PLC 的采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化技術(shù)分析

劉 丹

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，通信技術(shù)正在發(fā)生翻天覆地的變化，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的日臻成熟，越來越多的全新技術(shù)形態(tài)不斷涌現(xiàn)，PLC 技術(shù)就是其中的一種[1]。PLC 是一個(gè)微型計(jì)算處理器，不僅包含了先進(jìn)的通信技術(shù)，同時(shí)也包括了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能等眾多技術(shù)形態(tài)。而隨著PLC 技術(shù)的不斷發(fā)展，它在多個(gè)領(lǐng)域被普遍應(yīng)用。實(shí)踐證明，PLC 技術(shù)對(duì)于全面提高生產(chǎn)質(zhì)量和農(nóng)業(yè)采摘效率都會(huì)帶來巨大的幫助。不少專家認(rèn)為，PLC 技術(shù)是未來電氣工程自動(dòng)化技術(shù)中的重要形態(tài)。

1 PLC技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

PLC 技術(shù)作為一項(xiàng)全新的技術(shù)形態(tài)，能夠被眾多行業(yè)所應(yīng)用，一定有著屬于自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。1）從PLC 的結(jié)構(gòu)上來看，構(gòu)成并不復(fù)雜。由于采用了先進(jìn)的通信技術(shù)，可靠程度相對(duì)較高，不容易受到其他環(huán)境因素影響，能夠保證維護(hù)工作自主展開，這對(duì)于自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)帶來極大幫助。2）對(duì)于控制程序的編寫來說，PLC 技術(shù)可以滿足現(xiàn)代化編程需求，適合技術(shù)人員根據(jù)自身需求合理編寫程序，有利于企業(yè)的快速發(fā)展。3）從PLC 技術(shù)的編程語(yǔ)言選擇上來看，相對(duì)較為簡(jiǎn)單，適合在生產(chǎn)一線技術(shù)人員中進(jìn)行全面推廣，使生產(chǎn)一線技術(shù)人員掌握一定的編程能力，這對(duì)于全面提高工廠自動(dòng)化技術(shù)水平、實(shí)現(xiàn)技術(shù)能力提高將會(huì)帶來極大幫助?？偟膩碚f，PLC 技術(shù)有著較多優(yōu)勢(shì)，特別是隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的不斷發(fā)展，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)在線數(shù)據(jù)交換，降低人工成本，進(jìn)而引領(lǐng)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)于農(nóng)業(yè)采摘來說也是如此[2-3]。從這一點(diǎn)上來說，如果將PLC 技術(shù)和農(nóng)業(yè)采摘相結(jié)合，必將助推我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量的提升。

2 傳統(tǒng)采摘技術(shù)存在的弊端

近年來，雖然我國(guó)在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新興技術(shù)方面成績(jī)斐然，但仍有不少行業(yè)的生產(chǎn)模式滯后，農(nóng)業(yè)行業(yè)尤其如此。其實(shí)現(xiàn)在市場(chǎng)上有很多的采摘機(jī)器人，但由于種種原因不少農(nóng)戶依然會(huì)選擇人工采摘，但人工采摘的弊端顯而易見：1）人工采摘效率并不是特別高，再加上人的精力十分有限。雖然采摘前期可能會(huì)相對(duì)較快，但進(jìn)入后期，采摘速度將會(huì)持續(xù)下降，這會(huì)給身體帶來較大負(fù)荷，也容易產(chǎn)生意外風(fēng)險(xiǎn)。2）人工采摘很容易導(dǎo)致果實(shí)受到傷害，人在采摘過程當(dāng)中稍有不注意就可能會(huì)對(duì)果實(shí)外觀產(chǎn)生破壞，使得果實(shí)外售價(jià)格受到較大影響，引起不必要的經(jīng)濟(jì)損失。3）人工采摘成本相對(duì)較高。在果實(shí)豐收的季節(jié)里，需要采摘的果實(shí)總量往往相對(duì)較大，這就會(huì)造成雇傭勞動(dòng)者數(shù)量相對(duì)較多，使得農(nóng)業(yè)水果種植成本不斷增加[4]。

3 基于PLC的采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化技術(shù)

