基于PLC的采摘机器人平台设计与研究

基于PLC的采摘机器人平台设计与研究
孙㊀宁1ꎬ毛伟民1ꎬ夏浩然2
(1.南京信息工程大学滨江学院ꎬ南京㊀210044ꎻ2.三江学院ꎬ南京㊀210012)
摘㊀要:随着我国农业生产规模的扩大ꎬ日益增长的劳动力需求和落后的传统农业生产方式之间的矛盾越来越突出ꎮ采摘作业是农业生产中较为普遍的环节ꎬ为克服传统采摘作业效率低㊁安全隐患大等问题ꎬ设计了基于PLC的采摘机器人平台ꎬ完成了机器人平台的结构设计ꎮ同时ꎬ通过建立机器人的动力学模型ꎬ求解了各关节机构与采摘目标之间的运动关系ꎬ通过硬件选型和硬件设计ꎬ确定了合理可靠的功能模块ꎬ并完成各个模块与PLC控制器输入输出接口的外部接线设计ꎬ最后完成了机器人平台的软件流程设计ꎮ生产实践表明:该采摘机器人平台结构简单㊁控制精度高ꎬ具有较高的安全性和稳定性ꎬ有较大的推广价值ꎮ
关键词:采摘机器人平台ꎻPLC控制器ꎻ流程设计
中图分类号:S225ꎻS237㊀㊀㊀㊀㊀㊀文献标识码:A文章编号:1003-188X(2021)03-0064-04
0㊀引言
采摘机器人是针对农业生产ꎬ通过机器视觉系统和计算机编程来进行采摘的智能化系统ꎬ能够自动探索采摘目标及实现采摘动作ꎬ充分解决了农业生产劳动力不足的问题ꎬ能够降低作业人员劳动强度㊁提高采摘效率和质量及劳动生产率ꎮ但是ꎬ由于采摘目标识别难度大㊁目标位置定位精度低ꎬ且受自然环境的影响大ꎮ因此ꎬ设计了采摘机器人机械手系统ꎬ通过视觉系统和多自由度夹持机构有效解决了识别困难和采摘定位精度低问题ꎬ为采摘机器人在农业生产方面大幅应用提供较好的依据ꎮ
1㊀机器人平台结构设计
1.1㊀设计原理
采摘机器人主要模拟人工采摘的全过程ꎮ在采摘过程中ꎬ通过不断地移动机器人底座ꎬ利用相应的传感器搜寻目标ꎬ经过工控机仿真计算后确定采摘目标的空间位置ꎬ并利用碰撞传感器判断成熟程度ꎻ最后ꎬ通过夹持机构完成采摘目标的采摘ꎬ将采摘目标输送至最终位置ꎮ
1.2㊀结构设计
采摘机器人机械手主要由数据采集㊁信息处理和
收稿日期:2019-07-24
SIG-552
基金项目:国家自然科学基金项目(41675156)ꎻ教育部产学合作协同育人项目(201802048012ꎬ201702031043)
作者简介:孙㊀宁(1981-)ꎬ男ꎬ江苏连云港人ꎬ高级实验师ꎬ硕士ꎬ(E-mail)rwrfan4@163.comꎮ执行系统组成ꎮ在结构上ꎬ采摘机器人主要包括机器人底座移动平台㊁机械手大臂㊁关节机构㊁夹持机构㊁传感器系统和控制系统等ꎬ如图1所示ꎮ
1.夹持机构㊀2.目标存放篮㊀3.关节机构㊀4.机械手大臂㊀
5.传感器支架㊀6.传感器㊀7.传感器系统㊀8.底座移动平台
9.控制系统㊀10.采摘平台
图1㊀采摘机器人结构简图
Fig.1㊀Schematicdiagramofpickingrobotstructure
2㊀机器人动力学建模
本文采用的机械手是5自由度的三连杆机构ꎬ为确定机械手动作的最终位置ꎬ采用D-H模型对机械手
进行运动学建模ꎮ机械手结构简化为3个关节和1个执行末端ꎬ每个关节均有1根连杆机构连接ꎮ图2为机械手结构模型ꎮ
2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第3期
图2㊀机械手结构模型图
Fig.2㊀Robotmodeldiagram
机械手各关节处建立坐标系ꎬ坐标原点选在各关节处ꎬX轴正方向为连杆方向ꎬY轴方向则垂直于连杆方向ꎬ建立各关节处的D-H坐标系ꎮ图3为机械手连杆坐标简化图
图3㊀机械手连杆坐标简化图
Fig.3㊀Mechanicalhandrodcoordinatesimplifieddiagram
图1中ꎬθ为各关节的旋转角度ꎮ根据运动学计算坐标变换矩阵可得:第i+1个关节对应的连杆相对于第i个关节对应的连杆的位置ꎬ公式为Ti+1=Ai+1=
cosθi+1sinθi+1cosαi+1sinθi+1sinαi+1
li+1cosθi+1sinθi+1cosθi+1sinαi+1
cosθi+1sinαi+1
li+1sinθi+10sinαi+1
cosαi+1天下钱塘
di+10
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û
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ú
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ú(1)
其中ꎬd为关节偏移量ꎬdi+1为Xi沿着坐标轴Zi
运动到Xi+1的距离ꎬα为关节扭角ꎬαi+1为Zi旋转到Zi+1的角度ꎬli+1为连杆的长度ꎮ
通过查阅资料得到D-H参数ꎬ并将参数带入式
(1)中ꎬ得到Ai值ꎬ将不同连杆机构的Ai值相乘ꎬ得到底座与执行末端的关系ꎬ用矩阵TH表示为
TH=A1A2A3=C1C23
-S1-C1S23
C1(l3C23+l2c2)S1C23C1-S1S23S1(l3C23+l2c2)S23
0-C23l1+l2S2+l3S230
001éëêêê
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(2)
其中ꎬCi=cosθi
