電氣控制下采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)探究

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摘要:以采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)為研究對象，對采摘過程中機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動控制需求進(jìn)行分析，并結(jié)合采摘機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境、工作模式以及工作過程要求，設(shè)計了一種高精度、能夠快速響應(yīng)并具有較高的抗干擾性能控制系統(tǒng)。選用直流永磁同步電機(jī)作為作業(yè)系統(tǒng)關(guān)機(jī)驅(qū)動電機(jī)，并對采摘機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)的硬件及軟件進(jìn)行設(shè)計，搭建作業(yè)控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明:控制系統(tǒng)能夠快速準(zhǔn)確地進(jìn)行采摘系統(tǒng)定位，并有效地抵抗系統(tǒng)部件產(chǎn)生的機(jī)械振動沖擊。

關(guān)鍵詞:采摘機(jī)器人;電氣控制;永磁同步電機(jī);控制系統(tǒng)

0引言

果蔬采摘是果蔬種植過程中耗時耗力的一環(huán)，且具有一定的時限性，往往需要投入大量的勞動力［1］。果蔬采摘機(jī)器人可代替人工勞動，達(dá)到無害化采摘的目的，能大幅度提高采摘作業(yè)效率。采摘機(jī)器人的工作性能受自然環(huán)境的影響較大，隨著采摘對象的差異，要求采摘機(jī)器人具有一定的抗干擾能力，能夠?qū)Νh(huán)境及采摘對象的變化進(jìn)行快速的響應(yīng)［2］。采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中，依靠關(guān)節(jié)實現(xiàn)采摘動作，采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)的控制性能直接關(guān)系到采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的整體工作性能。由于采摘機(jī)器人受外部條件的影響較大，對于機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動常采用一種伺服控制系統(tǒng)來提高采摘機(jī)器人的抗干擾能力和適應(yīng)性［3－4］。

1采摘機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)

按照動力源的不同，采摘機(jī)器人的驅(qū)動系統(tǒng)可分為液壓驅(qū)動、氣壓驅(qū)動以及電機(jī)驅(qū)動3種不同系統(tǒng)［5］。其中，液壓驅(qū)動系統(tǒng)具有較高的輸出功率，可實現(xiàn)無極調(diào)速，響應(yīng)速度快，但具有較大的體積，制造維修復(fù)雜，常用于大功率采摘環(huán)境中;氣壓驅(qū)動系統(tǒng)輸出功率小，能夠高速運(yùn)行，生產(chǎn)制造成本低，但抗干擾能力差;電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中一種常用控制方式為同步電機(jī)伺服驅(qū)動系統(tǒng)，控制性能好，能夠快速進(jìn)行指令響應(yīng)，生產(chǎn)制造成本較高，具有較高的可靠性［6］?？紤]到產(chǎn)量及經(jīng)濟(jì)性，果蔬種植時往往具有較大的種植密度，采摘機(jī)器人要求具有較小的結(jié)構(gòu)體積、采摘過程中負(fù)荷較低，主要負(fù)載來自于采摘機(jī)器人自身質(zhì)量，且采摘過程中具有較高的移動速度。因此，筆者采用永磁同步電機(jī)為作業(yè)系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行元件，電氣控制部分采用伺服控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動過程中的轉(zhuǎn)速和位置快速精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。永磁同步電機(jī)體積小、質(zhì)量輕且轉(zhuǎn)動慣量小，能夠在工作過程中進(jìn)行平穩(wěn)工作，同時具有過載保護(hù)功能［7］。采摘機(jī)器人主要包含運(yùn)動關(guān)節(jié)及末端采摘執(zhí)行器，每個機(jī)器人關(guān)節(jié)具有獨(dú)立的運(yùn)動控制系統(tǒng)，通過上位機(jī)進(jìn)行采摘機(jī)器人運(yùn)動控制，每個關(guān)節(jié)運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動，完成響應(yīng)的動作指令，實現(xiàn)一次采摘過程。圖1所示為采摘機(jī)器人驅(qū)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。

