电气控制下采摘机器人作业系统探究

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摘要:以采摘机器人作业系统为研究对象，对采摘过程中机器人各关节运动控制需求进行分析，并结合采摘机器人的作业环境、工作模式以及工作过程要求，设计了一种高精度、能够快速响应并具有较高的抗干扰性能控制系统。选用直流永磁同步电机作为作业系统关机驱动电机，并对采摘机器人作业控制系统的硬件及软件进行设计，搭建作业控制系统。实验结果表明:控制系统能够快速准确地进行采摘系统定位，并有效地抵抗系统部件产生的机械振动冲击。

关键词:采摘机器人;电气控制;永磁同步电机;控制系统

0引言

果蔬采摘是果蔬种植过程中耗时耗力的一环，且具有一定的时限性，往往需要投入大量的劳动力［1］。果蔬采摘机器人可代替人工劳动，达到无害化采摘的目的，能大幅度提高采摘作业效率。采摘机器人的工作性能受自然环境的影响较大，随着采摘对象的差异，要求采摘机器人具有一定的抗干扰能力，能够对环境及采摘对象的变化进行快速的响应［2］。采摘机器人在作业过程中，依靠关节实现采摘动作，采摘机器人关节的控制性能直接关系到采摘机器人作业系统的整体工作性能。由于采摘机器人受外部条件的影响较大，对于机器人作业系统的驱动常采用一种伺服控制系统来提高采摘机器人的抗干扰能力和适应性［3－4］。

1采摘机器人驱动控制系统

按照动力源的不同，采摘机器人的驱动系统可分为液压驱动、气压驱动以及电机驱动3种不同系统［5］。其中，液压驱动系统具有较高的输出功率，可实现无极调速，响应速度快，但具有较大的体积，制造维修复杂，常用于大功率采摘环境中;气压驱动系统输出功率小，能够高速运行，生产制造成本低，但抗干扰能力差;电机驱动系统中一种常用控制方式为同步电机伺服驱动系统，控制性能好，能够快速进行指令响应，生产制造成本较高，具有较高的可靠性［6］。考虑到产量及经济性，果蔬种植时往往具有较大的种植密度，采摘机器人要求具有较小的结构体积、采摘过程中负荷较低，主要负载来自于采摘机器人自身质量，且采摘过程中具有较高的移动速度。因此，笔者采用永磁同步电机为作业系统的驱动执行元件，电气控制部分采用伺服控制系统，实现机器人关节运动过程中的转速和位置快速精准调节。永磁同步电机体积小、质量轻且转动惯量小，能够在工作过程中进行平稳工作，同时具有过载保护功能［7］。采摘机器人主要包含运动关节及末端采摘执行器，每个机器人关节具有独立的运动控制系统，通过上位机进行采摘机器人运动控制，每个关节运动控制系统进行电机驱动，完成响应的动作指令，实现一次采摘过程。图1所示为采摘机器人驱动控制系统总体结构图。

2电气控制系统硬件结构

采摘机器人的每一次作业过程都要求具有较高的位置精度，且每一次采摘过程能够进行快速的响应，采摘过程中无抖动，因此要求采摘机器人电机伺服控制系统具有较高的可靠性。在进行采摘机器人关节驱动控制系统设计时，以矢量控制方式为基础，设计了一种包含电流反馈、速度反馈以及位置反馈在内的永磁同步电机控制系统。采摘机器人作业系统中关节部分伺服控制的硬件结构是整个采摘机器人功能的基本保证，如图2所示。工作时，工控机通过视觉系统及其他传感系统获取采摘对象的位置信息及周围环境信息，根据采摘对象位置与姿态信息求出机器人运动学逆解，从而获得每一个关节的电机需要转动的角度;目标转动角通过PWM波传输至运动驱动板，并经过光电放大后产生正弦波电流，驱动永磁同步电机;编码器将每一个关节电机的速度及位置信息进行采集，并反馈至控制板，从而实现采摘机器人作业系统中各关节电机的闭环控制。采摘机器人伺服控制系统通讯模式是一种上位机与多个下位机之间的通讯，在此选用一种平衡数字多点通讯，实现工控机与各关节之间的通讯，能够保证系统通讯的实时有效性，且满足采摘过程中较远距离的通讯要求;同时，采用差分传输的方式，减少了噪音对通讯过程的干扰，保证采摘机器人能够在复杂环境中进行快速响应工作。电气系统通讯电路图，如图3所示。电流反馈环节通过传感器进行转角及位置姿态信息采集，获取模拟量，并通过A/D转换电路进行转化，获取稳定准确的采集电流。在采摘机器人作业系统控制过程中，对于末端执行器位置和速度的控制需要进行电机的位置及速度检测，形成整个控制系统的反馈环节，从而准确地进行采摘机器人控制。文中所用编码器采用一种增程式光电编码器，并利用差分接收器进行脉冲控制信号转换，信号转换过程中通过光耦隔离减少脉冲信号的干扰。增程式编码采集器电路图，如图4所示。采摘机器人功率驱动电路实现电流的转换，根据机器人功率需求，选用220V交流电进行采摘机器人供电，采摘机器人主回路电路采用220V交流电接入机器人驱动板，并经过全波电流整流桥，在滤波电路中进行滤波，从而得到稳定的直流电压。在进行永磁同步电机控制过程中，为了实现闭环控制，必须精确采集电机两相的电流值，并计算出第三相电流。

