采茶机器人的机械自动化控制系统设计分析

2018-01-18辛文文

福建茶叶 2018年8期

关键词：机械手脉冲控制器

辛文文

（青海省西宁市青海大学，青海西宁 810016）

手工采茶劳动强度大且效率低，品质不理想，采茶机器人的应用，通过悬臂式机械臂独立采摘，有效提高了作业效率。优化脉冲输出频率、系统阻尼等影响工作效率的因素，可显著提升三轴电机伺服系统，以及三轴、二轴联动的工作效率。

1 机器人机械结构设计

1.1 方案设计

采茶机器人顺利作业，需要了解茶棚的空间尺寸、茶叶外形，合理设计三轴机械手，以及采摘爪手（二手指式）。通过单机械手与龙门式布置，沿茶棚走向在茶棚两侧设计X轴，且轴间同步运动。Y轴横跨茶棚，在Z轴设计爪手。机械手控制器、图像单元间通过通信获得茶叶单位坐标参数，围绕坐标序列，XY轴达到指定坐标后，Z轴导致坐标位置，通过爪手闭合实现采摘。茶叶在负压风机带动下回收，即完成一次采摘作业，三轴再次动作实现下一次采摘作业。

1.2 机械结构设计

根据茶棚长宽高，茶叶行间距等数据，设计三轴有效行程。为减少Y轴定量挠度，需对该轴施以强度校核。两个X轴间选用圆弧齿同步带。采摘爪手施以舵机驱动，其输出轴控制左爪手旋转，与后侧手指间齿轮啮合，此时右侧手指同步向另一侧旋转，两手指分别沿顺、逆时针旋转，由四连杆机构闭合，由刀片辅以垫块实现茶叶切割[1]。

2 机器人控制系统分析

DSP控制器、图像处理单元间通讯后，控制器向三轴伺服驱动器、爪手舵机同时发送脉冲，三轴伺服驱动器控制三轴电机动作。

2.1 系统硬件构成

执行机构中，电机选用直流伺服电机。直流伺服电机免维护但控制复杂，易于实现智能化。主要由电机后端编码器控制精度，低俗运行平稳低频特性，过载能力强。电机接受DSP控制信号后，由闭环控制实现精准定位，驱动器根据电机编码器反馈信号采样，响应速度快但结构与制造复杂，且成本高。

舵机（型号MG995）接收PWM控制信号后，根据占空比输出舵机转轴角度，角度灵活转变的控制系统适用。DSP控制器会输出脉冲信号，且是含两个不同占空比的信号，实现对爪手动作的控制。

电机驱动器选用能够控制电流环、速度环、位置环的直流伺服启动器（型号MLDS2410-A1），内部含有PID集成控制电路。利用其配套参数设置软件，围绕旋转编码器、电机的参数，设置驱动器各参数，设置后存入EEPROM内。

控制器包括单片微控制器、DSP数字信号处理器、PLC可编程逻辑控制器、智能控制芯片、工业控制计算机等，实现对控制指令的接收，并反馈信息，通过两者比较利用控制算法形成控制信号，实现对控制对象的控制。各种控制器都有一定的优缺点，综合其经济性、移动作业特征等，选用功能强大的32位定点DSP控制器，具有密保保护机制、兼顾控制及快算功能[2]。

继电器可实现控制器对大功率电磁阀的弱电控制，固态继电器由分离电子期间、微电子电路等组成，在输入端施以控制信号，可实现对大电流负载驱动的效果。不仅操作安全，同时开关速度、抗干扰性、灵敏性、控制功率、电磁兼容性等方面理想，可有效控制电磁阀的通断电。光电行程开关选用EE-SX674型号，限制各轴极限，避难机械手运行碰撞。

