楊啟志　孫夢(mèng)濤　蔡　靜　石新異　毛罕平　顧　俊

(江蘇大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 鎮(zhèn)江 212013)

0　引言

穴盤(pán)苗移栽是設(shè)施農(nóng)業(yè)育苗生產(chǎn)及移栽中的主要作業(yè)之一，目前我國(guó)的穴盤(pán)苗移栽主要以人力和半自動(dòng)移栽機(jī)為主，勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下，難以保證移栽質(zhì)量及規(guī)?；l(fā)展[1-2]。因此研究溫室穴盤(pán)苗高速自動(dòng)移栽機(jī)器人，尤其是高速剔苗、補(bǔ)苗的機(jī)器人，并進(jìn)行相關(guān)運(yùn)動(dòng)誤差分析，對(duì)降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)能力以及促進(jìn)設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展具有重要的意義。國(guó)外一些專(zhuān)家對(duì)此作了大量研究，文獻(xiàn)[3-4]研發(fā)了一套配備圖像識(shí)別功能的三坐標(biāo)結(jié)構(gòu)移栽機(jī)器人，僅處于原理樣機(jī)階段。荷蘭飛梭國(guó)際貿(mào)易工程公司(Visser Group, Holland)研制生產(chǎn)的PC-21型穴盤(pán)苗全自動(dòng)移栽機(jī)，主體結(jié)構(gòu)為龍門(mén)架式三坐標(biāo)機(jī)構(gòu)，效率高，但不適于高速剔苗、補(bǔ)苗作業(yè)[5]。2005年以來(lái)，崔巍[6]設(shè)計(jì)的旱地自動(dòng)移栽機(jī)、蔣煥煜等[7]設(shè)計(jì)的一種搭載了機(jī)器視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)的移栽機(jī)器人，也不適于高速的剔苗、補(bǔ)苗作業(yè)。2013年，江蘇大學(xué)的綦春暉[8]將平面二自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)Diamond 機(jī)構(gòu)應(yīng)用于穴盤(pán)苗高速補(bǔ)苗、移栽作業(yè)，開(kāi)發(fā)了一套對(duì)應(yīng)的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)出相應(yīng)的實(shí)物樣機(jī)，但需要精確的穴盤(pán)橫向進(jìn)給系統(tǒng)。

針對(duì)這些問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種以并聯(lián)機(jī)構(gòu)為主體的移栽機(jī)器人系統(tǒng)，綜合并聯(lián)機(jī)構(gòu)速度快、精度高、相對(duì)剛度大、動(dòng)態(tài)性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足現(xiàn)有設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)高速移栽作業(yè)的需求，同時(shí)還可以滿(mǎn)足設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)高速剔苗、補(bǔ)苗作業(yè)要求。然而移栽機(jī)器人在實(shí)際的工作環(huán)境中會(huì)存在機(jī)構(gòu)的裝配誤差、柔性變形誤差、構(gòu)件的質(zhì)量等因素影響運(yùn)動(dòng)精度從而導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)誤差[9]。在移栽操作中運(yùn)動(dòng)精度作為并聯(lián)機(jī)器人一項(xiàng)最重要的性能指標(biāo)，很大程度決定并聯(lián)移栽機(jī)器人的工作性能[10-12]。本文在前期工作的基礎(chǔ)上，針對(duì)該移栽機(jī)器人主體并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)精度問(wèn)題，利用ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ瓦M(jìn)行仿真，并搭建實(shí)物樣機(jī)進(jìn)行定位精度試驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)誤差試驗(yàn)。

1　虛擬樣機(jī)模型說(shuō)明

1.1　樣機(jī)并聯(lián)機(jī)構(gòu)

移栽機(jī)器人主體并聯(lián)機(jī)構(gòu)如圖1所示，采用三支鏈并聯(lián)結(jié)構(gòu)，上平臺(tái)為靜平臺(tái)，所有驅(qū)動(dòng)器置于上平臺(tái)上與機(jī)架固定。其動(dòng)平臺(tái)的方位特征集為

