采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

1、采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究摘要：在不斷深化創(chuàng)新教育的背景下，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力迫在眉睫。筆者利用高職教師現(xiàn)有的科研項(xiàng)目，通過項(xiàng)目化的專業(yè)實(shí)踐與雙創(chuàng)教育的有機(jī)結(jié)合，設(shè)計(jì)了一款多臺(tái)采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)，并完成了控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)。仿真結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)集散控制系統(tǒng)（DCS）對多臺(tái)采摘機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測與精確控制，解決多臺(tái)采摘機(jī)器人同時(shí)作業(yè)時(shí)相互干擾、效率低的問題，同時(shí)優(yōu)化采摘端的傳感器、PLC控制器、通信模塊RS-485等硬件設(shè)計(jì)。教改實(shí)踐證明，項(xiàng)目化實(shí)踐和雙創(chuàng)教育的結(jié)合，既有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，又有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。關(guān)鍵詞：專業(yè)教育；雙創(chuàng)教育；DCS；PLC；采

2、摘機(jī)器人近年來，國家新一輪供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的戰(zhàn)略提出，其主要目的是以創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展，在此背景下，2017年2月，教育部提出“新工科”的概念，此舉是為了提高高等教育中工科的創(chuàng)新能力。新工科專業(yè)的內(nèi)核是以新興的產(chǎn)業(yè)為核心，將智能制造、人工智能等用于傳統(tǒng)的工科專業(yè)改革。同時(shí)，對于高職的工科專業(yè)來說，需要專業(yè)教育與雙創(chuàng)教育融合培養(yǎng)，這樣才能培養(yǎng)出實(shí)踐能力更強(qiáng)、創(chuàng)新能力更強(qiáng)、具有國際競爭力的高端技能人才。在此背景下，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力迫在眉睫，以學(xué)生導(dǎo)師現(xiàn)有的研究方向?yàn)橹敢?，提高學(xué)生自主創(chuàng)新的工程能力，在理論上設(shè)計(jì)一款基于集散控制系統(tǒng)（DCS）的采摘機(jī)器人，通過此項(xiàng)目的設(shè)計(jì)培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)創(chuàng)新工程能力。

3、1設(shè)計(jì)思路集散控制系統(tǒng)（DCS）在現(xiàn)代自動(dòng)化控制系統(tǒng)中有著重要的地位，對于多控制對象有著良好的控制精度和效果。此次控制的對象為果蔬采摘機(jī)器人，解決采摘機(jī)器人只能單體控制不能進(jìn)行多個(gè)采摘機(jī)器人綜合控制的問題。多個(gè)采摘機(jī)器人在同時(shí)運(yùn)作過程中易出現(xiàn)相互干擾的現(xiàn)象，導(dǎo)致多個(gè)采摘機(jī)器人協(xié)同作業(yè)效率低、對目標(biāo)識(shí)別不精確等。針對此種現(xiàn)象，采用集散控制系統(tǒng)（DCS）作為多個(gè)采摘機(jī)器人的控制核心，同時(shí)在外部加入PLC技術(shù)、傳感器技術(shù)，對多個(gè)采摘機(jī)器人進(jìn)行控制和運(yùn)動(dòng)參數(shù)監(jiān)測，并保證控制系統(tǒng)與外部設(shè)備數(shù)據(jù)的傳輸，最終達(dá)到多個(gè)采摘機(jī)器人按控制要求同時(shí)動(dòng)作的目的1。2DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集散控制系統(tǒng)（DCS）由現(xiàn)場檢測儀

4、表、執(zhí)行器、傳感器、現(xiàn)場控制站、控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場操作員站、數(shù)據(jù)采集站、工程師站等組成，如圖1所示1。其中，現(xiàn)場儀表、傳感器等是組成控制系統(tǒng)的末端，是控制系統(tǒng)的“四肢”；現(xiàn)場控制站是集散控制系統(tǒng)（DCS）的核心，是控制系統(tǒng)的“大腦”2；控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)（MentSent）是數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆窂?，是控制系統(tǒng)的“神經(jīng)”；服務(wù)器和功能站主要功能是存儲(chǔ)、監(jiān)視等。正常情況下一個(gè)完整的集散控制系統(tǒng)（DCS）包括現(xiàn)場控制站、現(xiàn)場儀表、傳感器、操作員站、工程師站及控制網(wǎng)絡(luò)等3。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)本次多臺(tái)采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)是基于集散控制系統(tǒng)（DCS）建成的，在DCS典型控制結(jié)構(gòu)上進(jìn)行升級與優(yōu)化，在控制體系中加入了西門子PLC