3电气控制系统软件设计

采摘机器人永磁同步电机控制系统使用单上位机和多下位机并存的控制通讯方式，每一个电机控制系统接收到上位机控制指令后，进行中断程序触发，实现电机的启动;电机快速旋转至指定角度位置，中断程序结束，并向上位机进行执行结果的反馈。采摘机器人主程序流程图，如图5所示。采摘机器人中断程序包含电机转子角度信息、速度检测计算、通电电流采集以及其他相关控制程序，完整的中断程序是永磁同步电机控制系统的主要控制流程，并直接影响着控制系统的性能。采摘机器人中断程序流程图，如图6所示。采摘机器人在进行永磁同步电机控制系统的闭环控制过程中，采用电流环、速度环和位置环进行相关信息的反馈，采摘机器人闭环控制软件流程如图7所示。

4作业系统实验分析

采摘机器人控制系统设计优化完成后，进行系统搭建。上位机选用工控机，并通过双绞线与各关节控制系统连接，实现各关节控制系统与工控机之间的相互通讯。选用220V交流电为系统电源，并经过变压后输出24V直流电源，作为控制系统的开关电源，对运动控制板进行供电。选用4个磁极的永磁同步电机作为机器人关节驱动电机，电感为6．55mH，电阻为0．901Ω，转子磁链0．031Wb，转动惯量为1．2×10－4kg·m2。硬件系统搭建完成后，在测试实验区域内不同位置设置5个采摘对象，其坐标点分别为(100，100，100)、(150，200，100)、(50，100，150)、(100，100，50)、(150，150，200)，对采摘机器人作业过程中末端执行器的位置信息、速度以及加速度进行监测。采摘机器人作业系统末端执行器位置曲线，如图8所示。由图8可看出:采摘机器人在作业过程中，能够快速准确地运动至采摘对象所在位置，在采摘对象附近位置，作业系统速度发生波动，并在采摘过程中处于静止状态;采摘完成后，迅速移动至下一采摘对象。采摘机器人作业系统末端执行器速度曲线，如图9所示。由图9可看出:在运动至采摘对象时，作业系统能够平稳进行减速，减少了采摘机器人由于动量产生的系统冲击。采摘机器人作业系统末端执行器加速度曲线，如图10所示。由图10可看出:采摘机器人在作业过程中，加速度不断的变化，说明在作业过程中，采摘机器人驱动电机需不断承受由末端产生的机械振动。

5结论

所设计的采摘机器人作业控制系统对永磁同步电机的作业运动过程进行实时闭环控制，具有较高的响应响度，能够有效地对作业过程中的干扰因素进行抵抗。在作业过程中能够准确进行采摘对象定位，各机器人关节在电机驱动过程中具有一定的缓冲能力，能够对机械部件的冲击进行有效的抵抗。试验结果表明:伺服控制系统具有较高的可靠性，可为采摘机器人作业过程的精密控制提供理论基础。

作者:张志丰 单位:郑州电力职业技术学院