(1)

式中t3——移動(dòng)元素，右上標(biāo)3表示具有3個(gè)移動(dòng)元素

r0——轉(zhuǎn)動(dòng)元素，右上標(biāo)0表示具有0個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)元素

圖1　并聯(lián)機(jī)構(gòu)Fig.1　Parallel structure1.靜平臺(tái)　2、3、4.驅(qū)動(dòng)器　5.A支鏈　6.B支鏈　7.動(dòng)平臺(tái)8.工作空間　9.C支鏈

為使并聯(lián)機(jī)構(gòu)達(dá)到高速高頻運(yùn)動(dòng)要求，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的各支鏈中除驅(qū)動(dòng)臂和軸承為鋼材料外，關(guān)節(jié)均為鋁材料，桿件均為碳纖維桿。應(yīng)移栽需求，給定工作空間為594 mm×480 mm×125 mm的立方體空間。

1.2　動(dòng)平臺(tái)模塊化設(shè)計(jì)

對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其本身就具有優(yōu)異的柔性化功能，它能夠完成所有在一定工作空間內(nèi)需要進(jìn)行三平移且負(fù)載要求不太高的作業(yè)任務(wù)，所以該移栽機(jī)器人的功能擴(kuò)展，主要是通過(guò)對(duì)動(dòng)平臺(tái)上的末端執(zhí)行器進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。將末端執(zhí)行器模塊化，可以將多種生產(chǎn)模式結(jié)合，大幅減少成本。為此，本文設(shè)計(jì)了5種配套末端執(zhí)行器，可以執(zhí)行不同任務(wù)，分別為單爪型取苗器、雙爪型取苗器、除壞苗用剔苗取苗器、角度移栽用角度取苗器、扦插作業(yè)用扦插取苗器。

對(duì)于并聯(lián)移栽機(jī)器人來(lái)說(shuō)，當(dāng)其支鏈的結(jié)構(gòu)形式和尺寸形狀材料確定以后，動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量的變化會(huì)很大程度上影響并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)性能[13-15]。設(shè)計(jì)的上述5種末端執(zhí)行器的質(zhì)量如表1所示。

表1　末端執(zhí)行器質(zhì)量統(tǒng)計(jì)Tab.1　Statistics of end effector mass　g

2　動(dòng)態(tài)精度分析

在并聯(lián)機(jī)器人追求高速的同時(shí)，系統(tǒng)的慣性力也急劇增加，構(gòu)件的柔性變形會(huì)引起系統(tǒng)的彈性振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度迅速降低，也使得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)性能受到很大影響[16]，使并聯(lián)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的精確控制面臨更大困難[17-19]。所以在研究分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)性能時(shí)，將構(gòu)件彈性變形造成的動(dòng)態(tài)精度問(wèn)題考慮在內(nèi)，對(duì)認(rèn)識(shí)機(jī)構(gòu)使用條件以及設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)有著重要的指導(dǎo)意義[20-21]。

2.1　ADAMS剛?cè)狁詈夏Ｐ?/h3>

在討論機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題建立虛擬樣機(jī)時(shí)，由于大部分構(gòu)件為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，其質(zhì)心位置與實(shí)際情況基本吻合，所以采用簡(jiǎn)化模型設(shè)定準(zhǔn)確質(zhì)量的方法將產(chǎn)生良好的效果。圖1為該并聯(lián)機(jī)構(gòu)在Pro/E中建立的樣機(jī)模型，所有零件基本按照實(shí)際加工零件所繪制，將其簡(jiǎn)化為圖2所示的模型，其中銀灰色部分為45號(hào)鋼材料，驅(qū)動(dòng)臂需經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，藍(lán)色部分為7075鋁合金，黑色部分為碳纖維桿，使用HM高模量碳纖維，其拉伸模量為400 GPa，拉伸強(qiáng)度為2.4 GPa。紫色半透明部分為工作空間。將圖2的模型導(dǎo)入到ADAMS中建立虛擬樣機(jī)模型并加上材料類(lèi)型和約束副進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

