郭洋　吳澤全　蔡曉華　侯云濤

摘要：為提高我國奶牛養(yǎng)殖自動化水平，研究一種擠奶機器人機械臂控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PLC通過CANOpen通信控制伺服電機驅動機械臂完成一系列擠奶動作，整個過程無人化，實現(xiàn)自動化擠奶的同時可以有效提高擠奶工作效率和產奶量、節(jié)省生產成本和勞動時間，填補了國內擠奶機器人產品的空白。

關鍵詞：擠奶機器人；伺服電機；PLC；三自由度機械臂；CANOpen通信；控制方法

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2017）06-0015-04

隨著人們對鮮奶及牛奶制品數(shù)量與品質的需求與日俱增，標準化、規(guī)?；?、集約化、現(xiàn)代化成為我國奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的趨勢和目標。全自動智能擠奶機器人可以最大程度地實現(xiàn)奶牛自然狀態(tài)下擠奶過程，根據(jù)奶牛需要隨時擠奶，在保證奶牛健康的同時也提高了牛奶產量與品質，并有效提高了工作效率，節(jié)約了人力成本。目前，全自動智能擠奶機器人技術主要掌握在歐美發(fā)達國家手中，為了擺脫國外技術的束縛，本研究開發(fā)出一套具有自主知識產權的全自動智能擠奶機器人，通過CANOpen通信控制伺服電機驅動機械臂運動，完成清洗、按摩、套杯、擠奶、脫杯、藥浴等一系列動作。

1 擠奶機器人機械臂運動控制

1.1 擠奶機器人工作流程

擠奶機器人是集成了機械、自動控制、傳感器、計算機視覺、軟件數(shù)據(jù)庫等的一體化系統(tǒng)。采用模塊化設計，以主控計算機為核心，分為管理、識別、控制、數(shù)據(jù)采集等功能模塊。各模塊間接口采用網(wǎng)絡、CAN總線、RS232，USB，RFID和Zigbee等多種通訊方式?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖1所示。

擠奶機器人的機械臂結構采用三自由度控制方式，擠奶流程為：擠奶箱上方的攝像機檢測到奶牛進入擠奶箱后，上位機發(fā)送指令將擠奶箱氣動門關閉，并放下精飼料槽喂給奶牛精飼料，攝像機根據(jù)奶牛臀部位置初步確定奶牛乳房位置，上位機發(fā)出指令給PLC，PLC控制伺服電機驅動機械臂以安全軌跡運動到奶牛乳房附近，機械臂末端安裝有精確定位攝像頭，將捕捉到的4個奶牛乳頭位置信息發(fā)送給上位機，PLC接收上位機信息驅動機械臂分別對4個奶牛乳頭依次進行清洗、按摩、套杯、擠奶、脫杯、藥浴等一系列程序，最后擠奶結束，機械臂返回。

1.2 PLC與伺服電機的通信

擠奶機器人靠機械臂來完成一系列擠奶動作，機械臂能否精準定位是擠奶的關鍵。采用費斯托伺服電機驅動機械臂，費斯托伺服電機的控制器作為CANOpen通訊從站，通過ABX-CANOpen（AB7301-B）主站網(wǎng)關轉接到西門子Profibus-DP總線，將伺服驅動器接入西門子S7-300PLC系統(tǒng)中，在西門子S7-300PLC上可以實現(xiàn)與費斯托伺服電機控制器的數(shù)據(jù)交換和對伺服電機的控制。

采用西門子S7-300系列PLC，CPU為 315-2DP，AB7301網(wǎng)關作為315-2DP的ProfibusDP從站，與其他從站設置相同。首先安裝HMS提供的GSD文件，安裝完成后在“設備組態(tài)—網(wǎng)絡視圖”的硬件列表中將會出現(xiàn)網(wǎng)關的硬件選項，如圖2所示。