ꎬSi=sinθiꎬC23=cos(θ2+θ3)ꎬ
S23=sin(θ2+θ3)ꎮ
3 机器人平台总体设计
采摘机器人平台主要由数据采集系统㊁信息处理系统和执行系统组成ꎬ如图4所示ꎮ
图4㊀机器人平台总体设计结构图
Fig.4㊀Overalldesignstructureoftherobotplatform
各系统功能如下:
1)数据采集系统主要负责采集各种传感器信号ꎬ
包括位置传感器信号㊁压力传感器信号㊁视觉传感器信号和碰撞传感器信号ꎻ主要实现采集采摘目标位置
的确定㊁采摘抓取的压力㊁识别采摘目标的空间位置ꎬ以及获取接触到采摘目标的碰撞信号ꎮ
2)信息处理系统主要模块为工控机㊁PLC控制
器㊁数据转换模块及电源模块等ꎬ负责收集数据采集系统传输的各类传感器信号ꎬ并通过数据转换接口传递给PLC控制器ꎬ并通过仿真计算ꎬ由PLC控制器输出控制参数ꎬ完成对执行系统的控制ꎮ
3)执行系统主要由驱动模块和执行器模块组成ꎬ
主要控制大臂㊁夹持机构和关节机构等系统的移动和
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旋转和抓取等动作ꎮ执行系统接收PLC控制器传递的控制参数ꎬ从而通过控制对应的驱动单元动作ꎬ从而完成对各控制模块的控制ꎮ
4㊀机器人平台硬件设计
4.1㊀硬件选型
1)PLC控制器ꎮ通过分析控制系统的功能需求ꎬ得出该控制系统需要输入8个输入点和7个输出点ꎮ输入点和输出点的控制属于开关量控制ꎬ因此选择西门子S7-300系列的334型PLCꎬ输入输出节点的增减可以通过对应的数字量模块的组合实现ꎮ2)供电与驱动模块ꎮ电机供电使用24V电池ꎬ经驱动板转换稳压之后降至12Vꎬ再供给直流电机ꎮ主控供电使用7V电池ꎬ传感器及舵机供电从主控器上引出ꎬ电压为5Vꎮ
采摘机器人使用的是直流电机ꎬ型号为AS-MF09Motorꎬ工作电压12Vꎮ电机驱动板采用12V驱动板ꎬ型号为MF09DRIVEꎮ采用占空比范围为0~95%的4路PWM信号控制直流电机ꎬ以实现精确控制ꎮ排水量
3)传感器模块ꎮ位置传感器红外光电开关ꎬ提供高㊁低电平两种信号ꎮ同时ꎬ光电开关选取直径3mm的对射式红外线发射㊁接收二极管ꎮ末端执行器上安装了两对传感器ꎬ当两个位置传感器同时动作时ꎬ系统显示采摘目标被完全抓取ꎬ防止树叶遮挡红外线光电开关ꎬ而产生误动ꎮ
压力传感器主要是通过测量机器人夹持机构抓取采摘目标的力度ꎬ防止在采摘过程中对采摘目的产生伤害ꎬ选用的是型号为FSR-402的力敏电阻ꎮ碰撞传感器是在夹持机构的前部安装碰撞传感器ꎬ用以感知障碍物信息ꎬ防止在进行采摘时受到障碍物的阻挡ꎬ选用的型号为力敏电阻中的FSR-408ꎮ4.2㊀I/O地址分配
PLC输入端的8个I/O点接在相应的开关或按钮上ꎬ输出端的7个I/O点也接到对应的控制模块上ꎮ其I/0分配表如表1所示ꎮ
表1㊀PLC控制系统I/O分配表
Table1㊀I/OdistributiontableforPLCcontrolsystem
I/O地址主要动作主要功能
评师网I0.0开始按钮夹持机构达到指定位置
I0.1限位开关1夹持机构夹臂开到一定角度
I0.2压力传感器夹持机构已经夹紧采摘目标
续表1
I/O地址主要动作主要功能
I0.3限位开关2主臂机构伸出最大位置
I0.4限位开关3主臂机构收回原始位置
I0.5限位开关4关节机构伸出最大位置
I0.6限位开关5关节机构收回原始位置
I0.7开关量传感器检测采摘目标是否被摘下
Q0.O张开按钮夹持机构张开
Q0.1夹紧按钮夹持机构夹紧
Q0.2主臂伸出按钮主臂机构伸出
igrtQ0.3主臂收回按钮主臂机构收回
Q0.4关节伸出按钮关节机构伸出
Q0.5关节收回按钮关节机构收回
Q0.6停止按钮停止
4.3㊀PLC硬件接线
根据I/O地址分配关系ꎬ得到PLC控制器与I/O地址分配之间的关系ꎬ系统硬件接线图如图5所示
图5㊀外部接线示意图
Fig.5㊀Schematicdiagramofexternalwiring
5㊀机器人平台软件设计
采摘机器人处于初始位置时ꎬ限位开关处于通电状态ꎬ此时开关是闭合的ꎬ按下开始按钮ꎬ机器人主臂开始上移ꎬ上移至限位传感器指示灯亮ꎬ说明主臂上移动作完成ꎬ夹持机构到达采摘目标位置并检测到目标信号ꎻ通过程序的状态转移ꎬ机械手关节机构伸出ꎬ夹持机构开始抓取采摘目标ꎬ检测到压力信号后ꎬ摘下目标后机械手移动到对应位置ꎬ松开目标ꎬ采摘过程结束ꎮ其具体程序流程如图6所示ꎮ
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图6㊀机器人平台软件流程图
Fig.6㊀Robotplatformsoftwareflowchart
6㊀结论
根据农业生产工作的需要ꎬ设计基于PLC的采摘机器人平台ꎬ并重点对采摘机器人进行了动力学建模ꎬ求解各关节机构与采摘目标之间的运动关系ꎮ通过硬件选型ꎬ确定满足系统要求的PLC控制器㊁供电点㊁驱动模块及传感器模块ꎬ合理分配I/O地址ꎬ并完成各个模块与PLC控制器输入输出接口的外部接线设计ꎬ优化机械手操作程序流程ꎮ生产实践表明:该采摘机器人平台结构简单㊁控制精度高㊁采摘速度快ꎬ有效提升了劳动生产效率及生产质量ꎬ对实现农业生产智能化有着重要的指导意义ꎮ