通過(guò)Pro/E和ADAMS聯(lián)合仿真來(lái)使動(dòng)平臺(tái)完成預(yù)定動(dòng)作。其步驟為：在Pro/E中約定動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。本文嘗試采用沖擊較低、效率較高的3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。限定最大加速度為30 m/s2，以一次移栽過(guò)程為研究對(duì)象(記從取到苗至移動(dòng)到需要栽植的位置為一個(gè)周期，即為有負(fù)載的情況，而回程為空載，不記在此周期內(nèi))，其實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡如圖3所示。其實(shí)際大小需要根據(jù)苗高和生長(zhǎng)狀態(tài)、葉片的展開(kāi)程度作調(diào)整，所以它們各點(diǎn)的曲率并不一樣，需要通過(guò)控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要作具體的調(diào)整。

在Pro/E中給定動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，測(cè)量各驅(qū)動(dòng)角的角度-時(shí)間數(shù)據(jù)。導(dǎo)入上述步驟中的驅(qū)動(dòng)角變化規(guī)律，并在驅(qū)動(dòng)副中調(diào)用(圖4)。

通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得到動(dòng)平臺(tái)的速度與加速度幅值如圖5所示，在采用3-4-5次多項(xiàng)式運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，動(dòng)平臺(tái)參考點(diǎn)的速度、加速度曲線(xiàn)變化平緩，無(wú)沖擊。

圖3　實(shí)際移栽軌跡Fig.3　Actual transplanting trajectory

圖4　導(dǎo)入驅(qū)動(dòng)角數(shù)據(jù)并調(diào)用Fig.4　Import and call data of driving angle

圖5　實(shí)際移栽軌跡下的速度幅值與加速度幅值Fig.5　Velocity and acceleration amplitude in actual transplanting trajectory

相應(yīng)地，測(cè)量各驅(qū)動(dòng)力矩如圖6所示，其A支鏈、B支鏈、C支鏈驅(qū)動(dòng)力矩峰值分別為17.35、11.32、14.85 N·m。驅(qū)動(dòng)力矩曲線(xiàn)變化平穩(wěn)，沒(méi)有大的波動(dòng)點(diǎn)。

圖6　各支鏈的驅(qū)動(dòng)力矩Fig.6　Diagram of driving torque of three branch chains

在此基礎(chǔ)上，再測(cè)量動(dòng)平臺(tái)的位移時(shí)，即可真實(shí)反映出動(dòng)平臺(tái)受驅(qū)動(dòng)支鏈的驅(qū)動(dòng)時(shí)，在支鏈鉸鏈約束下的運(yùn)動(dòng)情況。建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，即可研究動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的位移誤差情況。

使用ADAMS的Flex模塊將所有碳纖維桿和驅(qū)動(dòng)臂柔性化。以此進(jìn)行桿件全柔性化仿真，其過(guò)程中某一時(shí)刻狀態(tài)如圖7所示。

圖7　桿件全柔性化仿真Fig.7　Flexible simulation of all links

2.2　軌跡誤差情況

通過(guò)桿件全柔性化仿真可以得到動(dòng)平臺(tái)在相同軌跡下的位置偏移情況，圖8為位置幅值偏移情況。

圖8a為幅值整體圖，圖8b～8d為3個(gè)分塊放大圖。由圖8a可知，大部分位置誤差都不大，但在0.3～0.4 s間出現(xiàn)了沿理想軌跡的小幅度擺動(dòng)現(xiàn)象，由于位處軌跡中段，與取投苗精度無(wú)關(guān)，所以要求不高。圖8b、8d分別為動(dòng)平臺(tái)取苗階段(軌跡前50 mm)和投苗階段(軌跡后50 mm)的位移誤差，其最大值分別約為0.537 mm和0.284 mm，對(duì)于取投苗來(lái)說(shuō)，這個(gè)誤差在可接受的范圍以?xún)?nèi)，需要指出的是，對(duì)于該路線(xiàn)的仿真，取苗階段是從靜止階段開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，而投苗階段是從運(yùn)動(dòng)階段到停止，它們運(yùn)行狀態(tài)不一樣，但具有代表性，用于分析并聯(lián)機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)從軌跡開(kāi)始運(yùn)行到軌跡結(jié)束停止的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具有較高的參考價(jià)值。

