三爪氣動(dòng)無(wú)損采摘機(jī)械手設(shè)計(jì)

李秉旭

(佳木斯大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154003)

當(dāng)今，作為食用性農(nóng)產(chǎn)品的水果已成為人們生活中不能缺少的一部分[1]。果蔬生產(chǎn)作業(yè)中，收獲采摘是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。而現(xiàn)今，老齡化的人口、日益短缺的勞動(dòng)力等因素都使采摘成本日漸提高。因此，對(duì)采摘機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用，具有重要意義[2]。

水果組織柔軟易損且尺寸大小不一，其在收獲采摘的過(guò)程中，極易受到機(jī)械損傷，致使經(jīng)濟(jì)效益下降，所以對(duì)采摘機(jī)器人的末端執(zhí)行器提出了無(wú)損采摘的要求[3]。與此同時(shí)，在蔬果果實(shí)中，類(lèi)球形果實(shí)占比較大[4-7]。針對(duì)這類(lèi)果蔬，可以采用一種采摘機(jī)器人，僅對(duì)末端執(zhí)行器的部分參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整即可。基于此，擬設(shè)計(jì)的三爪氣動(dòng)無(wú)損采摘機(jī)械手，將針對(duì)球形及類(lèi)球形果實(shí)的無(wú)損采摘進(jìn)行設(shè)計(jì)，以達(dá)到降低果蔬損傷，提高采摘質(zhì)量的目的[8-11]。

1 三爪采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本機(jī)構(gòu)可根據(jù)其各部分在果實(shí)采摘過(guò)程中完成的主要?jiǎng)幼?，劃分為夾持機(jī)構(gòu)和采摘機(jī)構(gòu)[12-17]。三爪采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三爪采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)示意圖1.真空發(fā)生器；2.三爪氣缸；3.移動(dòng)底座；4.采摘爪；5.壓力傳感器；6.真空吸盤(pán)；7.移動(dòng)滑塊；8.上拉桿；9.下拉桿；10.連接盤(pán)；11.旋轉(zhuǎn)氣缸

2 三爪采摘機(jī)械手氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)損采摘?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)原理圖如圖2所示，設(shè)計(jì)的無(wú)損采摘?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)主要包含有空氣壓縮機(jī)、氣源三聯(lián)件等氣動(dòng)元件[18-20]，主要由吸附氣動(dòng)子系統(tǒng)、夾持氣動(dòng)子系統(tǒng)和采摘?dú)鈩?dòng)子系統(tǒng)三部分組成。

圖2 無(wú)損采摘?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)原理圖1.空氣壓縮機(jī)；2.安全閥；3.氣源三聯(lián)件；4.截止閥；5.二位二通先導(dǎo)式電磁換向閥；6.真空發(fā)生器；7.真空吸盤(pán)；8.消音器；9.比例壓力閥；10.二位五通先導(dǎo)式電磁換向閥；11.手動(dòng)節(jié)流閥；12.壓力傳感器；13.三爪氣缸；14.手動(dòng)調(diào)壓閥；15.三位五通先導(dǎo)式電磁換向閥；16.手動(dòng)節(jié)流閥；17.旋轉(zhuǎn)氣缸

3 三爪采摘機(jī)械手控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為一種控制器，PLC被廣泛應(yīng)用于各種控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。其中，西門(mén)子公司的S7-200系列具有許多優(yōu)勢(shì)，是PLC中具有代表性的產(chǎn)品。通過(guò)S7-200CPU與不同功能模塊的配合，可以拓展出很多不同的功能，同時(shí)還可以根據(jù)控制要求完成相應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[21]。在本設(shè)計(jì)中，首先對(duì)控制流程進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，提出了夾持力控制算法。然后在傳感系統(tǒng)中運(yùn)用壓力傳感器實(shí)現(xiàn)力的閉環(huán)反饋，達(dá)到無(wú)損采摘這一設(shè)計(jì)要求。最后，選用西門(mén)子公司主機(jī)型號(hào)為CPU224/AC/DC/RLY的PLC(S7-200系列)，同時(shí)外加一臺(tái)擴(kuò)展模塊EM235，以完成對(duì)本設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[22-25]。

