何　龍，陳曉龍

( 1.成都航空職業(yè)技術學院 航空維修工程系，成都　610100；2.西安電子科技大學 機電工程學院，西安　710071)

?

雙閉環(huán)控制采摘機器人機械手設計—基于PLC和CAN總線

何龍1，陳曉龍2

( 1.成都航空職業(yè)技術學院 航空維修工程系，成都610100；2.西安電子科技大學 機電工程學院，西安710071)

摘要：采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于PLC運動控制器和CAN總線，提出了一種新的采摘機器人機械手關節(jié)分布式控制方案，并采用模塊化思想設計了機器人關節(jié)電機控制系統(tǒng)、CAN模塊及PLC控制器。采摘機器人機械手的關節(jié)采用諧波減速器進行調(diào)節(jié)，利用霍爾傳感器和紅外線傳感器及光電編碼器進行圖像、轉(zhuǎn)速和障礙物觸碰的信號采集，采集信號利用A/D轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)傳輸給PLC控制器。機械手的執(zhí)行末端采用CAN總線控制，并利用變頻器傳遞的通信信號，實現(xiàn)了末端執(zhí)行器的并行控制，使多機械手處于最佳動作狀態(tài)。最后，在雙閉環(huán)控制方案的基礎上加入了前饋控制環(huán)境，利用前饋控制環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制，改善了系統(tǒng)的靜態(tài)性能，實現(xiàn)了機械手對實際采摘位置的有效追蹤。實驗和仿真模擬表明：位移時間曲線平滑無突變，表明機器人在運行過程中平穩(wěn)、無振動，機器人工作的可靠性較高，對路徑的追蹤精度較高。

關鍵詞：采摘機器人；雙閉環(huán)控制；諧波減速器；A/D轉(zhuǎn)換器；CAN總線

0引言

農(nóng)業(yè)機器人在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應用，不僅大幅度提高了勞動生產(chǎn)效率，也使勞動資源得到了合理配置，大大改善了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，提高了農(nóng)作物的產(chǎn)量。但是，由于農(nóng)業(yè)環(huán)境的非結(jié)構(gòu)性、果實對象分布不確定性和果實易損等特性，要求農(nóng)業(yè)機器人具有開放式的控制系統(tǒng)和高度智能化的機械手結(jié)構(gòu)。CAN總線按時間表分配和按需要分配，將其應用到了采摘機器人的末端執(zhí)行器控制設計中，可以有效地提高控制效率和降低控制成本。

1機械手雙閉環(huán)控制原理

采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)可以有效地提高采摘機器人的控制效率和控制精度，而CAN是已經(jīng)被認同的高性能和可靠性控制方案，已經(jīng)被廣泛地使用到了工業(yè)自動化、船舶和醫(yī)療設備等的自動化控制過程中。CAN總線是現(xiàn)場自動化控制研究領域的熱點之一，是自動化領域的計算機局域網(wǎng)，為分布式控制及節(jié)點可靠實時數(shù)據(jù)的傳輸提供了強大的支持。PLC采摘機器人控制器主要由機械手控制末端、可編程控制器、變頻器和調(diào)速電機組成，其框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個控制過程采用雙閉環(huán)控制方案，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1　基于PLC的采摘機械手控制器

圖2　雙閉環(huán)控制過程圖

在常規(guī)轉(zhuǎn)速傳感器控制的基礎上，以接觸障礙物使霍爾傳感器采集的力學信號為反饋值，將反饋值的誤差E和誤差變化率EC作為輸入，使用模糊推理法對控制參數(shù)進行整定，從而滿足了控制器對不同參數(shù)的要求，使控制對象具有較好的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。機械手關節(jié)的CAN總線控制流程如圖3所示。

圖3　機械手關節(jié)CAN總線控制

其控制過程主要包括系統(tǒng)和各功能模塊的初始化、電流環(huán)調(diào)節(jié)的子程序、CAN通信的子程序及A/D 采樣中斷子程序等，利用CAN總線可以提高機器人控制的效率。

2末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)