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2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第3期
2021年3月㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀农机化研究㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第3期chambersꎬtheoverallcircular-shapedfertilizerchamberhasthebeststabilityforfertilizeroutputꎬandthedisturbanceoffertilizerdeviceintheforwardprocessisthebest.Thesituationisminimal.Experimentswerecarriedoutunderthecondi ̄tionsofconveyorbeltspeedof7km/handfertilizerdischargeof300kg/hm2.Theresultsshowthatthecircular-arcfer ̄tilizerchamberhasthebeststabilityꎬtherationalrateoffertilizerdischargeis94%ꎬandthecoefficientofvariationis6.5%.Itshowsthesameruleastheresultsofsimulationexperimentsandcanbeputintoactualfertilizerdischarge.Intheindustry.
Keywords:EDEMꎻfertilizerapplicatorꎻfertilizeclamberꎻstability
(上接第67页)
AbstractID:1003-188X(2021)03-0064-EA
DesignandResearchofPickingRobotPlatformBasedonPLC
SunNing1ꎬMaoWeimin1ꎬXiaHaoran2
(1.BinjiangCollegeofNanjingUniversityofInformationScienceandTechnologyꎬNanjing210044ꎬChinaꎻ2.SanjiangU ̄niversityꎬNanjing210012ꎬChina)
Abstract:WiththeexpansionofChina'sagriculturalproductionscaleꎬthecontradictionbetweentheincreasinglaborde ̄mandandthebackwardtraditionalagriculturalproductionmethodshasbecomeincre
asinglyprominent.Theagriculturalpickingoperationisarelativelycommonlinkinagriculturalproduction.Inordertoovercometheproblemsoflowefficien ̄cyandserioussafetyhazardsintraditionalpickingoperationsꎬthispaperstudiesanddesignsthePLC-basedpickingro ̄botplatformꎬcompletesthestructuraldesignoftherobotplatformꎬandbuildstherobot.Thedynamicmodelsolvesthemotionrelationshipbetweeneachjointmechanismandthepickingtarget.Throughhardwareselectionandhardwarede ̄signꎬthereasonableandreliablefunctionmodulesaredeterminedꎬandtheexternalwiringdesignofeachmoduleandPLCcontrollerinputandoutputinterfaceiscompleted.Finallyꎬthesoftwareflowdesignoftherobotplatformwascomple ̄ted.Atpresentꎬtherobothasbeenputintoagriculturalproduction.Thefactsshowthatthepickingrobotplatformhassimple
structureꎬhighcontrolprecisionꎬhighsafetyandstabilityꎬandhasgreatpromotionvalue.
Keywords:pickingrobotplatformꎻPLCcontrollerꎻprocessdesign

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