2電氣控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

采摘機(jī)器人的每一次作業(yè)過程都要求具有較高的位置精度，且每一次采摘過程能夠進(jìn)行快速的響應(yīng)，采摘過程中無抖動，因此要求采摘機(jī)器人電機(jī)伺服控制系統(tǒng)具有較高的可靠性。在進(jìn)行采摘機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動控制系統(tǒng)設(shè)計時，以矢量控制方式為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種包含電流反饋、速度反饋以及位置反饋在內(nèi)的永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)。采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)中關(guān)節(jié)部分伺服控制的硬件結(jié)構(gòu)是整個采摘機(jī)器人功能的基本保證，如圖2所示。工作時，工控機(jī)通過視覺系統(tǒng)及其他傳感系統(tǒng)獲取采摘對象的位置信息及周圍環(huán)境信息，根據(jù)采摘對象位置與姿態(tài)信息求出機(jī)器人運(yùn)動學(xué)逆解，從而獲得每一個關(guān)節(jié)的電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的角度;目標(biāo)轉(zhuǎn)動角通過PWM波傳輸至運(yùn)動驅(qū)動板，并經(jīng)過光電放大后產(chǎn)生正弦波電流，驅(qū)動永磁同步電機(jī);編碼器將每一個關(guān)節(jié)電機(jī)的速度及位置信息進(jìn)行采集，并反饋至控制板，從而實現(xiàn)采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)中各關(guān)節(jié)電機(jī)的閉環(huán)控制。采摘機(jī)器人伺服控制系統(tǒng)通訊模式是一種上位機(jī)與多個下位機(jī)之間的通訊，在此選用一種平衡數(shù)字多點通訊，實現(xiàn)工控機(jī)與各關(guān)節(jié)之間的通訊，能夠保證系統(tǒng)通訊的實時有效性，且滿足采摘過程中較遠(yuǎn)距離的通訊要求;同時，采用差分傳輸?shù)姆绞?，減少了噪音對通訊過程的干擾，保證采摘機(jī)器人能夠在復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行快速響應(yīng)工作。電氣系統(tǒng)通訊電路圖，如圖3所示。電流反饋環(huán)節(jié)通過傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)角及位置姿態(tài)信息采集，獲取模擬量，并通過A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化，獲取穩(wěn)定準(zhǔn)確的采集電流。在采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)控制過程中，對于末端執(zhí)行器位置和速度的控制需要進(jìn)行電機(jī)的位置及速度檢測，形成整個控制系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，從而準(zhǔn)確地進(jìn)行采摘機(jī)器人控制。文中所用編碼器采用一種增程式光電編碼器，并利用差分接收器進(jìn)行脈沖控制信號轉(zhuǎn)換，信號轉(zhuǎn)換過程中通過光耦隔離減少脈沖信號的干擾。增程式編碼采集器電路圖，如圖4所示。采摘機(jī)器人功率驅(qū)動電路實現(xiàn)電流的轉(zhuǎn)換，根據(jù)機(jī)器人功率需求，選用220V交流電進(jìn)行采摘機(jī)器人供電，采摘機(jī)器人主回路電路采用220V交流電接入機(jī)器人驅(qū)動板，并經(jīng)過全波電流整流橋，在濾波電路中進(jìn)行濾波，從而得到穩(wěn)定的直流電壓。在進(jìn)行永磁同步電機(jī)控制過程中，為了實現(xiàn)閉環(huán)控制，必須精確采集電機(jī)兩相的電流值，并計算出第三相電流。