5、S7-1500控制器、控制通信模塊RS-485、現(xiàn)場傳感器、現(xiàn)場執(zhí)行器、多臺(tái)采摘機(jī)器人，具體組成如圖2所示1。控制系統(tǒng)設(shè)備的具體功能如下：主控制站是系統(tǒng)的“大腦”，主要功能是對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理與計(jì)算，同時(shí)實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)參數(shù)，后利用控制通信模塊RS-485將接收的PLC數(shù)據(jù)通過計(jì)算和優(yōu)化后再傳回到PLC控制器中，通過PLC將控制數(shù)據(jù)下載到現(xiàn)場的執(zhí)行器中?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成為控制通信模塊RS-4854，通信方式為半雙工式串口，主要功能為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場主控制站、現(xiàn)場執(zhí)行器、采摘機(jī)器人、PLC之間的數(shù)據(jù)通信。控制系統(tǒng)的控制邏輯為現(xiàn)場中控站與PLC通信，并通過PLC對采摘機(jī)器人發(fā)出控制指令，PLC可

6、以在線編輯并在線實(shí)時(shí)通信，對采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)實(shí)時(shí)優(yōu)化參數(shù)并把數(shù)據(jù)傳回采摘機(jī)器人執(zhí)行端，完成相應(yīng)動(dòng)作。DCS主控制站RS-485通信機(jī)器人1機(jī)器人2機(jī)器人3通信端口PLC-西門子S7-1500傳感器1（位置）傳感器2（視覺）傳感器N（壓力）機(jī)械手執(zhí)行模塊圖2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案如圖2所示的控制系統(tǒng)中的現(xiàn)場設(shè)備包含各類傳感器、控制模塊。其中，位置傳感器用于感知采摘機(jī)器人的空間位置，壓力傳感器用于感知采摘機(jī)器人機(jī)械手的夾持力，視覺傳感器用于識(shí)別周圍環(huán)境，碰撞傳感器用于感知機(jī)械手碰撞壓力，通過多種傳感器保證采摘機(jī)器人的動(dòng)作精度和采摘效果5。4控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1現(xiàn)場主控制站設(shè)計(jì)現(xiàn)場主控

7、制站是控制系統(tǒng)的核心部件，需要對多臺(tái)采摘機(jī)器人進(jìn)行控制，對PLC控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，其控制核心處理器要求數(shù)據(jù)處理速度快、功能可靠、功耗低等。本文現(xiàn)場控制站選擇的處理器芯片型號為LPC2106，其功能為32位程序下可以保持操作頻率范圍最大為25MHz，其外接I/O口多達(dá)32個(gè)，F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器為128kB6。在實(shí)際應(yīng)用過程中容易出現(xiàn)現(xiàn)場控制主站電壓過低的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致控制芯片LPC2106執(zhí)行程序錯(cuò)誤，在這種情況下需要對主機(jī)控制器進(jìn)行復(fù)位。因此需要外加以IMP812監(jiān)控器為核心的硬件復(fù)位電路，具體電路圖如圖3所示1。4.2通信模塊RS-485設(shè)計(jì)通信模塊RS-485是控制系統(tǒng)中的

8、“神經(jīng)”節(jié)點(diǎn)，其功能是現(xiàn)場的傳感器、PLC控制器數(shù)據(jù)都要向現(xiàn)場主控制站傳輸數(shù)據(jù)并進(jìn)行通信，其過程為將現(xiàn)場的模擬信號轉(zhuǎn)換成通信模塊RS-485總線上的數(shù)字信號，再控制芯片LPC2106進(jìn)行識(shí)別。通信模塊RS-485采用無源轉(zhuǎn)換器，對總線上模擬、數(shù)字信號進(jìn)行隔離處理，提高數(shù)據(jù)的處理效率和準(zhǔn)確性7。通信模塊RS-485轉(zhuǎn)換器的工作原理為通過光電耦合技術(shù)對輸入輸出信號進(jìn)行物理隔離，屏蔽外界干擾信號，提高通信模塊RS-485電路抗干擾能力8。4.3PLC控制器輸入輸出端口（I/O）分配多臺(tái)采摘機(jī)器人的控制系統(tǒng)是在集散控制系統(tǒng)（DCS）上搭建而成的，通過PLC對多臺(tái)采摘機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。PLC