2.2 软件设计

开始后系统初始化三轴归零且爪手张开，从图像单元获取位置参数，二轴或三轴联动，舵机动作驱动爪手采摘，风机回收茶叶至收集箱。当区域内所有点采摘完成进行下一区域采摘，若区域内未全部采摘回至二轴或三轴联动作业环节，以此循环实现茶叶采摘。系统设计由CCS3.3软件实现，配置函数具备初始化各相关寄存器功能；各任务函数分别具备各轴归零、串口通信、检测位置超行程、二轴动作、Z轴向下移动、爪手闭合、Z轴向上移动、爪手张开功能。各中断函数分别具备实现X、Y、Z三轴位置中断响应功能。控制系统中DSP、图像处理单元的通信，串口通信工作流程为此系统初始化后，控制系统进入串口通信子程，当检测输入中断标志为1，接收数据并转存至结构体中，接收到结束标志数据终止通信。当检测输入中断标志不为1时，重复该操作，直至中断标志为1，再展开数据接收与结束通信步骤。

3 控制系统验证

3.1 机械手系统

机械手系统由控制柜、三轴滑台等部件组成，组件安装后用履带拖拉，软件、硬件都是系统效率影响因素。其中软件因素，DSP控制存在两个实践管理器，分别存在独立性的计数器，控制计数器参数可调整溢出中断周期，最终实现调整输出脉冲频率。硬件因素中，电机的物理特性，也会直接影响系统作业效率，直接电机转速可通过理想空载转速，减去等效负载曲线斜率、负载转矩的乘积得出。

3.2 试验

针对于最高工作频率的测定，可确保实际作业最高转速，试验方法是不与图像处理单元通信情况下，利用CCS软件，调节系统脉冲输出评率，获取三轴电机最快工作效率。最终检测结果显示，当电机空载转速、电机运行速度间存在正相关；系统阻尼涵盖各种摩擦阻尼，与负载转矩间存在正相关，转矩越大转速下降越快；负载与转速存在负相关，即负载减小转速提升；当负载转矩一定，减速比、电机减速间存在正相关，当减速比增加，电机转速提升，脉冲频率随之增强。

针对于联动作业效率的测定，主要目的了解三轴、二轴联动作业效率。试验方法是记录机械手在各个坐标条件下的平均采摘时间，计算各组二轴、三轴联动耗时时间，计算各联动形式均值，以及平均利用时间。结果显示二轴联动达到指定坐标点后，Z轴动作到达指定坐标后，爪手迅速开启与闭合完成采摘。爪手垂直动作，与周围茶叶不会造成影响，但动作效率不高。三轴联动时，各轴达到指定坐标点，爪手动作完成采摘后移动到下一坐标点。运行速度迅速，但爪手与周围茶叶产生接触。两种联动形式比较，Z轴独立动作时间减少，节省的两个动作花费时间。二轴联动Z轴约两千次每小时，三轴联动约两千五百次每小时，可见后者联动形式的速度优势明显[3]。

可见脉冲输出频率、系统阻尼、减速机减速比、电机空载转速等是工作效率主要影响因素。通过测试得出三轴电机的最大工作速度、最高工作频率。同时三轴联动的工作效率，明显高于二轴联动效率。通过实际采摘试验后还需根据实际情况调整控制系统的稳定性。

为提高作业效率，在采摘机器人的结构设计基础上进行了优化，将机械结构改为悬臂梁式，机械手由以往的Z轴改为与Y轴平行式结构，分为左Y轴与右Y轴，在两Y轴上设计左Z轴与右Z轴。机械手与茶棚间隔指定距离，两Y轴随承载移动平台移动。滑台需合理控制三轴的有效行程、长度、台面尺寸、每转进给量、最大速度、重复定位精度等参数。采摘爪手以推拉式电磁铁制动，通过电磁吸力动作，根据弹簧弹力归位，通过微型轴承，实现固定销、转动铰链间的配合，确保作业精度与效率。爪手系统由电磁铁、转动铰链、固定销、手指、垫块、刀片、左右连杆组成，初始状态下，电磁铁头伸出爪手张开。电磁铁通电后，电磁铁向上由四连杆带动手指闭合完成茶叶采摘。

两种设计方案比较，以往的单体机械手结构，滚珠丝杠结构，不仅结构简单稳定且易于安装，定位精度与稳定性强。但受闭环伺服控制影响，单体工作效率不高。优化后的双机械臂结构，同步带结构，两机械手通过协调完成茶叶采摘，具有工作效率高的优势，但结构繁琐且稳定性差，后续还需通过控制算法改善其稳定与定位精准度。