數控技術在采摘機器人作業中的應用

葉 濤

(信陽高級技工學校，河南 信陽 464000)

0 引言

采摘作業是農業種植中耗時最多、成本最高的環節，基于果蔬的季節性在其成熟后需要在極短時間內完成采摘工作。當前，我國果蔬種植面積不斷增大，但采摘作業仍以人工采摘為主，且采摘過程中的成本占據總成本比例為50%～70%。隨著果蔬種植面積不斷提升，我國果蔬采摘要求逐漸提升，傳統手工采摘無法滿足實際需求，因此我國一些地區開始采用采摘機器人代替人工采摘，不僅有效提升采摘效率，還降低采摘成本。采摘機器人主要通過數控技術進行控制，其路線規劃及避障等均建立在數控技術基礎上。本文以數控技術為基礎，探究該項技術在采摘機器人運作過程中的應用，并構建出模型進行應用解析。

1 采摘機器人結構設計

1.1 整體結構設計

基于農業采摘機器人成本、耗能等方面需求，本研究在設計采摘機器人過程中采用欠驅動方式，設計的采摘機器人結構如圖1所示。該機器人主體部分主要包括兩個部分：后置輪式移動平臺及末端執行機械手。該結構為6自由度機器人，通過對末端執行裝置的改進便可適應對多品種果蔬的采摘，從而實現功能擴展。該結構驅動為后輪驅動模式，避免轉向結構冗余情況的出現，可在多種復雜環境中運行。其簡單結構，前期制造成本和后期維護成本均較低，可滿足農用需求。

1.機械臂 2.末端機械手 3.轉向輪 4.驅動輪 5.果蔬存儲廂 6.自動控制室圖1 采摘機器人整體結構圖Fig.1 Overall structure of picking robot

工作過程中，車輪移動，機械手通過智能控制到達指定位置進行果蔬采摘。其具體工作流程為:通過系統數控技術控制機器人到達指定位置，由上位機進行圖像采集視覺圖像后判斷果蔬具體位置，并通過控制程序反饋信息進行動力學求解，將求解得到的運動信號反饋至機械手部分進行采摘作業。采摘成功后，將果蔬放置于車廂中，以此循環直至采摘作業完成。其轉向作業則是通過自身系統結合GPS規劃路線，到達轉向邊界會自動轉向，繼續采摘。

1.2 部件設計

1)驅動結構設計。采摘機器人采用后輪驅動、前輪轉向方式控制其運動過程，后輪與伺服電機串聯從而有效降低傳動過程中的能量損失，并節省系統空間，在復雜地形下可最大限度實現功率傳遞。前輪部分則是通過伺服電機串聯實現轉向功能，確保采摘機器人行走中具備高精度控制能力。其驅動結構如圖2所示。

1.結構固定架 2.帶座軸承平臺臺 3.帶座軸承 4.套筒 5.鏈輪 6.鏈條 7.法蘭套筒 8.軸承 9.銷軸 10.鏈輪 11.后輪輪軸 12.后輪 13.伺服電機圖2 采摘機器人驅動裝置Fig.2 Picking robot driving device

2)末端執行裝置。末端執行裝置是整個結構的核心部分，其結構如圖3所示。

1.伺服電機 2.車廂底部前端固定板 3.同步帶輪 4.同步帶 5.套筒 6.帶座軸承 7.伺服電機 8.視頻捕捉裝置 9.機械手爪 10.機械臂 11.U型件(小) 12.U型件(大) 13.機械臂 14. U型件(小) 15.伺服電機 16.U型件(大) 17.機械臂 18.末端執行裝置底座 19.同步帶轉盤圖3 末端執行裝置結構Fig.3 End effector structure

該結構各個關節的傳動過程均為諧波傳動，并需通過伺服電機行星減速機實現其力矩傳輸效率最大化。該結構具有尺寸較小、運動靈活、工作效率高、成本較低等優點，可滿足果蔬采摘多種需求。末端執行器的圓周轉動方式主要通過齒輪實現，該種方式傳動效率可達到0.99，實際轉動過程中可在無滑動情況下保持較高傳動精度，并可實現對機械臂的精確定位。

2 機械臂的正逆運動學分析

本研究采摘機器人為六自由度裝置，其運動過程主要通過中央控制器進行控制，以矩陣形式控制末端執行器的動作規劃，結合實際情況控制末端執行裝置的移動。

2.1 末端執行裝置參數化建模

末端執行裝置位置矢量可對其空間任意點位置進行描述，建立關于末端執行裝置的空間三維之間坐標系，將其表示為∑A，對空間任意一點P可將其描述為下列矩陣，即

式中Px—空間X方向分量；

Py—空間Y方向分量；

Pz—空間Z方向分量；

AP—其中上標A表示參考坐標系∑A。

對于空間存在的某剛體B設定∑B，并設定其3個單位主矢量相對于所建立的∑A方向余弦構成的三階矩陣，可將其表示為

對剛體B上任意一點均可在坐標系均可對其進行描述，即通過B的固連坐標系∑B將處于坐標系∑A的點進行旋轉復合，將其表描述為APB0,在此基礎上可得到

上式中的復合映射可將其表示為3×4形式齊次矩陣，在實際表達過程中可將AP表示為4×1的列矢量，之后便可得到點P在其所處直角坐標系∑A中的齊次矩陣表達式，將其表示為