圖8　位置幅值偏移情況Fig.8　Deformations of trajectory

如圖9所示該移栽機(jī)器人在此條軌跡下，其取投苗位置誤差很小，在允許范圍內(nèi)，而在移苗過(guò)程中有較大的誤差，需要通過(guò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)來(lái)調(diào)控，不過(guò)整體上符合移栽的要求，即取投苗位置精度要求高，其他位置精度要求低。

2.3　動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量對(duì)軌跡誤差的影響

若將動(dòng)平臺(tái)的質(zhì)量變化考慮在內(nèi)，則通過(guò)重復(fù)前面的仿真過(guò)程，統(tǒng)計(jì)得到表2所示變形數(shù)據(jù)。

圖9　X、Y、Z分量的位移Fig.9　Displacement of X, Y and Z coordinate components

圖10～12分別為動(dòng)平臺(tái)位移、取苗階段位移以及中間階段位移隨動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化情況。

圖11和圖12分別為開(kāi)始階段和中間階段的曲線(xiàn)，與前文所述規(guī)律相同，開(kāi)始階段的誤差都較小，隨著動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量增加誤差逐步增大，中間階段誤差沿理想曲線(xiàn)擺動(dòng)，同樣隨著動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量增加誤差逐步增大，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量為900 g以下時(shí)，中間階段誤差沿理想曲線(xiàn)擺動(dòng),整體滿(mǎn)足移栽要求，此時(shí)中間階段震蕩對(duì)投苗影響較小，滿(mǎn)足取投苗位置精度要求高，其他位置精度要求低。表2中，投苗階段統(tǒng)計(jì)方式與之前有所不同，由圖13的曲線(xiàn)發(fā)現(xiàn),末尾階段對(duì)投苗影響較大。驅(qū)動(dòng)器到位后，伺服電機(jī)是鎖死的，其角度不再變化，此時(shí)動(dòng)平臺(tái)是沿理想曲線(xiàn)振蕩，然后逐步趨于穩(wěn)定，之前的分析由于趨于穩(wěn)定的過(guò)程很短，所以并未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象，而此時(shí)的誤差沿理想曲線(xiàn)擺動(dòng)發(fā)生在投苗末尾階段，末尾階段振蕩過(guò)程對(duì)投苗的影響較大，尤其在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量達(dá)到900 g之后，其振蕩誤差的幅值已經(jīng)達(dá)到了3.26 mm，投苗會(huì)很不穩(wěn)定，必須等待振蕩結(jié)束后才能投苗或者降低運(yùn)行速度，也就是說(shuō)，在該運(yùn)行速度與加速度規(guī)律下，其實(shí)際所需的投苗時(shí)間會(huì)大于理論上的投苗時(shí)間，需要用控制進(jìn)行補(bǔ)償。

表2　動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化對(duì)位移誤差的影響Tab.2　Effect of changes of moving platform mass on displacement error　mm

圖10　位移隨動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化曲線(xiàn)Fig.10　Changing curves of displacement with moving platform mass

圖11　取苗階段位移隨動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化曲線(xiàn)Fig.11　Changing curves of displacement in picking stage with mass

圖12　中間階段位移隨動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化曲線(xiàn)Fig.12　Changing curves of displacement in middle stage with mass

圖13　投苗階段位移隨動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量變化曲線(xiàn)Fig.13　Changing curves of displacement in delivery stage with mass