在溫室條件下，機器人主要靠數(shù)目視覺來進行路徑劃分和自主導航控制，其性能取決于圖像分割和特征提取技術；而采摘精度主要受采摘機械手定位精度、采摘的速度及執(zhí)行末端的控制。機械手末端執(zhí)行器三維模型如圖4所示。

圖 4　采摘機械手末端執(zhí)行器三維模型

為了改進手指剛性的適應性較差的問題，將夾持的兩個手指安置在同一個平面內(nèi)，另一個與它們的位置平行，增加了機械手的活動范圍。機械手的電機控制機械結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5　機械手的電機控制機械結(jié)構(gòu)

圖5中，手指的控制采用欠平衡驅(qū)動原理，手指的并攏由腕部螺紋導桿控制。在復位彈簧的復位作用下，3根手指可以實現(xiàn)自主張開，在采摘時，利用上部的剪刀將果柄切斷。為了提高控制的精度，使用光電編碼器和諧波減速器對機械手進行控制，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　驅(qū)動關節(jié)模型

驅(qū)動系統(tǒng)的減速器使用扁平式的諧波減速器，由4部分組成，包括輸入鋼輪、柔輪、波發(fā)生器和輸出鋼輪4部分。電機轉(zhuǎn)速的采集主要使用光電編碼器，通過采集2次脈沖計數(shù)來計算轉(zhuǎn)速，計算公式為

(1)

其中，(k)表示電機轉(zhuǎn)動角速度；T表示采樣的周期。轉(zhuǎn)速計算時，電路中經(jīng)常會出現(xiàn)干擾，導致兩次采樣信號的間隔時間較短，在進行微分計算時干擾的噪聲會被放大，導致計算得到的轉(zhuǎn)速和實際轉(zhuǎn)速相差較大。因此，需要通過濾波方法對速度的數(shù)值進行濾波。這里利用一階低通數(shù)字濾波器對計算數(shù)據(jù)進行處理。連續(xù)時間的一階低通濾波器的表達式為

(2)

其中，τc表示濾波的時間常數(shù)。

(3)

(4)

對于光電編碼器轉(zhuǎn)速數(shù)值的計算和保存，可以通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸。在主程序中，首先將CAN通信模塊進行初始化，然后設定接收端，接收信息的寄存器相應的標位置為1；在中斷程序時，讀取速度信息，并將其存入相應的變量中。

3實驗和仿真模擬測試

為了測試PLC和CAN總線在采摘機器人控制系統(tǒng)中的可靠性，對實驗教學使用的六自由度機械手進行了改進，并以黃瓜采摘作為作業(yè)對象，對機械人的采摘性能進行了測試。教學用機器人結(jié)構(gòu)如圖7所示，其關節(jié)利用6個舵機進行控制，但是各關節(jié)缺少相應的反饋裝置。

圖7　教學用六自由度機械手

為此，對其進行了改進，利用雙閉環(huán)控制原理，設計了PLC硬件電路和CAN總線控制器，改進后的機械手如圖8所示。在不破壞機械臂機構(gòu)的前提下，得到的機械手結(jié)構(gòu)，其關節(jié)的控制電機使用直流電機，根據(jù)機械手的事物各種參數(shù)，建立如圖9所示的機械手仿真模型。利用正運動仿真原理，輸入期望的關節(jié)角度，通過仿真模擬計算，使機器人到達指定的末端位姿，模擬工具選擇MatLab工具箱的Robotics Toolbox。通過仿真模擬計算，得到如圖10的機器人機械手的運動軌跡。

圖8　改進后的機械手

圖9　機器人位姿仿真模型

圖10　機器人機械手運動軌跡XOZ面投影

由仿真曲線可以看出:末端執(zhí)行機構(gòu)在水平方向在-800～800mm 范圍內(nèi)工作點密集，而該機器人的設計工作區(qū)間為58.25cm，可以滿足機器人工作實際空間的需要。

為了提高采摘機械手的控制精度，加入了前饋控制環(huán)境，利用前饋控制環(huán)節(jié)可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的實時控制，對給定不變性可以直接根據(jù)給定信號進行控制，改善了系統(tǒng)的靜態(tài)性能，實現(xiàn)了機械手對實際采摘位置的有效追蹤。通過實驗和仿真模擬，最終得到了機械手的位置最終曲線，其結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11　位置追蹤仿真結(jié)果曲線

