２０２１年３月农机化研究第３期基于ＰＬＣ的采摘机器人平台设计与研究孙宁１ꎬ毛伟民１ꎬ夏浩然２(１.南京信息工程大学滨江学院ꎬ南京２１００４４ꎻ２.三江学院ꎬ南京２１００１２)摘要:随着我国农业生产规模的扩大ꎬ日益增长的劳动力需求和落后的传统农业生产方式之间的矛盾越来越突出ꎮ采摘作业是农业生产中较为普遍的环节ꎬ为克服传统采摘作业效率低、安全隐患大等问题ꎬ设计了基于ＰＬＣ的采摘机器人平台ꎬ完成了机器人平台的结构设计ꎮ同时ꎬ通过建立机器人的动力学模型ꎬ求解了各关节机构与采摘目标之间的运动关系ꎬ通过硬件选型和硬件设计ꎬ确定了合理可靠的功能模块ꎬ并完成各个模块与ＰＬＣ控制器输入输出接口的外部接线设计ꎬ最后完成了机器人平台的软件流程设计ꎮ生产实践表明:该采摘机器人平台结构简单、控制精度高ꎬ具有较高的安全性和稳定性ꎬ有较大的推广价值ꎮ关键词:采摘机器人平台ꎻＰＬＣ控制器ꎻ流程设计中图分类号:Ｓ２２５ꎻＳ２３７文献标识码:Ａ文章编号:１００－１３８８Ｘ(２０２１)０－００６－３０４４０引言执行系统组成ꎮ在结构上ꎬ采摘机器人主要包括机器人底座移动平台、机械手大臂、关节机构、夹持机构、采摘机器人是针对农业生产ꎬ通过机器视觉系统传感器系统和控制系统等ꎬ如图１所示ꎮ和计算机编程来进行采摘的智能化系统ꎬ能够自动探索采摘目标及实现采摘动作ꎬ充分解决了农业生产劳动力不足的问题ꎬ能够降低作业人员劳动强度、提高采摘效率和质量及劳动生产率ꎮ但是ꎬ由于采摘目标识别难度大、目标位置定位精度低ꎬ且受自然环境的影响大ꎮ因此ꎬ设计了采摘机器人机械手系统ꎬ通过视觉系统和多自由度夹持机构有效解决了识别困难和采摘定位精度低问题ꎬ为采摘机器人在农业生产方面大幅应用提供较好的依据ꎮ１机器人平台结构设计１.１设计原理采摘机器人主要模拟人工采摘的全过程ꎮ在采摘过程中ꎬ通过不断地移动机器人底座ꎬ利用相应的传１.夹持机构２.目标存放篮３关节机构.４.机械手大臂感器搜寻目标ꎬ经过工控机仿真计算后确定采摘目标５传.感器支架６传.感器７传.感器系统８底座移.动平台的空间位置ꎬ并利用碰撞传感器判断成熟程度ꎻ最后ꎬ９控制.系统１０.采摘平台通过夹持机构完成采摘目标的采摘ꎬ将采摘目标输送图１采摘机器人结构简图Ｆｉｇ.１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｐｉｃｋｉｎｇｒｏｂｏｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅ至最终位置ꎮ１.２结构设计２机器人动力学建模采摘机器人机械手主要由数据采集、信息处理和本文采用的机械手是５自由度的三连杆机构ꎬ为收稿日期:２０１－０９７－２４确定机械手动作的最终位置ꎬ采用Ｄ－Ｈ模型对机械基金项目:国家自然科学基金项目(４１６７５ꎻ１教育部５６)产学合作协同手进行运动学建模ꎮ机械手结构简化为３个关节和１育人项目(２０１８０２０４８０１２ꎬ２０１７０２０３１０４３)作者简介:孙宁(１９８－)１ꎬ男ꎬ江苏连云港人ꎬ高级实验师ꎬ硕士ꎬ(Ｅ个执行末端ꎬ每个关节均有１根连杆机构连接ꎮ图２－ｍａｉｌｒｗｒｆａｎ)１６３４＠.ｃｏｍꎮ为机械手结构模型ꎮခp６４ခp２０２１年３月农机化研究第３期(１)中ꎬ得到Ａ值ꎬ将不同连杆机构的Ａ值相乘ꎬ得到ｉｉ底座与执行末端的关系ꎬ用矩阵Ｔ表示为ＨＴ＝ＡＡＡ＝Ｈ１２３－－(ｌ＋)éＣＣＳＣＳＣＣｌｃùê１２３１１２３１３２３２２úêＳＣＣ－ＳＳＳ(ｌＣ＋ｌｃ)ú(２)１２３１１２３１３２３２２êＳ０－Ｃｌ＋ｌＳ＋ｌＳúê２３２３１２２３２３úê０００１úëû其中ꎬＣ＝ｃｏｓθꎬＳ＝ｓｉｎθꎬＣ＝ｃｏｓ(θ＋θ)ꎬｉｉｉｉ２３２３Ｓ＝ｓｉｎ(θ＋θ)ꎮ２３２３３机器人平台总体设计采摘机器人平台主要由数据采集系统、信息处理系统和执行系统组成ꎬ如图４所示ꎮ图２机械手结构模型图Ｆｉｇ.２Ｒｏｂｏｔｍｏｄｅｌｄｉａｇｒａｍ机械手各关节处建立坐标系ꎬ坐标原点选在各关节处ꎬＸ轴正方向为连杆方向ꎬＹ轴方向则垂直于连杆方向ꎬ建立各关节处的Ｄ－Ｈ坐标系ꎮ图３为机械手连杆坐标简化图ꎮ图３机械手连杆坐标简化图Ｆｉｇ.３Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｈａｎｄｒｏｄｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｄｉａｇｒａｍ图４机器人平台总体设计结构图图１中ꎬθ为各关节的旋转角度ꎮ根据运动学计Ｆｉｇ.Ｏｖ４ｅｒａｌｌｄｅｓｉｇｎｓｔｒｕｏｆｃｔｔｈｅｕｒｏｂｏｔｒｅｐｌａｔｆｏｒｍ算坐标变换矩阵可得:第ｉ＋１个关节对应的连杆相对各系统功能如下:１)数据采集系统主要负责采集各种传感器信号ꎬ于第ｉ个关节对应的连杆的位置ꎬ公式为Ｔ＝Ａ＝包括位置传感器信号、压力传感器信号、视觉传感器ｉ＋１ｉ＋１ｃｏｓθｓｉｎθｃｏｓαｓｉｎθｓｉｎα