3 采摘機器人的數控系統設計

本研究采摘機器人主要通過數控技術進行控制，在控制過程中需要設計其專屬控制系統，協調系統多個單元從而完成一整套目標作業。軟件部分主要由上位機軟件和下位機軟件兩部分構成，用戶需要對系統進行操作時，即通過上位機對采摘機器人傳送指令，下位機部分則通過無線終端進行數據接受，在相應網絡協議的協助下展開作業。

3.1 PID 算法程序設計

本研究構建的PID控制模型如圖4所示。

圖4 PID控制模型Fig.4 PID control model

PID控制模型主要通過積分環節、微分環節、積分環節3個部分進行調節。其中，輸入部分為

e(t)=r(t)-y(t)

輸出部分為

式中p—比例環節；

i—積分環節；

D—微分環節；

Kp—比例增益系數；

Ki—積分時間常數；

KD—微分常數。

1)比例調節：該調節是PID調節中最基本的控制方式，在系統運行過程中起主導作用，通過比例調節可控制系統反應速度，從而促使系統輸入與輸出部分時差最小化，屬于一種同步行為，具有良好動態性，可針對各種情況實現動態響應，最大限度降低誤差；但無法將參數完全回到給定值，控制結果會造成余差，且在比例調節過程中調節器的信號輸出u與信號偏差e之間存在如下函數關系：

u=kce

2)積分環節：調節器的信號輸出u與信號偏差e之間存在如下函數關系，即

通過上文分析可知：只有當偏差最后為零時，系統才能穩定輸出，積分調節可消除系統存在的余差。通過奈式定理可知：系統中不平衡被控制對象在進行比例調節過程中，只需要放大其比例便可促進總體系統不斷趨于穩定。在調節系統過程中若通過I調節則無法使得系統穩定，積分調節在運行過程中存在一定滯后性，因此其滯后性使得積分控制的作用比不上比例調節。

3)微分環節: 調節器的信號輸出u與信號偏差e之間存在如下函數關系，即

微分調節主要是結合系統偏差信號微分展開動作，根據其偏差變化進行判斷：若偏差未變化則該調解器未起到作用；若偏差變化較大則微分調節器作用明顯，可及時控制系統偏差的增長，并逐漸提升系統穩定性，系統動態性能不斷提升。

3.2 數控硬件系統

采摘機器人的末端執行裝置主要由步進電機、驅動器及單片機等部分組成，其控制過程如圖5所示。

圖5 系統控制簡圖Fig.5 System control diagram

本研究選擇的單片機為AVR ATmega16單片機，具有較高集成性，且成本低廉，滿足采摘機械手多功能需求。AVR ATmega16單片機的額定電壓為4.5～5.5V，具備16K字節的系統內可編程Flash，并具備512字節EEPROM。ATmega16單片機的電路引腳圖如圖6所示。

圖6 ATmega16單片機的電路引腳圖Fig.6 ATmega16 microcontroller circuit pin diagram

1)直線步進電機。末端執行器部分采用的是直線步進電機以及氣缸作為動力裝置，在系統運行過程中考慮其控制過程穩定性及簡潔性且適合室外土地運行需求，直線步進電機在摘取過程中主要實現對果樹的夾取。選擇的電機模型如圖7所示。

圖7 直線步進電機模型Fig.7 Step motor model

結合實際情況選擇直線步進電機的參數,如表1所示。

表1 直線步進電機參數Table 1 Parameters of stepping motor

2)減速步進電機。采摘機器人末端執行器主要是采用旋轉采摘方式，因此在實際研究過程中需要較大力矩，需要減速步進電機的支持。

選擇減速步進電機的參數如表2所示。

表2 減速步進電機參數Table 2 Parameters of deceleration step motor

3)傳感器。本研究傳感器主要包括紅外傳感器和壓力傳感器。光電位置開關主要安裝于末端采摘機械手手指兩側，其安裝位置距離指端距離控制在10～15mm，其作用主要是對果蔬所在位置進行檢測，并對直線不僅電機的運行進行控制，傳感器檢測到果蔬后便會輸出高電平，并通過單片機對動作進行控制。本研究選擇的是ADC0832紅外傳感器，如圖8所示。

圖8 ADC0832紅外傳感器Fig.8 Infrared sensors

壓力傳感器主要是對末端采摘機械手的擠壓力進行控制，避免擠壓果蔬造成損傷，本研究采用FSR402 壓力傳感器。通過FSR402壓力傳感器產生模擬信號，并通過 A/D 轉換器轉換成數字信號，通過電路將壓力傳感器和傳感器連接起來。FSR402 壓力傳感器如圖9所示，A/D轉換流程如圖10所示。

圖9 FSR402 壓力傳感器Fig.9 FSR402 pressure sensor

圖10 /D轉換流程Fig.10 /D conversion process

通過以上硬軟件結合便可構建出系統數控系統，從而實現對采摘機器人作業的有效控制。

4 結論

對數控技術在采摘機器人中的運行控制進行了分析。該結構實際工作過程中， 車輪移動， 機械手通過智能控制到達指定位置進行果蔬采摘。重點闡述了驅動結構及末端執行裝置的設計，對機械臂的正逆運動學進行分析，為數控過程奠定基礎。通過PID控制實現對采摘機器人的自動化控制，構建出PID控制模型及數控硬件系統，以對步進電機結合傳感器實現數控，確定硬件的參數。