圖11中，追蹤過程采用正弦波諧波減速器控制。由計算結(jié)果可以看出：位移時間曲線平滑無突變，表明機器人在運行過程中平穩(wěn)，無振動。在諧波減速器的控制下，利用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，機械手以較高的精度對實際位置進行了追蹤，從而驗證了基于PLC和CAN總線控制的采摘機械手工作的穩(wěn)定性和可靠性。

4結(jié)論

1)提出了一種新的采摘機器人雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以PLC控制器和CAN總線作為控制工具，利用傳感器完成了各種信號的采集，基于直流電機對執(zhí)行末端進行控制，并使用諧波減速器對機械手的關節(jié)進行調(diào)節(jié)，有效地提高了采摘機器人的控制效率。

2)通過使用MatLab工具箱的Robotics Toolbox仿真工具對采摘機器人機械手的追蹤性能進行了測試，并采用前置反饋調(diào)節(jié)的形式對追蹤曲線進行了仿真模擬。由計算結(jié)果可以看出：機器人在運行過程中平穩(wěn)、無振動，可靠性和控制精度均較高。

參考文獻：

[1]李榮麗,賀利樂.煤炭采樣機械臂的剛?cè)狁詈蟿恿W建模與仿真分析[J].機械設計,2013, 10(4):55-59.

[2]王鵬,朱龍英,崔振萍,等.輪履組合式環(huán)保機器人的設計與分析[J].機械科學與技術,2012, 1(1):44-45.

[3]薛金林,徐麗明.多功能農(nóng)業(yè)機器人及其關鍵技術分析[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2009,37(15):7201- 7203.

[4]張文增,馬獻德,黃源文,等.末端強力抓取的欠驅(qū)動擬人機械手[J].清華大學學報:自然科學版,2009,49(2):194-197.

[5]盧偉,宋愛國,蔡健榮,等.柑橘采摘機器人結(jié)構(gòu)設計及運動學算法[J].東南大學學報:自然科學版,2010,41(1):95-100.

[6]楊文珍,梁春輝,陳文華,等.ZSTU擬人靈巧手設計與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報,2011,23(12): 2617-2622.

[7]馬貴飛,馬履中,楊文亮.蘋果采摘機器人機械手運動學分析與仿真[J].農(nóng)機化研究,2010,32 (1):31-35.

[8]陸由斌,胡國棟,呂健,等.基于ADAMS的6自由度機器人的正解與逆解[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2010,23(1):11-15.

[9]謝俊,匡俐輝,馬履中,等.一種新型的串聯(lián)中醫(yī)推拿機械臂的運動學仿真[J].機械設計,2011, 23(2):20-25.

[10]陳文良,謝斌,宋正河,等.拖拉機電控液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2006,22(10): 122-124.

[11]韓高樓.GPS 定位技術的優(yōu)缺點[J].陜西建筑,2010(2):56-58.

[12]李洪欣,楊建中.基于兩參數(shù)的表冷器建模方法研究[J].建筑熱能通風空調(diào),2009,28(6):15-17.

[13]孟慶山.水源熱泵機組變流量水系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化探討[J].制冷與空調(diào),2010,10(1):84-89.

[14]謝志勇,張鐵中,趙金英.基于Hough 變換的成熟草莓識別技術[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2007,38(3):106-109.

[15]王東,趙宇,王秀紅.一種改進的DFT迭代的MIMO-OFDM系統(tǒng)信道估計算法[J].應用科技,2009,3(3):19-22.

[16]徐文穎,張靜,董建萍.導頻信道估計中的插值算法[J].上海師范大學學報,2007,12(6):41-46.

[17]陳暉,陳曉光.基于直接判決導頻跟蹤的OFDM系統(tǒng)快時變信道估計[J].通信學報,2006,27(9):1-5.

[18]李文見,姬江濤.輪履復合式農(nóng)業(yè)機器人越避障控制研究[J].河南科技大學學報:自然科學版,2007(8):57-59.

[19]王仲民,戈新良,唐智強.多傳感器信息融合技術研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J].河北工業(yè)大學學報,2003,32(2):30-35.

