黃力剛,朱文琦，劉志剛

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明　650091)

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基于輪廓圖元邊緣檢測的新式秸稈上料機(jī)械手設(shè)計(jì)

黃力剛1,朱文琦1，劉志剛2,3

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.云南大學(xué) 軟件學(xué)院，昆明650091)

摘要：為了解決秸稈粉碎機(jī)自動(dòng)上料問題，設(shè)計(jì)了一種新的秸稈上料機(jī)械手裝置，提高了秸稈粉碎機(jī)作業(yè)的精度和自動(dòng)化水平。該裝置使用Canny算子對秸稈圖像進(jìn)行分割，并對弱邊緣進(jìn)行提取，將提取信息傳遞給機(jī)械手PC處理中心，發(fā)出控制機(jī)械手的動(dòng)作的指令；并利用PLC閉環(huán)系統(tǒng)控制，完成了秸稈上料機(jī)械手的自動(dòng)化控制，優(yōu)化了伺服電機(jī)的啟停時(shí)間和上料的工作效率。同時(shí)，對裝置進(jìn)行了秸稈上料試驗(yàn)，結(jié)果表明：與人工上料相比，使用自動(dòng)化控制的機(jī)械手可以提高工作效率及秸稈的粉碎質(zhì)量，且可降低上料過程對人造成的損害，是一種安全高效的上料裝置。

關(guān)鍵詞：秸稈粉碎；邊緣檢測；上料裝置；機(jī)械手；PLC控制

0引言

我國對飼料的需求量很大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年至少有數(shù)百億斤的糧食和數(shù)千億斤農(nóng)作物秸稈被粉碎加工成飼料。飼料的加工已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)中非常重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而飼料加工的主要設(shè)備是飼料粉碎機(jī)。飼料粉碎機(jī)在粉碎過程中刀片轉(zhuǎn)速非常大，人工上料的方式具有一定的危險(xiǎn)性，且人工上料的工作效率低，已經(jīng)不能滿足日益增加的生產(chǎn)需要。為此，設(shè)計(jì)了一種新的機(jī)械手上料裝置，利用圖像邊緣檢測和PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確定位秸稈的位置，可較好控制上料精度，完成自動(dòng)化秸稈上料過程。

1秸稈上料機(jī)械手總體設(shè)計(jì)

從目前情況來看，農(nóng)作物秸稈用粉碎機(jī)械種類不多，其中粗纖維類秸稈大部分采用的還是普通類的通用粉碎機(jī)。這些粉碎機(jī)的工作效率低、耗能高，市場上也沒有專業(yè)加工秸稈的自動(dòng)化粉碎機(jī)，因此研究粉碎機(jī)的自動(dòng)化上料機(jī)械手具有重要的意義。

圖1為秸稈粉碎機(jī)的示意圖。其秸稈上料機(jī)械手主要由4部分組成，包括機(jī)座、臂、腰和手腕，可以參考同類機(jī)械手的設(shè)計(jì)參數(shù)，對主要尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，使機(jī)械手盡可能具有較大的作業(yè)范圍。綜合考慮各種因素，設(shè)計(jì)了機(jī)械手的主要參數(shù)，θ1表示腰部轉(zhuǎn)動(dòng)角度，θ2表示臂俯仰角度，θ3表示手腕起落角度。

圖1　秸稈粉碎機(jī)示意圖

表1表示秸稈上料機(jī)械的性能參數(shù)表，其中主要設(shè)計(jì)參數(shù)包括自由度、坐標(biāo)形式、額定負(fù)荷質(zhì)量以及最大活動(dòng)范圍等，其中自由度的數(shù)目為5個(gè)，采用垂直關(guān)節(jié)型的坐標(biāo)形式，而額定負(fù)荷質(zhì)量取為48kg，最大活動(dòng)直徑為3.8m。

表1　秸稈上料機(jī)械手主要性能參數(shù)

