采摘机器人执行末端控制系统设计
来源：未知
发布日期：2019-09-23 17:41【大 中 小】
引言
机械手是通过电机机能模仿人手和臂的某些动作功能，用以 按固定程序抓取、搬运物件或操作工具的自动操作装 置。它可代替人的繁重劳动以实现生产的机械化和 自动化，不仅可以提高产品的质量与产量，而且对保 障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动 生产率、节约原材料消耗及降低生产成本具有十分重 要的意义。随着农业自动化技术的不断发展，采摘机 械人被应用到了农业生产领域，目前采摘机器人发展 的主要瓶颈是采摘效率和成功率。要想提高机器人 的作业效率和精度，需要引入稳定性好、工作效率和 控制精度较高的控制装置，而基于 PLC 的控制系统可 以满足这些设计需求，对于提高采摘机械的作业水平 具有重要的意义。
采摘机器人执行末端动作原理和设计
采摘机械人机械手执行末端是机器人的最重要 部件之一，其动作精度直接关系到采摘机器人果实定 位的精度和采摘的成功率。采摘机械手执行末端的 定位主要利用传感器来对采摘目标进行检测来确定 具体方位。传感器可以采用非接触方式感知被检测 物体的物理信息，基本结构包括传感元件、信号调节器、敏感元件和辅助装置。
工作时，被检测果实目标物通过传感器的敏感元 件被感知，然后将感知信息传递给传感元件; 传感元 件将信号进行转换( 如将模拟信号转换为数字信号) ， 再输出信号。
气缸和外连接板及气爪相连接，在活塞 的带动下外连接板运动; 导杆限制了执行末端的转 动，因此在移动时可以沿指定方向进行动作。
2 基于 PLC 的采摘执行末端控制系统设计
智能机械手是一种模拟人手臂动作的装置，可以 根据人为编程指定的动作和轨迹进行作业( 如抓取、 搬运和操作工具等) ，最重要的是机械手执行末端的 控制。三自由度机械手的作业灵活性较大，能够实现 水平、垂直和旋转动作，通过这些动作来定位待作业 的物体，然后利用执行末端进行相关作业。近年来， 采摘机器人开始被应用到农业生产，因果实成熟期间 采摘机器人的作业环境是相对复杂的，一方面果实的 数量较多，要求采摘机械手具有较高的采摘效率，另 一方面对于种类繁多的果实，要想使采摘机器人具有 通用性需要其具有较好的定位能力，采摘机器人的控 制系统设计很重要。
PLC 起初是一种专门为工业生产而设计的数字 控制电子装置，由于其体积小、操作简单、编程效率 高、功能强大而被应用到各个领域，如果将其使用在 采摘机械手执行末端控制系统的设计上，可以有效提 高机械手的作业效率。步进电机具有很好的可控性， 可以将脉冲信号转变为角位移或者线位移，其误差较 小，只有周期性误差而没有累计误差。
以某一果实的采摘为例，如果果实在采摘机械手 正下方，采摘机械手执行末端电机通过脉冲控制执行 下降、夹紧对果实进行采摘; 然后再上升和右移将果 实移动到果盘上方后，松开果实后通过上升和左移回 位。如果在同一位置范围内有多个果实，可以利用循 环控制的方式对果实进行采摘，采摘完成后通过再次 定位，采摘其他方位的果实。采摘机械手执行末端的移动主要是由 PLC 控制 · 802 · 2020 年 6 月 农 机 化 研 究 第 6 期 的步进电机来实现，步进电机的选择主要根据以下步 骤来选型。
采摘机械手执行末端控制系统测试
为了验证基于 PLC 控制系统的采摘机械手执行 末端的性能，对其各种动作进行测试，包括上移、下 移、左移、右移、旋转、加紧和松开等。PLC 的 I /O 地址分配分为输入和输出部 分: 输入部分包括夹紧按钮、松开按钮、下降按钮、上 升按钮、左移按钮和右移按钮; 输出部分包括上移、下 移、左移、右移、夹紧和松开电磁阀。根据 PLC 的设计 原理图和 I /O 端口分配，可以对采摘机械手执行末端 的动作进行编程，然后利用组态软件进行仿真调试， 验证动作方案的可行性.
结论
采摘机器人是当前农业生产过程中已经开始使 用的自动化装置，其采摘效率和精度主要受执行末端 的定位和响应效率影响较大。为此，将 PLC 控制器引 入到了机械手执行末端的控制系统的设计中，并设计 了详细的硬件结构和软件执行流程方案。为了验证 方案的可行性，采用 MCGS 组态软件对采摘机械手执 行末端 PLC 控制系统进行了测试，结 果 表 明: 基 于 PLC 控制器的采摘机械手执行末端具有较高的响应效率和定位精度，将 PLC 控制器引入到采摘机械手的 设计上对于现代自动化采摘机械的研究具有重要的 意义。