[20]國剛,王毅.應用BP神經(jīng)網(wǎng)絡迭代進行手寫體字母數(shù)字識別[J].人工智能及識別技術,2008,4(6):1459-1460.

[21]施少敏,馬彥恒,陳建泗.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡迭代的數(shù)字識別方法[J].兵工自動化,2006,25(10):40-41.

[22]許穎泉.用神經(jīng)網(wǎng)絡迭代進行數(shù)字圖像識別研究[J].應用科技,2008(12):59-60.

[23]紀晴,段培永,李連防,等.移動機器人全覆蓋路徑規(guī)劃算法綜述[J].山東建筑大學學報,2007,22(4):354-358.

[24]王儉,陳衛(wèi)東,趙鶴鳴.移動機器人全覆蓋路徑規(guī)劃優(yōu)化方法[J].計算機工程,2005,31(22):162-163.

[25]吳修文,馮曉霞,孫康嶺,等.農(nóng)用機器人導航電子地圖的研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程, 2010(3):40-42.

[26]朱向慶,陳志雄.采用GPS 和GPRS 的移動目標監(jiān)控導航系統(tǒng)設計[J].計算機測量與控制, 2011, 19(5):1133-1136.

[27]李界家,陳浩,李穎.神經(jīng)網(wǎng)絡迭代算法解耦控制在中央空調(diào)系統(tǒng)中的應用[J].沈陽建筑大學學報,2012,28(1):182-186.

補充更正公告

茲于本刊2016年8月1日出版的《基于模糊控制的拖拉機路徑跟蹤仿真研究》，由于作者疏漏原因，經(jīng)與作者溝通商量協(xié)調(diào)，特對如下文章內(nèi)容進行如下補充更正：

1.作者添加：原作者序列為“石翔、馬蓉、張長龍、梁錦；”更正為“石翔、李文春、馬蓉、張長龍、梁錦”；原“Shi Xiang、Ma Rong、Zhang Changlong、Liang Jin”改為“Shi Xiang、Li Wenchun、Ma Rong、Zhang Changlong、Liang Jin”

2.(李文春)作者單位添加：新疆阿拉爾萬達農(nóng)機有限公司，新疆 阿拉爾843300；Xinjiang Wanda Modern Agricultural Equipment Limited by Share Co.Ltd., Alar 843300, China。

3.課題編號添加：原課題編號為“國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2013AA102307)”更正為“國家高技術研究發(fā)展計劃項目(2013AA102307)；新疆生產(chǎn)建設兵團南疆專項(2013BA048)”。

作者：石翔

2016年2月16日

Robot Manipulator Design for Double Closed Loop Control—Based on PLC and CAN BUS

He Long1, Chen Xiaolong2

(1.Department of Aeronautic Maintenance Engineering,Chengdu Aeronautic Vocational and Technical College, Chengdu 610100, China;2. School of Electro-Mechanical Engineering, Xidian University,Xi′an 710071, China)

Abstract：A new robot manipulator joint distributed control scheme is proposed based on the PLC motion controller and CAN BUS by using the double closed-loop control system. The robot joint motor control system CAN module and PLC controller are designed with the idea of modular design. The mechanical hand of the robot is used to adjust the joint of the robot hand. The signal acquisition is acquired by using the Holzer sensor and infrared sensor and the photoelectric encoder. The signal is acquired by the A/D converter and the signal is transmitted to the PLC controller. At the end of the manipulator,the CAN bus is used to control the communication signal,and the parallel control of the end effector is realized.At last,the feed forward control environment is added to the system based on the double closed-loop control scheme.The static performance of the system is improved. The results show that the robot is stable and reliable in operation.

Key words：robot manipulator; double closed-loop control; harmonic reducer; A/D converter; CAN bus

中圖分類號：S225；TP241.3

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)12-0242-05

作者簡介：何龍(1973-)，男，四川遂寧人，副教授。通訊作者：陳曉龍(1976-)，男，西安人，副教授，博士，(E-mail)dragon2015long@sina.com。

基金項目：四川省教育廳自然科學基金重點項目(14ZA0309)

收稿日期：2015-09-12