFIBUS-DP總線、CAN總線、SERCOS總線等,在機器人控制系統(tǒng)中,總線發(fā)揮著重要的作用,首先在系統(tǒng)上電時加載機器人控制程序,通過PLC和控制總線將邏輯指令發(fā)送到I/O設備,同時機器人控制程序將轉換為G代碼,并通過插補運算計算出目標的具體數(shù)據(jù),然后通過控制總線傳輸各個軸控制器之間的通訊,最終完成機器人各個軸的運動控制。

2.3 機械手在機器人中的應用

機械手是機器人的機械結構本體,主要按照給定的軌跡進行運動,完成目標抓取,并搬運到預定位置。常見的機械手有直角坐標式、圓柱坐標式、球坐標式、關節(jié)式等四種類型,其中直角坐標式可以按照+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z 六個方向運動,適合傳送帶配合使用或目標位置排列有序的工作環(huán)境,作業(yè)范圍較小;圓柱坐標式結構簡單、占用空間小、動作范圍較大,可在固定的空間范圍內(nèi)進行回轉運動或者直線運動,適合于搬運;球坐標式自由度較高,可進行2個旋轉運作和1個直線運動,能夠根據(jù)目標位置選擇合適的路徑,動作效率高,范圍大;關節(jié)式具有人手一樣的關節(jié),可以實現(xiàn)多個角度的運動,可根據(jù)需求調(diào)整關節(jié)數(shù)量以改變自由度,靈活度高,用途廣泛[3]。

3 果蔬機器人抓取控制系統(tǒng)設計

在本設計中,果蔬機器人抓取控制系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分構成,其中硬件主要由總線接收PLC控制信號,驅動機器人電動機工作,建立與外圍I/O數(shù)據(jù)通訊;軟件主要由PLC讀取機器人控制邏輯程序,并進行語言翻譯、轉換、邏輯處理,最終進行運動控制[4]。

3.1 果蔬機器人抓取硬件控制系統(tǒng)設計

3.1.1 機械手選取 根據(jù)果蔬的生長環(huán)境及果實形狀特征,需要機械手具備旋轉運動和直線運動功能,能夠實現(xiàn)伸縮、轉動、垂直六個自由度的運行,為此,選擇上下升降與平面轉動相結合的結構,其中,升降工作行程為0～1200mm,轉動由PLC驅動電動機帶動軸承進行0～270°旋轉;前端采用氣動手抓,由PLC控制電磁閥驅動氣缸完成對果實的抓取。

3.1.2 果蔬機器人硬件結構設計 根據(jù)果蔬機器人抓取作業(yè)要求,需要滿足六個自由度的協(xié)調(diào)控制,具有良好人機交互界面,能夠進行示教與路徑規(guī)劃,系統(tǒng)運行實時性高、響應速度快、可靠性高,為此,筆者依據(jù)上述要求設計了如圖1所示的果蔬機器人硬件結構示意圖。

圖1中果蔬機器人控制系統(tǒng)的核心是FAM3PLC,具有功能強、性能好、速度快、易擴展等優(yōu)點,能夠驅動電機、示教和控制外部I/O等功能,模塊化的結構便于不同功能的組合應用,設計中采用了電源模塊、CPU模塊、AC模塊、AD模塊、位置控制模塊和通信模塊等。其中位置控制模塊根據(jù)CPU的命令與編碼器反饋之間差值生成軌跡,再以脈沖量的方式輸出位置命令,電動機根據(jù)脈沖的數(shù)量進行位置的移動,根據(jù)脈沖的頻率進行速度的調(diào)整,最后編碼器根據(jù)電動機的旋轉角度計算出移動距離,并將其反饋到位置控制模塊,形成閉環(huán)控制。

圖1 果蔬機器人硬件結構圖

3.2 果蔬機器人抓取軟件控制系統(tǒng)設計

3.2.1 果蔬機器人軟件結構設計 果蔬機器人抓取控制系統(tǒng)的軟件設計是保障抓取功能實現(xiàn)與作業(yè)效果的關鍵因素,筆者設計的軟件構架如圖2所示,包括觸摸屏與PLC兩部分功能設計。觸摸屏作為人機交互平臺,由示教模塊、監(jiān)控模塊、文檔模塊、參數(shù)設置模塊構成,其中示教模塊可以進行機器人位置示教,生成指令文件;監(jiān)控模塊對機器人工作狀態(tài)進行監(jiān)測與控制;文檔模塊能夠調(diào)用、復制、刪除和管理文件;參數(shù)設置模塊可以對機器人控制參數(shù)、結構參數(shù)和控制系統(tǒng)I/O進行設置管理[5]。

圖2 果蔬采摘機器人軟件構架圖

PLC作為果蔬機器人的核心控制軟件,由位置控制模塊、速度控制模塊、軌跡控制模塊、初始點設置模塊等構成,其中位置控制模塊可以進行插補、定位過程中目標位置的調(diào)整;速度控制模塊能夠調(diào)節(jié)機器人抓取過程中的速度快慢;軌跡控制模塊可根據(jù)目標位置進行插補運算,并給出優(yōu)化后的運動軌跡;初始點設置模塊用于機器人原點的設置與恢復。

3.2.2 抓取控制程序流程設計 果蔬機器人抓取工作時動作順序:初始位置(手指松開、手抓上端、大臂垂直、小臂水平平行)→大臂旋轉180°(果蔬位置上方)→小臂伸出→手抓下降→手指夾緊→手抓上升→小臂縮回→大臂反向旋轉180°(果蔬放置位置)→小臂伸出→手抓下降→手指松開→手抓上升→小臂縮回(初始位置)。機器人在完成一個循環(huán)后,自動回到初始位置繼續(xù)進行下一次抓取,程序流程圖如圖3所示。

圖3 抓取控制程序流程圖

4 小結

綜上所述,將PLC應用于果蔬機器人的抓取控制中,具有易編程、系統(tǒng)穩(wěn)定、操作簡單等特點,為農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展帶來了便利,隨著我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向智能農(nóng)業(yè)的升級改造,機器人技術的發(fā)展必將成為影響其轉型升級的關鍵因素,因此本文設計的果蔬機器人抓取控制系統(tǒng)將對于未來農(nóng)業(yè)機器人的應用具有重要的意義與價值。