從表2中可知，在取苗階段和投苗階段，X分量和Z分量(平行于穴盤(pán)表面的2個(gè)分量)的誤差較小，即定位誤差較小，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量為900 g及以下時(shí)，其X、Z分量最大誤差為1.39 mm，對(duì)于最小30 mm的穴孔寬度來(lái)說(shuō)可以接受，在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時(shí)應(yīng)留足余量，防止末端執(zhí)行器因運(yùn)動(dòng)誤差與穴盤(pán)發(fā)生干涉，造成穴盤(pán)損壞。

另外，從表2可以發(fā)現(xiàn)，各階段的誤差主要來(lái)源于Y分量方向(垂直于穴盤(pán)表面方向)。末端執(zhí)行器在垂直穴盤(pán)方向的振蕩容易壓壞苗缽，甚至損壞穴盤(pán)和傳送帶，在設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，若動(dòng)平臺(tái)需要重載，則應(yīng)當(dāng)在控制系統(tǒng)中調(diào)高落苗點(diǎn)的位置，防止損壞苗缽、穴盤(pán)和設(shè)備。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)尺寸已經(jīng)確定的情況下，軌跡曲線(xiàn)的誤差還與控制系統(tǒng)密切相關(guān)，從上述仿真來(lái)看，并聯(lián)機(jī)構(gòu)從一條較長(zhǎng)軌跡上運(yùn)行，起步階段精度很高，中間階段的誤差幅度隨著動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量增加誤差逐步增大，停止階段由于系統(tǒng)慣性，會(huì)出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，采用優(yōu)良的控制方法有助于改善末端點(diǎn)軌跡振蕩問(wèn)題?？偟膩?lái)說(shuō)，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量不超過(guò)900 g時(shí)，本機(jī)構(gòu)用于移栽機(jī)上具有較高的可行性，其定位精度較高，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量高于900 g時(shí)需要降低系統(tǒng)的極值速度和極值加速度以提高穩(wěn)定性。

3　物理樣機(jī)制作與試驗(yàn)

基于PLC搭建了開(kāi)環(huán)控制試驗(yàn)系統(tǒng)，樣機(jī)試驗(yàn)主要用于樣機(jī)的定位精度及運(yùn)動(dòng)性能。

3.1　物理樣機(jī)

樣機(jī)的機(jī)械執(zhí)行部分包括并聯(lián)機(jī)器人主體和穴盤(pán)、缽盆輸送系統(tǒng)(圖14)。

圖14　并聯(lián)移栽機(jī)器人物理樣機(jī)Fig.14　Prototype of parallel transplanter1.B支鏈　2.C支鏈　3.靜平臺(tái)　4.A支鏈　5.動(dòng)平臺(tái)　6.輸送帶1　7.輸送帶2　8.控制柜　9.控制盒　10.機(jī)架

輸送系統(tǒng)分兩路單獨(dú)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制，由傳感器檢測(cè)有無(wú)穴盤(pán)、穴盤(pán)到位等信息反饋給PLC進(jìn)行控制進(jìn)給。移栽機(jī)器人由3組伺服電機(jī)系統(tǒng)分別控制3條支鏈的驅(qū)動(dòng)臂，使動(dòng)平臺(tái)依照預(yù)定指令運(yùn)動(dòng)。

本試驗(yàn)基于帶有運(yùn)動(dòng)控制的PLC，搭建一套開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器本身具有一定的閉環(huán)反饋控制能力，而這里所說(shuō)的開(kāi)環(huán)控制是指在PLC中所編寫(xiě)的程序采用單向發(fā)送脈沖給伺服電機(jī)定位，而不依靠伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器反饋給PLC的編碼信號(hào)再次進(jìn)行反饋調(diào)整。這用于檢測(cè)機(jī)械執(zhí)行部件在該套伺服電機(jī)系統(tǒng)下的定位能力，檢測(cè)由固定機(jī)械誤差(裝配誤差、加工誤差等)引起的定位誤差和運(yùn)動(dòng)誤差。

