數(shù)控技術(shù)在采摘機(jī)器人作業(yè)中的應(yīng)用研究

舟山技師學(xué)院 陳虞鴻

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得較大進(jìn)步，果蔬種植需要依托現(xiàn)代技術(shù)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型。果蔬種植充分發(fā)揮數(shù)控技術(shù)的價(jià)值，利用機(jī)器人采摘，有效提升采摘的效率和質(zhì)量。本篇文章對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行簡單分析，充分認(rèn)識(shí)到采摘機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)采摘中的作用，基于數(shù)控基技術(shù)，對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì)，為以后的自動(dòng)采摘發(fā)展提供借鑒。

1 對(duì)采摘機(jī)器人主體設(shè)計(jì)進(jìn)行分析

1.1 采摘機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析

首先在采摘器人應(yīng)用中利用數(shù)控技術(shù)提前設(shè)定好機(jī)器人的行走路線，其次科學(xué)控制采摘機(jī)器人采摘中的前進(jìn)速度，保證機(jī)器人與果蔬之間的位置，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。最后的采摘環(huán)節(jié)，通過遠(yuǎn)端遙控控制機(jī)械手完成采摘作業(yè)，并且通過遠(yuǎn)端操控，及時(shí)把彩站的果蔬放置到儲(chǔ)存框內(nèi)。完成采摘環(huán)節(jié)，采摘機(jī)器人根據(jù)內(nèi)部系統(tǒng)程序及時(shí)進(jìn)行規(guī)劃定位返回路線，根據(jù)定位系統(tǒng)進(jìn)行身體旋轉(zhuǎn)，自動(dòng)移動(dòng)向前，保證后續(xù)財(cái)政作業(yè)的有序進(jìn)行。

1.2 采摘機(jī)器人的部件設(shè)計(jì)

首先，在針對(duì)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，采摘機(jī)器人需要配置后輪驅(qū)動(dòng)裝置，并將機(jī)器人的前輪設(shè)置為導(dǎo)向輪。另外，在整個(gè)系統(tǒng)中，后輪在進(jìn)行機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)時(shí)，還能夠與主電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)，串聯(lián)的方式可以有效降低采摘機(jī)器人在運(yùn)行中對(duì)電能的系哦啊好，能夠提高電能的利用效率，充分發(fā)揮本次設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。前輪與主體電極相互串聯(lián)，保證采摘機(jī)器人的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)符合要求，增強(qiáng)了采摘機(jī)器人采摘作業(yè)中的安全穩(wěn)定性。在末端設(shè)置相關(guān)的執(zhí)行設(shè)備，并且通過該設(shè)備對(duì)整個(gè)機(jī)器人進(jìn)行控制，屬于機(jī)器人的核心裝置，利用采摘裝置實(shí)現(xiàn)各關(guān)節(jié)之間的傳動(dòng)，通過傳動(dòng)裝置與主體鏈接的連接，提升傳輸速率，控制采摘機(jī)器人運(yùn)行中的參數(shù)，確保實(shí)際運(yùn)行中的效率最大化。采摘機(jī)器人的整體結(jié)果相對(duì)較小，在操作的過程中增加便捷性，而且此種設(shè)計(jì)有效降低經(jīng)濟(jì)投入。利用后置驅(qū)動(dòng)式部件設(shè)計(jì)使采摘機(jī)器人應(yīng)用空間比較大，在這過程中充分發(fā)揮采摘機(jī)器人的應(yīng)用空間。利用末端執(zhí)行裝置，面對(duì)不同的采摘環(huán)境，實(shí)時(shí)作出調(diào)整旋轉(zhuǎn)，應(yīng)用中主要是通過特殊齒輪的合力作出運(yùn)動(dòng)，使采摘機(jī)器人在整體上實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)與定位的合一，有效提升果蔬采摘的效率。

2 采摘機(jī)器人的數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 PID算法程序設(shè)計(jì)

本研究構(gòu)建的PID控制模型如圖1所示。

圖1 PID控制模型

PPID模型的主要作用是對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行核心控制，其主要分為比例調(diào)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)等三個(gè)部分，其輸出部分為：

輸出部分為：

在上述的公式中，P、I、D分別代表了比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)。另外，KP和Ki則代表了比例增益系數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)。最后的KD代表了微分常數(shù)。

（1）比例調(diào)節(jié)

作為PID調(diào)節(jié)中最基本的控制方式之一，在該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的過程中，其對(duì)采摘機(jī)器人的實(shí)際行為起到了主導(dǎo)作用。在運(yùn)行中對(duì)比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)反應(yīng)速度的調(diào)控，進(jìn)而確保輸入與輸出的時(shí)差能夠更新叫，甚至達(dá)到同步進(jìn)行的狀態(tài)。通過這種調(diào)節(jié)方式，能夠?qū)⑹д`率大幅度降低，可以有效的確保采摘機(jī)器人有著更加完善的工作效果與運(yùn)行方式，提高實(shí)際采摘效率。最后，在比例調(diào)節(jié)的過程中，信號(hào)輸出為u，信號(hào)偏差為e，兩者之間的函數(shù)關(guān)系如下：

（2）積分環(huán)節(jié)