3.1 采摘過(guò)程控制

本設(shè)計(jì)的三爪采摘機(jī)械手是在其真空吸盤(pán)與采摘對(duì)象表面已經(jīng)接觸的前提下，對(duì)果實(shí)的采摘過(guò)程進(jìn)行控制的?？刂屏鞒涕_(kāi)始時(shí)，首先進(jìn)行夾持氣動(dòng)系統(tǒng)的壓力初始化工作，此時(shí)的初始?jí)毫δ軌蚴谷飧走M(jìn)行空載運(yùn)動(dòng)，且初始?jí)毫Ξa(chǎn)生的夾持力不會(huì)對(duì)采摘對(duì)象造成損害。然后二位二通先導(dǎo)式電磁換向閥上電，真空吸盤(pán)便會(huì)產(chǎn)生真空，對(duì)采摘對(duì)象進(jìn)行吸附動(dòng)作。在初始夾持壓力下，采摘爪由二位五通先導(dǎo)式電磁換向閥控制，開(kāi)始進(jìn)行對(duì)采摘對(duì)象的夾持動(dòng)作。與此同時(shí)，開(kāi)始進(jìn)行關(guān)于壓力傳感器信息的采集工作。

當(dāng)壓力為零時(shí)，說(shuō)明采摘爪還未與采摘對(duì)象表面接觸，此時(shí)將繼續(xù)對(duì)壓力傳感器的信息進(jìn)行采集。當(dāng)壓力不為零時(shí)，說(shuō)明采摘爪已經(jīng)與采摘對(duì)象表面接觸，此時(shí)將控制比例壓力閥對(duì)夾持氣動(dòng)子系統(tǒng)壓力進(jìn)行逐步提升，并對(duì)采摘爪夾持力進(jìn)行采樣工作。當(dāng)下述不等式成立時(shí)：

(Pn-Pn-1)/t≥K

(1)

式中：Pn是當(dāng)前夾持力；Pn-1是上一時(shí)刻夾持力；t是采樣周期；K是壓力變化速率閾值。

該式表達(dá)的含義是：當(dāng)壓力變化速率超過(guò)閾值K(K值可由試驗(yàn)獲取)時(shí)，比例壓力閥就停止增壓。在此壓力下，機(jī)械手已經(jīng)夾持住了采摘對(duì)象，且不會(huì)對(duì)果實(shí)造成損傷。同時(shí)，二位二通電磁換向閥斷電，停止吸附動(dòng)作。最后，三位五通先導(dǎo)式電磁換向閥啟動(dòng)，完成扭斷果梗動(dòng)作。

3.2 PLC外部接線(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中，用啟動(dòng)按鈕與停止按鈕實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)啟停；每個(gè)采摘爪內(nèi)部都設(shè)有一個(gè)壓力傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)采摘爪夾持力的大小，根據(jù)夾持力的大小，運(yùn)用夾持力控制算法對(duì)比例壓力閥的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；用接觸器KM1、KM2、KM3、KM4分別控制電磁閥1YA、2YA、3YA、4YA，用來(lái)控制吸盤(pán)吸附果實(shí)、三爪氣缸閉合、旋轉(zhuǎn)氣缸正轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)氣缸反轉(zhuǎn)。PLC外部接線(xiàn)圖如圖3所示。表1為輸入信號(hào)分配表，表2為輸出信號(hào)分配表。

表1 輸入信號(hào)分配表

表2 輸出信號(hào)分配表

圖3 PLC外部接線(xiàn)圖

3.3 模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序

本設(shè)計(jì)運(yùn)用V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行程序編寫(xiě)工作。編寫(xiě)程序時(shí)應(yīng)當(dāng)注意數(shù)據(jù)類(lèi)型一致問(wèn)題，必要時(shí)應(yīng)當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型的轉(zhuǎn)換。表4為模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序變量表，為模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序如圖4與圖5所示。

圖4 模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序(網(wǎng)絡(luò)1)

圖5 模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序(網(wǎng)絡(luò)2)

表3中的實(shí)高即為實(shí)際工程值高限，實(shí)低即為實(shí)際工程值低限，模擬值即為PLC中AIW0(或AIW2，又或AIW4)的模擬值，模低即為模擬值低限，模高即為模擬值高限，實(shí)際值即為實(shí)際工程值X(夾持力)。