3.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)持續(xù)進(jìn)步，很多具備自主作業(yè)能力的采摘機(jī)器人已經(jīng)開始被逐漸應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程當(dāng)中。但受制于自動(dòng)化控制系統(tǒng)，目前的采摘作業(yè)效率并不是特別理想，而基于PLC 技術(shù)所產(chǎn)生的控制系統(tǒng)是依靠現(xiàn)代化編程所實(shí)現(xiàn)的自動(dòng)化控制程序[5]。該項(xiàng)技術(shù)融合了多種技術(shù)形態(tài)，具備適用范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。而借助PLC 的強(qiáng)大處理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)自主動(dòng)作的精確控制，這使得采摘機(jī)器人工作效率能夠進(jìn)一步提高，從而全面提升采摘質(zhì)量[6]?？偟膩碚f，PLC 技術(shù)能夠全面提高采摘機(jī)器人的工作效率，實(shí)現(xiàn)采摘精確性的全面提升，但目前PLC 技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用范圍還不是特別廣，技術(shù)并不是特別成熟，需要進(jìn)一步改進(jìn)。這也就是目前我國(guó)很多農(nóng)業(yè)采摘仍然采取人工采摘，并沒有運(yùn)用采摘機(jī)器人進(jìn)行采摘的根本原因。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)械手電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)非常重要，采摘機(jī)器人電氣自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要由5 部分組成，包括傳感器組件、PLC 測(cè)控平臺(tái)、比例控制放大器、電液比例方向閥和機(jī)械手執(zhí)行機(jī)構(gòu)。機(jī)械手作業(yè)時(shí)，傳感器將采集信息傳送給PLC 測(cè)控平臺(tái)，平臺(tái)通過信息處理向比例控制放大器發(fā)出控制信號(hào)，控制電液比例方向閥，使采摘末端的執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行相關(guān)的動(dòng)作。控制過程的主要流程為：輸入機(jī)器人及機(jī)械手的初始位置信息，再利用傳感器采集待作業(yè)區(qū)域及待采摘目標(biāo)距離信息，通過對(duì)比確定調(diào)整機(jī)械手位置，最后利用PID 控制程序子程序控制比例閥動(dòng)作。在電氣自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，電機(jī)的控制方式采用的是PID算法的PI 控制方式，其連續(xù)性控制方程為：

其中，Kp為比例增益；Ki為積分增益。其對(duì)應(yīng)的數(shù)字離散方程為：

其中，Un為n 次采樣的輸出值；en為相對(duì)于前一次采用的偏差，Ti為積分時(shí)間。其前一次方程為：

兩方程相減可得：

采用增量式的PI 控制可以避免誤差的累加，這是由于增量式的控制與3 次的數(shù)據(jù)有關(guān)，且通過加權(quán)處理可以較好地消除誤差的影響。

4 機(jī)械采摘手發(fā)展概況

4.1 具體分類

從目前機(jī)械采摘的工作類型來看，主要有以下3種方式：撞擊式、切割式、陣搖式。撞擊式是利用機(jī)器本身的沖擊力，將果樹的果干撞折或者是直接沖擊果枝，使得水果從枝頭掉落，掉落的果實(shí)會(huì)被預(yù)先設(shè)置的裝置所接收[7]。這種方法的缺陷是會(huì)對(duì)果枝的外觀形態(tài)造成損傷，使得果樹結(jié)果受到較大影響。切割式會(huì)將枝條或者是水果的果柄切斷，從而完成水果采摘，這種切割作業(yè)方式會(huì)使果樹自身受到二次傷害[8]。陣搖式則會(huì)借助機(jī)器的作用，使得果樹中的果實(shí)受到加速度的影響從而脫落?？偟膩碚f，這3種采摘方式各有利弊，但仍會(huì)對(duì)果樹本身造成一定傷害，并不利于水果結(jié)果量的持續(xù)上升，也充分說明現(xiàn)在的采摘機(jī)器人存在較大弊端。

4.2 機(jī)器人采摘的技術(shù)原理

從目前的水果采摘機(jī)器人構(gòu)成來看，主要由機(jī)械手臂、末端執(zhí)行器、視覺識(shí)別裝置、行走裝置、中心控制系統(tǒng)5 個(gè)部分組成。就具體工作原理來說，水果采摘機(jī)器人往往會(huì)通過自身所設(shè)置的攝像頭對(duì)果實(shí)形態(tài)進(jìn)行拍照，并與自身儲(chǔ)存的成熟果實(shí)圖片相比對(duì)，來判斷果實(shí)是否成熟[9]。當(dāng)判定為果實(shí)成熟以后，便會(huì)通過設(shè)定的程序移動(dòng)到目標(biāo)位置。而行走裝置往往是由4 個(gè)輪子組成，可以做到快速移動(dòng)并通過加設(shè)收集裝置對(duì)果實(shí)進(jìn)行收集，而最后一步就是利用機(jī)械手臂中的旋轉(zhuǎn)方式將果實(shí)擰下來。其中，視覺識(shí)別系統(tǒng)是利用目前較為成熟的視距雙目識(shí)別技術(shù)。這種技術(shù)的特點(diǎn)在于模仿人的眼部動(dòng)作來對(duì)物體進(jìn)行觀察，兩臺(tái)攝像機(jī)就是人的兩個(gè)眼睛，彼此之間分開一定距離。通過獲取圖像的方式來對(duì)果實(shí)位置進(jìn)行判斷[10]。獲取圖像，再對(duì)兩個(gè)圖像的差異進(jìn)行比較，利用三角測(cè)距的方法來得到果實(shí)位置。這種技術(shù)最大優(yōu)勢(shì)就是成本相對(duì)較低，而且能夠在短時(shí)間內(nèi)快速對(duì)果實(shí)進(jìn)行識(shí)別。而末端裝置則是利用仿生學(xué)原理模仿人的手指，能夠?qū)崿F(xiàn)快速抓取。果實(shí)行走裝置一般采用輪式裝置，穩(wěn)定性相對(duì)較高，不會(huì)發(fā)生側(cè)翻等一系列事故，但這種方式如果遇到較為松軟的土地，則很難行進(jìn)，而坡度較陡的地方也不適合其應(yīng)用。

