菜苗移植入穴裝置機械手的設計與研究

邱文驍 蔡佳麟 馬書美 李穎姍 蘇欣強

（廣州華夏職業學院，廣東 廣州510935）

國外研發農產品移植機器起步很早，特別是在20 世紀90年代以后，急速發展的自動控制技術以及傳感器技術被應用到相應的移植設備上面，使其機械化、自動化的程度越來越高，并且全自動技術愈發穩定及高效，越來越趨向于智能化，實用化。本文設計的菜苗移植入穴裝置，結合實際生產，對菜苗移植全自動移植關鍵部件——夾持動作部分進行優化設計以及實驗研究，以期為全自動菜苗移植入穴裝置的研制提供相應的思路與方法。

1 菜苗移植入穴裝置建模設計

菜苗移植入穴裝置主要由機械結構部分、夾持動作部分、輸送機構部分構成，結構如圖1 所示。

機械手部件設計圖如圖2 以及圖3 所示，夾持動作部分主要是機械手模塊，機械手安裝于機架上并用于抓取輸送機構的輸送端面上的菜苗至菜苗穴板；機械手可沿機架的長、寬、高度方向運動，把它們分別定義為X，Y，Z 軸方向，X 軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的長度方向運動；Y 軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的寬度方向運動；Z 軸電動機構用于帶動抓取件沿機架的高度方向運動。

2 夾持動作部分控制方案設計

圖1 菜苗移植入穴裝置3D 主視圖

圖2 機械手3D 設計圖

圖3 夾持動作部分示意圖

基于菜苗移植入穴裝置的機構設計以及工作原理，它是代替人工操作者把培育好的菜苗放置到穴盤中，比人工操作更加有效率并且更節省勞動力。夾持動作這部分最重要的便是穴苗的抓起與投放；穴苗的基質是土壤和營養液，有一定的強度，但是穴盤的摩擦力并不大，這個過程的主導者便是夾持（轉下頁）系統中的機械手，如果機械手的夾持力度過大則破壞了基質更有甚者會將整個穴苗都毀壞，如果機械手的夾持力度過小，則可能無法取出穴苗或者在取出的過程中導致穴盤的脫落；并且該系統有非線性、不確定性、多變性和強耦合等特點，特別是在其運動過程中,會有一些不確定非線性項，因此這個過程中需要控制電機的機械手作用力能夠完美控制。在考慮系統的能控型、實用性以及對菜苗標本夾持的準確性，通過對菜苗移植入穴裝置夾持動作部分的運行分析，建立其系統控制程序框圖如圖4 所示。

在圖4 的程序框圖中，步進電機是動力輸出裝置，驅動器接受控制器輸出的脈沖信號，繼而驅動步進電機的運行，步進電機經過減速微調對機械手進行帶動動作，其偏移量會通過光電傳感器反饋給控制器，控制器通過對反饋的數據與輸入的期望數據相比較，獲得兩者之間位移的偏移量，從而調整輸入的脈沖信號，實現夾持動作模塊位移量的精確控制。

圖4 夾持動作模塊系統框圖

3 模糊PID 控制器設計及仿真

在控制系統中，PID 控制器是一種將比例、積分、微分等控制結合起來的線性控制器，是國內外最早的控制策略之一，傳統的PID 控制器因為算法結構簡單，控制參數獨立，可靠性高以及魯棒性好，故在機械、電子、化工、冶金等行業中得到了廣泛應用。PID 控制器的關鍵在于控制器參數的整定，由于系統中存在非常多的不確定性，這種不確定性會導致模型參數發生變化，所以更新算法，獲得最優的參數組合。模糊控制（Fuzzy Control）是以模糊語言變量、模糊集合理論以及模糊邏輯推理為基礎的計算機智能控制方法, 是近些年快速發展起來的新型控制器。該控制器能夠以控制系統的輸入輸出數據作為依據，運用經驗參數來編制系統的模糊控制規則，并運用該規則完成系統反饋數據的模糊化處理以及模糊推理過程，而后計算機根據實際響應，在線修正PID 參數，最終獲得最適合系統的參數組合。本文設計的模糊PID 控制系統結構圖5 所示。

圖5 模糊PID 控制系統結構

依據建立好的數學模型，運用Matlab 中Simulink 的模塊庫建立步進電機控制系統模糊PID 參數模型，輸入信號設定為幅值是1 的階躍信號，模糊控制器接受偏差e 以及偏差的變化量ec，基本域為[-3，3]，利用模糊算法在線修正PID 控制器的三個參數Kp，Ki，Kd，以期獲得更好的仿真曲線圖。

圖6 模糊PID 控制算法流程圖

圖7 步進電機控制系統響應曲線圖

運行Simulink 中搭建的仿真模型，設定仿真時間為1s，將輸出的模糊PID 仿真系統響應曲線圖與傳統PID 曲線圖放置同一坐標分析，如圖7 所示：單一PID 控制器上升時間大約是0.085s，在電機達到穩定運行狀態之時，調節時間為0.3s，超調量約為20%；而模糊PID 控制器曲線上升時間大約是0.13s，調節時間為0.21s，超調量約為3%，響應曲線能夠快速地到達穩定狀態。由圖像以及相應的數據可得出結論，運用模糊PID 控制器控制的步進電機系統相對于傳統的PID 系統更具有調節時間更快捷，超調量更小，系統穩定性更可靠，使系統響應曲線更為平穩。因此，將模糊PID 控制器應用于菜苗移植入穴裝置機械手夾持動作模塊中，其優越性更為明顯。

4 結論

為了實現菜苗移植入穴裝置各個機構單元之間能夠穩定可靠地協調配合運行，本文在原先設計菜苗移植入穴裝置的基礎上，結合實際生產，重新設計并改進其機械爪模型以及夾持動作模塊的控制系統，在夾持動作模塊中引入模糊算法以及PID 控制器，采用反饋調節的方法提高機械手的控制精度。并在Matlab 中的Simulink 仿真環境下建立模型，輸出相應的響應曲線，通過響應曲線表明，盡管傳統的PID 控制器能夠有較快的響應速度，但是它的上升過程以及超調量相對模糊PID 控制器來說是不夠理想的，具體表現在較大的超調量以及較為緩慢的上升過程；模糊PID 不但能夠使得系統有較低的調節時間以及較高的穩態精度，而且能夠使得系統響應曲線更為平穩，有較小的超調量，可以有效降低夾持動作系統因慣性而產生的過沖現象，因此，運用模糊PID 控制器為全自動菜苗移植入穴裝置夾持動作系統的優化具有重要的作用。