表3 模擬量輸入轉(zhuǎn)換子程序變量表

網(wǎng)絡(luò)1進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換，將模擬值、模低、模高三個(gè)整數(shù)型轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)型，再轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型。網(wǎng)絡(luò)2利用模擬量/數(shù)字量轉(zhuǎn)換公式，進(jìn)行實(shí)數(shù)計(jì)算。

3.4 模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序

模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序變量表見(jiàn)表4，圖6～8為模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序，編寫(xiě)程序時(shí)還應(yīng)注意數(shù)據(jù)類(lèi)型一致。

表4 模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序變量表

圖6 模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序(網(wǎng)絡(luò)1)

圖7 模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序(網(wǎng)絡(luò)2)

圖8 模擬量輸出轉(zhuǎn)換子程序(網(wǎng)絡(luò)3)

表4中的實(shí)高即為實(shí)際工程值高限，實(shí)低即為實(shí)際工程值低限，實(shí)際值即為實(shí)際工程值Y(比例壓力閥開(kāi)度)，模低即為模擬值低限，模高即為模擬值高限，模擬值即為PLC中AQW0的模擬值。

網(wǎng)絡(luò)1進(jìn)行數(shù)據(jù)類(lèi)型轉(zhuǎn)換，將模高、模低兩個(gè)整數(shù)型轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)型，再轉(zhuǎn)換為實(shí)數(shù)型。網(wǎng)絡(luò)2利用數(shù)字量/模擬量轉(zhuǎn)換公式，將模擬值轉(zhuǎn)換為雙整數(shù)型，再轉(zhuǎn)換為整數(shù)型。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)主要從三爪采摘機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、無(wú)損采摘?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)三爪采摘機(jī)械手與無(wú)損采摘?dú)鈩?dòng)系統(tǒng)兩部分的末端執(zhí)行器展開(kāi)了設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)取得以下成果：

(1)運(yùn)用了壓力傳感器，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)采摘爪夾持力的大小。配合夾持力控制算法，能夠?qū)Ρ壤龎毫﹂y實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，及時(shí)改變夾持氣動(dòng)系統(tǒng)壓力，對(duì)夾持力的大小形成了及時(shí)的反饋調(diào)節(jié)。在采摘過(guò)程中，機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定夾持且不損傷果實(shí)的效果，提高了采摘質(zhì)量，降低了采摘作業(yè)中因果實(shí)損傷造成的經(jīng)濟(jì)損失。

(2)在對(duì)不同種類(lèi)或尺寸的采摘對(duì)象進(jìn)行采摘時(shí)，對(duì)采摘爪夾持力大小的要求應(yīng)當(dāng)不同。在進(jìn)行采摘作業(yè)前，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行采摘試驗(yàn)，確定能夠使機(jī)械手達(dá)到無(wú)損采摘要求的相應(yīng)參數(shù)值(壓力變化速率的閾值K)。根據(jù)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)，只需在控制系統(tǒng)主程序中，對(duì)相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行修改，就能保證對(duì)不同果實(shí)的無(wú)損采摘，所以本設(shè)計(jì)具有操作簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)還存在一些不足之處：由于本設(shè)計(jì)是針對(duì)采摘機(jī)械手的末端執(zhí)行器展開(kāi)設(shè)計(jì)的，所以在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還需對(duì)采摘機(jī)械手的其他部分(如機(jī)械臂等結(jié)構(gòu))展開(kāi)相應(yīng)設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)完整且可應(yīng)用。在進(jìn)行采摘作業(yè)時(shí)，采摘機(jī)械手除具備檢測(cè)夾持力是否合適的能力外，還應(yīng)具備獲取采摘對(duì)象空間位置信息，判斷采摘對(duì)象是否進(jìn)入到末端執(zhí)行器內(nèi)部，判斷末端執(zhí)行器是否執(zhí)行了夾持動(dòng)作，確保末端執(zhí)行器未與樹(shù)枝或其他果實(shí)發(fā)生碰撞的能力，因此在本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)在采摘機(jī)械手末端執(zhí)行器部分增設(shè)視覺(jué)、位置、碰撞等傳感器實(shí)現(xiàn)上述功能。此外，由于本設(shè)計(jì)采用的是扭斷果梗的方式實(shí)現(xiàn)果實(shí)與果束分離，所以不適用于一些質(zhì)軟果實(shí)的采摘。