4.3 機(jī)器人采摘的發(fā)展難點(diǎn)

水果采摘機(jī)器人發(fā)展到目前仍然存在一定困難，其中一部分困難就來自果實(shí)的判斷和識(shí)別定位。果實(shí)的成熟判斷水平將會(huì)直接決定水果采摘機(jī)器人自身的工作效率，如果在圖像識(shí)別和路徑判斷上浪費(fèi)較多的時(shí)間，則會(huì)造成工作效率的進(jìn)一步下降。在此情況下，機(jī)器人的工作效率可能還不如人工采集效率高，那么對(duì)于采摘機(jī)器人應(yīng)用也就沒有任何意義。除此之外，定位識(shí)別成熟果實(shí)也往往容易受到外在系統(tǒng)的影響，光線和光照都是重要影響因素之一。例如，如果果樹的枝葉較為繁茂，則會(huì)將果實(shí)擋在其中，使得水果采摘機(jī)器人不能第一時(shí)間對(duì)是否有果實(shí)做出準(zhǔn)確判斷，會(huì)使水果采摘機(jī)器人自身的工作難度進(jìn)一步提高。如何不影響水果果實(shí)和植物生長(zhǎng)狀態(tài)，也是水果采摘機(jī)器人發(fā)展的難點(diǎn)。水果采摘機(jī)器人在行走和采摘收割過程當(dāng)中，要想不損壞果實(shí)是幾乎無法實(shí)現(xiàn)的，而且將水果采摘之后如何對(duì)斷口進(jìn)行合理處理，避免因?yàn)閿嗫趯?dǎo)致果蔬來年結(jié)果能力越來越差就變得尤為關(guān)鍵了。這就需要對(duì)水果的切割方法進(jìn)行調(diào)整，使其進(jìn)一步滿足實(shí)際需求。因此，必須對(duì)水果切割方式做出有效調(diào)整，避免對(duì)果樹造成二次傷害，而高溫切割則是非常好的一種方式，但仍然需要進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn)才能夠解決相關(guān)問題，以便最大限度地發(fā)揮機(jī)器人在農(nóng)業(yè)采摘中的作用。總的來說，目前采摘機(jī)器人自身所遇到的困難相對(duì)較多，需要廣大科技人員投入更大的精力，進(jìn)一步提高水果采摘質(zhì)量。

4.4 采摘裝置的發(fā)展趨勢(shì)

從目前情況來看，仍然會(huì)產(chǎn)生較多問題，在短時(shí)間內(nèi)沒有辦法做到大規(guī)模使用。而從采摘裝置研發(fā)方向來看，多功能性將會(huì)成為未來發(fā)展方向。不但能夠采摘果實(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)多元化技術(shù)動(dòng)作，其中就包括了枝條修剪、施用肥料等。與此同時(shí)，應(yīng)減少購(gòu)買設(shè)備所需要的成本費(fèi)用，進(jìn)一步降低農(nóng)業(yè)生產(chǎn)種植過程當(dāng)中所產(chǎn)生的成本開支。此外，有專家指出機(jī)械采摘另外的發(fā)展渠道就是實(shí)現(xiàn)采摘和運(yùn)輸雙功能。目前我國(guó)大多數(shù)果園均處在山區(qū)丘陵中，往外運(yùn)輸水果工作十分困難。使用人工進(jìn)行運(yùn)輸?shù)脑?，不僅會(huì)造成較大的工作強(qiáng)度，也會(huì)提升生產(chǎn)成本。因此，研究一款相對(duì)較為省力的運(yùn)輸機(jī)器，將會(huì)變得十分重要。在程序設(shè)置和機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)成上也要更加靈活，一方面要適應(yīng)農(nóng)民朋友自身素養(yǎng)，另一方面則采取仿生學(xué)設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)靈活操作，避免對(duì)水果外觀造成破壞?？偟膩碚f，采摘機(jī)器人將會(huì)成為未來的重要發(fā)展領(lǐng)域。如何提高機(jī)器人的采摘質(zhì)量，避免對(duì)果樹造成二次破壞，將會(huì)成為研究重點(diǎn)。另外，也需要在成熟水果識(shí)別和定位上投入更多精力，使自主采摘機(jī)器人具備較強(qiáng)的識(shí)別能力，進(jìn)一步提升采摘效率。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著我國(guó)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行采摘將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。一方面，機(jī)械采摘能夠提高采摘效率，降低人工成本；另一方面，機(jī)械采摘技術(shù)將會(huì)變得越來越成熟，目前所產(chǎn)生的一些問題都將會(huì)隨著科技的進(jìn)步而逐步得到解決?？偟膩碚f，我們需要在機(jī)器人設(shè)計(jì)方面投入更多的精力，結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行多樣化機(jī)器人技術(shù)設(shè)計(jì)，特別是要加強(qiáng)PLC 技術(shù)應(yīng)用比例，以提升我國(guó)采摘機(jī)器人自動(dòng)化程度，真正做到智能化、高效化，為我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展提供幫助。