在進(jìn)行調(diào)節(jié)器使用的過程中，其信號(hào)輸出與信號(hào)偏差分別有u和e代替，其連著的函數(shù)關(guān)系如下：

通過對(duì)上文的分析可以發(fā)現(xiàn)，在偏差最后結(jié)果等于零系統(tǒng)地輸出統(tǒng)的輸出才會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，并且在積分調(diào)節(jié)中可以消除系統(tǒng)中存在的剩余差。結(jié)合公式分析可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)中出現(xiàn)不平衡的情況在大多數(shù)情況下主要是由于調(diào)節(jié)過程中存在問題，要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，通過放大其有效地實(shí)現(xiàn)效的實(shí)現(xiàn)這一目的。另外，在系統(tǒng)調(diào)節(jié)的過程中，如果將I進(jìn)行調(diào)節(jié)，則很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定，造成積分調(diào)節(jié)出現(xiàn)一定的滯后性。所以，針對(duì)采摘機(jī)器人的實(shí)際調(diào)節(jié)中，通過比例調(diào)節(jié)的方式進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)節(jié)其效果更佳。

（3）微分環(huán)節(jié)

在微分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)中，信號(hào)輸出與偏差分別用u和e來表示，其函數(shù)關(guān)系如下：

微分調(diào)節(jié)的主要目的是需要針對(duì)系統(tǒng)的偏差信號(hào)展開臺(tái)階，并且根據(jù)系統(tǒng)的變差變化做出以下判斷：首先，如果偏差沒有變化，則該調(diào)節(jié)器不會(huì)發(fā)揮作用；如果偏差變化較大，微分調(diào)節(jié)器就會(huì)產(chǎn)生明顯的作用，控制偏差地繼續(xù)增加，并將系統(tǒng)控制在相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)行范圍內(nèi)。

2.2 數(shù)控硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)分析

在針對(duì)采摘機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，其硬件控制系統(tǒng)與軟件控制系統(tǒng)是十分重要的兩個(gè)核心環(huán)節(jié)。首先數(shù)控系統(tǒng)在整個(gè)采摘機(jī)器人的任性中起到了基礎(chǔ)調(diào)節(jié)的作用，是給機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的設(shè)備。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，其包含了單片機(jī)裝置，并且該裝置的作用更加明顯。并且，根據(jù)我國對(duì)果蔬采摘的需要，在設(shè)計(jì)采摘機(jī)器人時(shí)采用avrat16號(hào)單片機(jī)，主要是考慮此種型號(hào)的單片機(jī)購入成本比較低，而且單片機(jī)自身的兼容性能比較強(qiáng)，在應(yīng)用過程中可以發(fā)揮集成作用，是目前廣泛推廣的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品，利用此規(guī)格的單片機(jī)，可以完成采摘機(jī)器人操作。其次，采摘機(jī)器人需要利用步進(jìn)電機(jī)，在末端的設(shè)計(jì)中，步進(jìn)電機(jī)與氣缸能夠起到輸送能源的通，并且實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的能源供應(yīng)，確保采摘機(jī)器人能夠有著長時(shí)間的工作。最后，在數(shù)控軟件系統(tǒng)的實(shí)際操作中，其還能夠提高采摘機(jī)器人的靈活性，可以滿足對(duì)果蔬的多形式采摘，有著一定的實(shí)踐意義與進(jìn)步性。在果蔬行業(yè)發(fā)展的實(shí)際作用。在研究中通過科學(xué)設(shè)計(jì)來利用微分設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整。并且，在實(shí)際應(yīng)用中，結(jié)合PID算法及相關(guān)程序?qū)C(jī)器人進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)其科學(xué)的控制。同時(shí)，結(jié)合采摘技能的系統(tǒng)實(shí)際操作情況，在積液狀態(tài)下充分發(fā)揮主導(dǎo)作用，減少系統(tǒng)運(yùn)行中存在的誤差，在保證采摘質(zhì)量基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的高效采摘。

在本次研究中，其單片機(jī)選用的是AVR ATmega16單片機(jī)，在實(shí)際運(yùn)行與操作中，其有著一定的集成能力，可以實(shí)現(xiàn)綜合性的操作，是目前階段下相對(duì)能夠節(jié)約成本的單片機(jī)之一。并且，結(jié)合采摘機(jī)器人的實(shí)際工作環(huán)境與工作要求，該單片機(jī)的額定電壓更加適合應(yīng)用到采摘機(jī)器人上，能夠有著較強(qiáng)的應(yīng)用效果。其編程采用的是flash編程，如圖2所示。

圖2 ATmega16單片機(jī)的電路引腳圖

（1）直線步進(jìn)電機(jī)。在該電機(jī)的使用中，其執(zhí)行器設(shè)置在末端，并且采用的是結(jié)合氣缸作為動(dòng)力裝置。該設(shè)計(jì)充分考慮了采摘機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行與工作環(huán)境，能夠確保機(jī)器人在更加高效的基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)工作。

（2）減速步進(jìn)電機(jī)。在采摘機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用中，其采用的是螺旋采摘的方式進(jìn)行相關(guān)工作。為了確保這一工作能夠有效進(jìn)行，需要設(shè)置減速步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行工作輔助。

（3）傳感器。在本次研究的采摘機(jī)器人中，其設(shè)置的傳感器主要以紅外線傳感器和壓力傳感器為主。應(yīng)用該兩種傳感器的主要目的就是為了適應(yīng)采摘機(jī)器人的實(shí)際工作要求，確保其在運(yùn)行中有著更高的效率。

總結(jié)：由以上論述可知，采摘機(jī)器人在現(xiàn)代果蔬行業(yè)發(fā)展中發(fā)揮重要優(yōu)勢，精準(zhǔn)把握當(dāng)前新技術(shù)，分析掌握數(shù)控技術(shù)的實(shí)質(zhì)性，利用控制技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理設(shè)計(jì)，利用相關(guān)數(shù)控理論，實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人成本控制，為農(nóng)民節(jié)省設(shè)備購入成本，提升果蔬采摘效率，充分體現(xiàn)采摘機(jī)器人的應(yīng)用價(jià)值，在實(shí)踐中拓寬發(fā)展前景，為農(nóng)業(yè)發(fā)展創(chuàng)造條件。