使用信捷XDM24T4-C型PLC，具有4路脈沖發(fā)射端子，可進(jìn)行四軸聯(lián)動(dòng)控制，采用C語(yǔ)言模塊可以實(shí)現(xiàn)軌跡插補(bǔ)及驅(qū)動(dòng)角度逆解運(yùn)算，而PLC使用較簡(jiǎn)單易懂的編程語(yǔ)言使試驗(yàn)得以順利進(jìn)行，并且易于操作和調(diào)試。

該試驗(yàn)樣機(jī)的電氣控制原理如圖15所示。該系統(tǒng)主電路分兩路，一路由380 V三相電通過(guò)伺服隔離變壓器輸出200 V電壓給2臺(tái)松下伺服電機(jī)供電，另一路由220 V電壓經(jīng)濾波器給華大伺服電機(jī)和其他部分供電?？刂齐娐酚蒔LC給伺服電機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)，控制3個(gè)伺服電機(jī)按預(yù)定規(guī)則聯(lián)動(dòng)經(jīng)3條支鏈傳遞運(yùn)動(dòng)給動(dòng)平臺(tái)，使其按照預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)。PLC的Y0、Y2、Y4輸出接3個(gè)伺服電機(jī)脈沖端子負(fù)極，Y1、Y3、Y5輸出接伺服電機(jī)方向端子。為搭建試驗(yàn)樣機(jī)，采用簡(jiǎn)易控制盒進(jìn)行簡(jiǎn)單控制，松閘按鈕在電機(jī)斷電時(shí)松開(kāi)電機(jī)抱閘便于機(jī)械回零。為簡(jiǎn)明表達(dá)，圖15省略了很多線(xiàn)路。該樣機(jī)實(shí)物電氣控制柜如圖16所示。

圖15　電氣控制原理圖Fig.15　Principle diagram of electrical control

圖16　電氣控制柜及控制盒Fig.16　Electrical control cabinet and control box1.C支鏈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器　2.B支鏈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器　3.A支鏈電機(jī)驅(qū)動(dòng)器　4.5 V電源　5.電源濾波器　6.三相伺服變壓器　7.熔斷器8.A支鏈電機(jī)斷路器　9.C支鏈電機(jī)斷路器　10.B支鏈電機(jī)斷路器　11.松閘繼電器　12.24 V電源　13.取苗爪預(yù)留繼電器　14.伺服報(bào)警抱閘繼電器　15.可編程控制器　16.松閘按鈕　17.定位/運(yùn)行按鈕　18.停止按鈕　19.一鍵回零按鈕　20.急停按鈕

3.2　定位精度試驗(yàn)

圖17　激光器安裝圖Fig.17　Installation of laser

在動(dòng)平臺(tái)上安裝十字激光器，在輸送平臺(tái)上附上含有理論中心點(diǎn)的圖紙，如圖17所示，圖17a為X、Y分量上誤差測(cè)量方法，而圖17b為Z分量的測(cè)量方法。試驗(yàn)過(guò)程每走一個(gè)定位點(diǎn)，都記錄十字激光器在圖紙上的投影點(diǎn)，完成所有點(diǎn)的記錄后，統(tǒng)計(jì)其誤差情況。

將3個(gè)方向的誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理，并繪制成三維散點(diǎn)圖，利用Origin軟件用三維表面擬合這些散點(diǎn)圖，得到X、Y分量上的誤差分布，如圖18所示，而Z分量上的誤差分布如圖19所示。從這些圖中可以直觀看出誤差的實(shí)際分布情況，便于分析誤差的規(guī)律和來(lái)源。由圖中誤差分布情況來(lái)看，規(guī)律性明顯，整體上3個(gè)分量都呈現(xiàn)中間精度高，誤差向四周逐漸放大，并且都具有方向性，X和Y分量呈瀑布式規(guī)律，而Z分量則呈以電子零點(diǎn)為塔尖的金字塔式誤差分布。這種誤差分布呈現(xiàn)明顯規(guī)律的現(xiàn)象，首先考慮為系統(tǒng)誤差引起，尤其是加工和裝配造成的誤差。