3電氣控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

采摘機(jī)器人永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)使用單上位機(jī)和多下位機(jī)并存的控制通訊方式，每一個電機(jī)控制系統(tǒng)接收到上位機(jī)控制指令后，進(jìn)行中斷程序觸發(fā)，實現(xiàn)電機(jī)的啟動;電機(jī)快速旋轉(zhuǎn)至指定角度位置，中斷程序結(jié)束，并向上位機(jī)進(jìn)行執(zhí)行結(jié)果的反饋。采摘機(jī)器人主程序流程圖，如圖5所示。采摘機(jī)器人中斷程序包含電機(jī)轉(zhuǎn)子角度信息、速度檢測計算、通電電流采集以及其他相關(guān)控制程序，完整的中斷程序是永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的主要控制流程，并直接影響著控制系統(tǒng)的性能。采摘機(jī)器人中斷程序流程圖，如圖6所示。采摘機(jī)器人在進(jìn)行永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制過程中，采用電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)進(jìn)行相關(guān)信息的反饋，采摘機(jī)器人閉環(huán)控制軟件流程如圖7所示。

4作業(yè)系統(tǒng)實驗分析

采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化完成后，進(jìn)行系統(tǒng)搭建。上位機(jī)選用工控機(jī)，并通過雙絞線與各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)連接，實現(xiàn)各關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)與工控機(jī)之間的相互通訊。選用220V交流電為系統(tǒng)電源，并經(jīng)過變壓后輸出24V直流電源，作為控制系統(tǒng)的開關(guān)電源，對運(yùn)動控制板進(jìn)行供電。選用4個磁極的永磁同步電機(jī)作為機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動電機(jī)，電感為6．55mH，電阻為0．901Ω，轉(zhuǎn)子磁鏈0．031Wb，轉(zhuǎn)動慣量為1．2×10－4kg·m2。硬件系統(tǒng)搭建完成后，在測試實驗區(qū)域內(nèi)不同位置設(shè)置5個采摘對象，其坐標(biāo)點分別為(100，100，100)、(150，200，100)、(50，100，150)、(100，100，50)、(150，150，200)，對采摘機(jī)器人作業(yè)過程中末端執(zhí)行器的位置信息、速度以及加速度進(jìn)行監(jiān)測。采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)末端執(zhí)行器位置曲線，如圖8所示。由圖8可看出:采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中，能夠快速準(zhǔn)確地運(yùn)動至采摘對象所在位置，在采摘對象附近位置，作業(yè)系統(tǒng)速度發(fā)生波動，并在采摘過程中處于靜止?fàn)顟B(tài);采摘完成后，迅速移動至下一采摘對象。采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)末端執(zhí)行器速度曲線，如圖9所示。由圖9可看出:在運(yùn)動至采摘對象時，作業(yè)系統(tǒng)能夠平穩(wěn)進(jìn)行減速，減少了采摘機(jī)器人由于動量產(chǎn)生的系統(tǒng)沖擊。采摘機(jī)器人作業(yè)系統(tǒng)末端執(zhí)行器加速度曲線，如圖10所示。由圖10可看出:采摘機(jī)器人在作業(yè)過程中，加速度不斷的變化，說明在作業(yè)過程中，采摘機(jī)器人驅(qū)動電機(jī)需不斷承受由末端產(chǎn)生的機(jī)械振動。

5結(jié)論

所設(shè)計的采摘機(jī)器人作業(yè)控制系統(tǒng)對永磁同步電機(jī)的作業(yè)運(yùn)動過程進(jìn)行實時閉環(huán)控制，具有較高的響應(yīng)響度，能夠有效地對作業(yè)過程中的干擾因素進(jìn)行抵抗。在作業(yè)過程中能夠準(zhǔn)確進(jìn)行采摘對象定位，各機(jī)器人關(guān)節(jié)在電機(jī)驅(qū)動過程中具有一定的緩沖能力，能夠?qū)C(jī)械部件的沖擊進(jìn)行有效的抵抗。試驗結(jié)果表明:伺服控制系統(tǒng)具有較高的可靠性，可為采摘機(jī)器人作業(yè)過程的精密控制提供理論基礎(chǔ)。

作者:張志豐 單位:鄭州電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院