機(jī)械手的關(guān)節(jié)控制使用伺服電機(jī)控制，其主要工作轉(zhuǎn)速設(shè)置如表2所示。機(jī)械手的總體設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

表2　關(guān)節(jié)最大工作轉(zhuǎn)速表

圖2　秸稈上料機(jī)械手的基本構(gòu)成

秸稈上料機(jī)械手的手臂通常由驅(qū)動(dòng)手臂運(yùn)動(dòng)的部件與驅(qū)動(dòng)源相配合，以實(shí)現(xiàn)手臂的各種運(yùn)動(dòng)。上料機(jī)械手的部件主要包括臂部部件、腰部部件和腕部部件。其中，執(zhí)行末端均使用伺服電機(jī)來控制?？刂频南到y(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

圖3　精密秸稈上料機(jī)械手總體設(shè)計(jì)框圖

圖3中：首先是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化，然后通過圖像檢測傳感器采集圖像信號，信號轉(zhuǎn)換后到達(dá)PC機(jī)進(jìn)行圖像邊緣提取，提取后和預(yù)設(shè)信號進(jìn)行比對；然后利用PLC閉環(huán)控制，控制伺服電機(jī)的動(dòng)作，完成機(jī)械手的動(dòng)作控制。

2秸稈精密上料機(jī)械手精確裝置設(shè)計(jì)

2.1秸稈上料機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

腰部的主要設(shè)計(jì)是腰部外安放一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部蝸輪蝸桿傳動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)豎直主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了臂部部件的旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)的示意圖如圖4所示。

圖4　腰部部件設(shè)計(jì)

臂部的主要設(shè)計(jì)是在大臂與肩部連接關(guān)節(jié)處安裝一驅(qū)動(dòng)電機(jī)，帶動(dòng)與之相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)與小齒輪嚙合的大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪旋轉(zhuǎn)使得與之相連的軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了臂部的運(yùn)動(dòng)。其設(shè)計(jì)示意圖如圖5所示。

圖5　臂部部件設(shè)計(jì)

秸稈上料機(jī)械手相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應(yīng)盡可能在質(zhì)量上平衡，這對減小電機(jī)負(fù)載和提高機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度是非常有利的。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

秸稈上料機(jī)械手的3個(gè)主要部件主要通過伺服電機(jī)來實(shí)現(xiàn)精確控制，而其控制系統(tǒng)使用PLC閉環(huán)控制。

圖6　腕部部件設(shè)計(jì)

2.2精確和電機(jī)控制

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的精確控制，使用PLC閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)械手由于傳動(dòng)負(fù)載作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。負(fù)載額定功率可以表達(dá)為

(1)

其中，NL表示負(fù)載軸回轉(zhuǎn)速度，Tl表示為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，η表示減速機(jī)效率，則負(fù)載加速功率可以表示為

(2)

(3)

其中，NM表示最大力矩， 啟動(dòng)時(shí)間可以表達(dá)為

(4)

Tl=Ff·R=G·f·R

(5)

(6)

梯度是一個(gè)向量，其幅度和相位分別為

(7)

(8)

其中，偏導(dǎo)數(shù)需要對每一個(gè)像素位置進(jìn)行計(jì)算，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用小型模版利用卷積運(yùn)算來近似，Gx和Gy各自使用一個(gè)模板。

由圖7可以看出：Canny算子的分割效果最好，能夠檢測到真正的弱邊緣。將提取得到的邊界信息可以傳輸?shù)絇C處理中心，通過PLC控制發(fā)出指令動(dòng)作，其過程如圖8所示。

圖7　Candy算子玉米秸稈圖像弱邊界提取

圖8　PLC精確閉環(huán)反饋系統(tǒng)