9、控制器對應(yīng)不同的信號模塊可以檢測不同類型輸入輸出信號，可以同時(shí)對多路信號進(jìn)行采集9。本文中PLC控制器選擇西門子S7-1500，具有6通道400kHz高速計(jì)數(shù)，最大輸入輸出為32DI/32DO。多臺(tái)采摘機(jī)器人的控制標(biāo)準(zhǔn)相同，運(yùn)動(dòng)參數(shù)與控制方式相同，西門子S7-1500輸入輸出信號進(jìn)行輸入輸出端口（I/O）分配，輸入端分別對應(yīng)起始開關(guān)、四個(gè)方向限位開關(guān)、四個(gè)方向動(dòng)作鍵、機(jī)械手動(dòng)作按鈕；輸出端對應(yīng)四方向電磁閥移動(dòng)、電磁閥動(dòng)作按鈕等，通過西門子S7-1500可以使運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)得到分析與處理。采摘機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)主要集中在機(jī)械手的空間極限位置、機(jī)械手動(dòng)作、現(xiàn)場設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。5控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)多臺(tái)機(jī)器

10、人的控制系統(tǒng)的軟件程序由兩部分組成，分別是現(xiàn)場控制站的控制程序和現(xiàn)場設(shè)備的控制程序?，F(xiàn)場控制站的控制程序是控制系統(tǒng)的主程序，主要用于下級傳輸信號的分析與處理，如對采摘對象的圖像處理、現(xiàn)場設(shè)備信息處理和機(jī)械臂動(dòng)作運(yùn)動(dòng)軌跡分析等；現(xiàn)場設(shè)備的控制程序主要作用是對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行參數(shù)控制，具體控制某臺(tái)設(shè)備?，F(xiàn)場控制站的控制程序和現(xiàn)場設(shè)備的控制程序主要使用通信模塊RS-485，從而保證兩部分的數(shù)據(jù)在傳輸過程中互不干擾10?？刂葡到y(tǒng)的工作程序如下：主控制程序啟動(dòng)后開始初始化，完成后激活各個(gè)傳感器，其中視覺傳感器開始工作采集目標(biāo)圖像數(shù)據(jù)，分析目標(biāo)是否在圖像中心；若采摘目標(biāo)在圖像中心，則通過通信模塊RS-485向

11、現(xiàn)場設(shè)備控制器發(fā)送控制指令11；現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動(dòng)機(jī)械臂、旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)、電動(dòng)推桿等，使機(jī)械手向采摘目標(biāo)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，在執(zhí)行機(jī)構(gòu)上的各個(gè)傳感器不斷采集機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，通過通信模塊RS-485回傳至主控制站進(jìn)行反饋，不斷修正機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡；采摘機(jī)器人機(jī)械手到達(dá)目標(biāo)附近后，采摘機(jī)械手的位置傳感器、避障傳感器啟動(dòng)，通過前期的程序規(guī)劃和數(shù)據(jù)分析完成路徑動(dòng)作，并控制機(jī)械手對目標(biāo)進(jìn)行切刀，完成對目標(biāo)的采摘12-13。6結(jié)論通過本文的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)采摘機(jī)器人的精確控制，也可解決多臺(tái)采摘機(jī)器人在同時(shí)動(dòng)作時(shí)相互干擾、作業(yè)效率低的問題。課題組深入研究了多臺(tái)采摘機(jī)器人以集散控制系統(tǒng)（DCS）作為控制核心的工作原理與控制結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)現(xiàn)場控制站對多臺(tái)采摘機(jī)器人的整體控制，對多臺(tái)采摘機(jī)器人的傳感器、圖像處理、執(zhí)行機(jī)構(gòu)參數(shù)的分析與處