首先配置PLC，然后點擊“網(wǎng)絡視圖”，進入網(wǎng)絡配置畫面。拖拽硬件目錄中的ABX-Gateway CANOpenMaster圖標到網(wǎng)絡視圖空白處，添加DP從站，選擇“分配到新主站”，選擇主站，系統(tǒng)將建立PLC主站和網(wǎng)關從站的總線網(wǎng)絡。進入網(wǎng)關硬件配置頁面，點擊網(wǎng)關接口圖標，打開網(wǎng)關DP接口設置頁面。根據(jù)實際情況改變網(wǎng)關DP的地址，本研究網(wǎng)關的DP地址為72。網(wǎng)關的DP地址硬件設置在網(wǎng)關前指示燈下，有2個撥碼開關，上面的是十位，下面的是個位。DP地址=十位的數(shù)值加個位的數(shù)值。根據(jù)前面CANOpen網(wǎng)絡配置的實際輸入、輸出字節(jié)長度，配置網(wǎng)關在PLC上的輸入、輸出字節(jié)長度。本研究實際配置的輸入是26字節(jié)，而目錄里沒有對應的長度，所以先配置1個字（2字節(jié)），再配置12個字（24字節(jié)），組合成26字節(jié)；本研究實際配置的輸出是26字節(jié)，而目錄里沒有對應的長度，所以先配置1個字（2字節(jié)），再配置12個字（24字節(jié)），組合成26字節(jié)。PLC網(wǎng)關硬件配置如圖3所示。

INPUT地址為CANOpen總線側發(fā)送給PLC的數(shù)據(jù)地址，OUTPUT地址為PLC發(fā)送給CANOpen總線側的數(shù)據(jù)地址。

1.3 PLC控制伺服電機

PLC通過CANOpen協(xié)議與伺服電機建立通訊，根據(jù)伺服電機控制字的含義，PLC對應控制單元發(fā)送數(shù)值，即可實現(xiàn)控制字定義的功能。以水平方向伺服電機為例，控制字從PIB258至PIB265?？刂谱諴IB258的功能見表1。

PLC控制伺服電機流程為：設備上電后首先初始化程序，3個方向的伺服電機將機械臂驅動到原點位置（原點為機械結構設置的零位置）；當牛欄上方攝像頭檢測到有牛進入擠奶機器人牛欄后關閉牛欄，根據(jù)牛欄上方攝像頭采集的奶牛位置信息初步確定奶牛乳頭大致位置，上位機將奶牛乳頭大致位置信息以三維坐標的形式發(fā)送給PLC，PLC驅動伺服電機將機械臂運動到奶牛乳頭前方，機械臂上安裝有用于精確定位奶牛乳頭的攝像頭，該攝像頭將奶牛乳頭的精確位置信息發(fā)送給上位機，上位機計算出奶牛乳頭精確的位置信息，以三維坐標的形式（水平方向、垂直方向和旋轉方向）發(fā)送給PLC，PLC再次驅動伺服電機將機械臂運動到奶牛乳頭下方；PLC控制打開真空閥門，按照上位機發(fā)送的奶牛乳頭精確位置信息將套杯依次套入4個奶牛乳頭，并通過脈動器開始擠奶，脈動器管路上安裝有真空流量計，當真空流量計檢測到管路流量低于200 g/min時，關閉真空并脫杯停止擠奶，當4個乳頭都停止擠奶后，PLC控制機械臂回到設定的原點，打開牛欄放牛出欄，并等待下一頭牛入欄擠奶。

2 機械臂行走作業(yè)定位測試

上位機采集到奶牛乳頭位置信息后，機械臂能否精準套杯是本研究的關鍵點。根據(jù)奶牛乳頭生物特征，套杯精度在1 mm范圍內可以實現(xiàn)套杯并擠奶。伺服電機運行速度和加速度、減速度控制在伺服控制器軟件中設置，設定運行速度為V=300 mm/s，加速度為a1=1.5 m/s2，減速度為a2=1.5 m/s2。根據(jù)加速度公式，加速時間為Δt=Δv/a，加速行程為S=0.5at2，在設定行程的情況下，計算出行程時間，再實際測量行程距離，結果見表2。

由表2可知：隨著定位距離的增加，定位精度始終保持在1 mm以內，說明定位精度能夠滿足機械臂精確定位套杯要求。

3 結論

本研究設計的擠奶機器人機械臂控制系統(tǒng)，通過上位機采集奶牛乳頭位置信息，采用PLC與伺服電機CANOpen通信控制機械臂運動實現(xiàn)精準定位，定位精度達到1 mm以內，能達到自動擠奶的要求。endprint