圖8中：首先通過圖像傳感器和圖像變送器把圖像邊緣對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電流信號送到模擬量模塊MAD02，通過PLC通信模塊把圖像邊緣二值化數(shù)值反饋到計(jì)算機(jī)上；組態(tài)王發(fā)出檢測到圖像進(jìn)行的一系列指令，并通過機(jī)械手的手部、腰部和腕部進(jìn)行一系列動(dòng)作，完成精確上料過程；并優(yōu)化伺服電機(jī)的啟停時(shí)間，提高上料的工作效率。

3精密秸稈上料機(jī)械手實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果與分析

為了測試本文設(shè)計(jì)的精密秸稈上料機(jī)械手的有效性和可靠性，使用飼料粉碎機(jī)對上料機(jī)械手的效果進(jìn)行了綜合試驗(yàn)，通過測試首先得到了機(jī)械手的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，如圖9所示。

圖9　調(diào)試系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果

由圖9可以看出：利用PLC閉環(huán)PID控制后，系統(tǒng)的超調(diào)量很小，且魯棒性較好，其響應(yīng)過程平穩(wěn)。通過對比機(jī)械手自動(dòng)上料和人工上料的質(zhì)量，得到了如表3所示的結(jié)果。

表3　上料粉碎率測試結(jié)果

由表3可以看出：機(jī)械手自動(dòng)上料可以大大提高秸稈粉碎的質(zhì)量，提高機(jī)械粉碎率。這是由于圖像邊緣檢測可以完成對弱邊界的提取，因此機(jī)械手的上料精度較高，上料的碎料合格率也較高。

表4表示秸稈自動(dòng)化上料和人工上料的對比結(jié)果。由表4可以看出：機(jī)械手自動(dòng)上料可以大大提高秸稈粉碎的效率，縮短粉碎時(shí)間。這是由于采用PLC閉環(huán)控制可以有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，從而驗(yàn)證了自動(dòng)化機(jī)械手可以大大提高工作效率。

表4　上料時(shí)間測試結(jié)果

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了一種新的秸稈自動(dòng)化上料機(jī)械手裝置。該機(jī)械手通過對秸稈圖像的識別，可自動(dòng)完成上料操作，采用圖像邊緣檢測可以提取得到秸稈的弱邊界，使用PLC閉環(huán)控制，可以提高上料的精度、縮短上料時(shí)間。

2)通過對秸稈上料機(jī)械手的測試發(fā)現(xiàn)：圖像邊緣檢測可以完成對弱邊界的提取，機(jī)械手的上料精度較高，秸稈的粉碎效果較好。采用PLC閉環(huán)控制可以有效地提高系統(tǒng)的響應(yīng)速率，提高了工作效率。但是，秸稈上料機(jī)械手的性能還有待于進(jìn)一步升級，如自動(dòng)化啟停還需要進(jìn)一步完善，通過功能的優(yōu)化，可以將其推廣到各種飼料粉碎機(jī)中。

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Manipulator Design of a New Straw Feeding Based on Contour Map Edge Detection

Huang Ligang1, Zhu Wenqi1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091, China)

Abstract：In order to solve the problem of straw crusher automatic feeding, we design a new straw stalk feeding manipulator device, precision and automation level of the straw crusher is improved. The device using canny operator of straw image segmentation, and the weak edge extraction, extracted information to manipulator PC processing center, a control action of the manipulator's instructions, and a closed-loop control system based on PLC, completes the straw stalk feeding automatic control of the manipulator, and optimize the servo motor start-stop time, improve loading efficiency.The last straw is for device feeding experiment, the experimental results can be seen that,compared with the artificial feeding,use of automatic control of the manipulator can improve work efficiency and improve the quality of the shattering of the straw, and can reduce the feeding process of damage,which is a safe and efficient feeding device.

Key words：straw crushing; edge detection; feeding device; manipulator; PLC control

文章編號：1003-188X(2016)07-0015-05

中圖分類號：S226；TH137

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：黃力剛(1980-)，男，河南鄧州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-05-20