圖18　X、Y分量誤差分布圖Fig.18　X and Y components error distributions

圖19　Z分量誤差分布圖Fig.19　Z component error distribution

圖20　X、Y分量補(bǔ)償后誤差分布Fig.20　X and Y components error distributions after error compensation

統(tǒng)計(jì)這些誤差的具體數(shù)值，將數(shù)值轉(zhuǎn)換為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的反向脈沖數(shù)，對(duì)PLC中的定位數(shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)償。再次進(jìn)行相同的試驗(yàn)并統(tǒng)計(jì)補(bǔ)償后的誤差分布，如圖20、21所示。

圖21　Z分量補(bǔ)償后誤差分布Fig.21　Z component error distribution after error compensation

從圖20和圖21可以看出，補(bǔ)償后，總的來(lái)看誤差已經(jīng)保持在較低數(shù)值水平上，其中X、Y分量的誤差沒(méi)有明顯規(guī)律，可以認(rèn)為是隨機(jī)誤差造成的，而Z分量的誤差分布仍然具有金字塔型的特征，考慮由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)剛度以及受重力作用的共同影響。統(tǒng)計(jì)計(jì)算補(bǔ)償前后平均誤差幅值由補(bǔ)償前的7.611 mm降低到補(bǔ)償后的1.208 mm。其計(jì)算公式為

(2)

式中ζ——平均誤差N——數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)

X——單點(diǎn)誤差

綜上可以確定，圖18和圖19中的大數(shù)值誤差，是由機(jī)械部件中裝配精度、加工精度、桿件尺寸精度以及零點(diǎn)精度等問(wèn)題造成的系統(tǒng)誤差，該類(lèi)誤差通過(guò)補(bǔ)償后可以基本消除，而圖20中的誤差主要由隨機(jī)誤差組成，其出現(xiàn)的概率和數(shù)值無(wú)法確定，主要包括伺服系統(tǒng)誤差、控制系統(tǒng)誤差等，希望通過(guò)完善的閉環(huán)控制系統(tǒng)來(lái)降低這些誤差。另外，在控制系統(tǒng)中，實(shí)際上各分量上的誤差補(bǔ)償不應(yīng)當(dāng)為具體的數(shù)值補(bǔ)償，而應(yīng)當(dāng)通過(guò)上述統(tǒng)計(jì)擬合出一個(gè)補(bǔ)償方程來(lái)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行全域補(bǔ)償，對(duì)于圖21中Z分量的情況還應(yīng)當(dāng)考慮采用過(guò)量補(bǔ)償?shù)姆椒ㄏ亓Φ仍虻挠绊憽?/p>

3.3　運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)

運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)是檢測(cè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的性能，本試驗(yàn)采用仿真位移誤差時(shí)所采用的軌跡。插補(bǔ)路徑軌跡上的20個(gè)點(diǎn)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)角，將其轉(zhuǎn)換成伺服電機(jī)行走的頻率和脈沖輸入到PLC中。試驗(yàn)裝置布置如圖22所示。

圖22　運(yùn)動(dòng)性能試驗(yàn)裝置布置圖Fig.22　Arrangement diagram of performance test device of movement1、6.并聯(lián)機(jī)構(gòu)　2、7.裝有激光器的動(dòng)平臺(tái)　3、8.高速攝像機(jī)　4、10.十字光斑　5、9.參考圖紙

在動(dòng)平臺(tái)上綁定十字激光器，將動(dòng)平臺(tái)的三維運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為2個(gè)平面的運(yùn)動(dòng)，并利用高速攝像機(jī)拍下投影運(yùn)動(dòng)過(guò)程，從而觀察其運(yùn)動(dòng)情況。圖22a為記錄X、Z分量運(yùn)動(dòng)時(shí)的布置，圖22b為記錄Y、Z分量運(yùn)動(dòng)時(shí)的布置。

由于空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程難以用非常直接的方式進(jìn)行記錄，本試驗(yàn)采用此方法粗略估計(jì)運(yùn)行軌跡的情況，根據(jù)圖23的理論點(diǎn)圖紙，在多次運(yùn)行的過(guò)程中記錄點(diǎn)的位置(每次都必須從動(dòng)平臺(tái)完全靜止后開(kāi)始運(yùn)動(dòng))。

圖23　參考圖紙F(tuán)ig.23　Reference drawing1.φ20基準(zhǔn)圓　2.激光器光斑　3.標(biāo)記點(diǎn)　4.誤差范圍基線(xiàn)　5.刻度尺　6.φ5基準(zhǔn)圓

試驗(yàn)在2個(gè)運(yùn)行條件下進(jìn)行，動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)置為PLC自帶的正弦加減速運(yùn)動(dòng)規(guī)律，第1個(gè)試驗(yàn)在平均速度2 m/s、加速度峰值20 m/s2下進(jìn)行，第2個(gè)試驗(yàn)在平均速度3 m/s、加速度峰值30 m/s2下進(jìn)行。記錄結(jié)果如表3所示。

從表3中數(shù)據(jù)看出，在2 m/s速度下運(yùn)行時(shí)，可以滿(mǎn)足取投苗精度要求，不過(guò)與理想數(shù)據(jù)還有差距。但是在速度達(dá)到3 m/s時(shí)，誤差較大，尤其是在P7、P8標(biāo)記點(diǎn)時(shí)，當(dāng)動(dòng)平臺(tái)從最高速度減速時(shí)，由于較大的運(yùn)動(dòng)慣性，使誤差變得很大。2 m/s的平均移栽速度在溫室穴盤(pán)苗移栽機(jī)器人中保證性?xún)r(jià)比的同時(shí)達(dá)到了相對(duì)高效移栽、補(bǔ)苗的要求，既保證了移栽的質(zhì)量也保證了移栽速度。接下來(lái)的樣機(jī)研制，機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度還需要進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其是關(guān)節(jié)處的剛度，應(yīng)采取更好的結(jié)構(gòu)來(lái)提高剛度，以減小機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)變形。綜合來(lái)看，移栽機(jī)器人的總體運(yùn)行情況良好，支鏈的結(jié)構(gòu)剛度做出一定改善之后，其運(yùn)動(dòng)性能可以預(yù)測(cè)會(huì)有較大的提升，整機(jī)在移栽方面有較好可行性。

表3　動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差Tab.3　Displacement error of moving platform　　mm

4　結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一種基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的用于溫室穴盤(pán)苗移栽的高速并聯(lián)移栽機(jī)器人，將所有連桿柔性化以后進(jìn)行剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)仿真，得到了動(dòng)平臺(tái)在柔性化模型和剛性模型下運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比，研究了動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量對(duì)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差的影響。

(2)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量為900 g及以下時(shí)，該新型構(gòu)件用于并聯(lián)移栽機(jī)上具有較高的可行性，其定位精度較高，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)；在動(dòng)平臺(tái)質(zhì)量高于900 g時(shí)，需要降低系統(tǒng)的極值速度和極值加速度以提高穩(wěn)定性。

(3)并聯(lián)移栽機(jī)物理樣機(jī)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)定位誤差主要成分為系統(tǒng)誤差，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償后，其平均誤差從7.611 mm降低到1.208 mm，符合移栽機(jī)器人定位要求。

(4)并聯(lián)移栽機(jī)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，樣機(jī)在2 m/s平均速度下運(yùn)行時(shí)，可以滿(mǎn)足取投苗精度要求，并且能夠達(dá)到溫室穴盤(pán)苗高效移栽、補(bǔ)苗的需求。當(dāng)平均速度達(dá)到3 m/s時(shí)，誤差較大，尤其是后段由于較大的運(yùn)動(dòng)慣性，誤差很大。

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