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摘要:以采摘機器人作業系統為研究對象，對采摘過程中機器人各關節運動控制需求進行分析，并結合采摘機器人的作業環境、工作模式以及工作過程要求，設計了一種高精度、能夠快速響應并具有較高的抗干擾性能控制系統。選用直流永磁同步電機作為作業系統關機驅動電機，并對采摘機器人作業控制系統的硬件及軟件進行設計，搭建作業控制系統。實驗結果表明:控制系統能夠快速準確地進行采摘系統定位，并有效地抵抗系統部件產生的機械振動沖擊。

關鍵詞:采摘機器人;電氣控制;永磁同步電機;控制系統

0引言

果蔬采摘是果蔬種植過程中耗時耗力的一環，且具有一定的時限性，往往需要投入大量的勞動力［1］。果蔬采摘機器人可代替人工勞動，達到無害化采摘的目的，能大幅度提高采摘作業效率。采摘機器人的工作性能受自然環境的影響較大，隨著采摘對象的差異，要求采摘機器人具有一定的抗干擾能力，能夠對環境及采摘對象的變化進行快速的響應［2］。采摘機器人在作業過程中，依靠關節實現采摘動作，采摘機器人關節的控制性能直接關系到采摘機器人作業系統的整體工作性能。由于采摘機器人受外部條件的影響較大，對于機器人作業系統的驅動常采用一種伺服控制系統來提高采摘機器人的抗干擾能力和適應性［3－4］。

1采摘機器人驅動控制系統

按照動力源的不同，采摘機器人的驅動系統可分為液壓驅動、氣壓驅動以及電機驅動3種不同系統［5］。其中，液壓驅動系統具有較高的輸出功率，可實現無極調速，響應速度快，但具有較大的體積，制造維修復雜，常用于大功率采摘環境中;氣壓驅動系統輸出功率小，能夠高速運行，生產制造成本低，但抗干擾能力差;電機驅動系統中一種常用控制方式為同步電機伺服驅動系統，控制性能好，能夠快速進行指令響應，生產制造成本較高，具有較高的可靠性［6］。考慮到產量及經濟性，果蔬種植時往往具有較大的種植密度，采摘機器人要求具有較小的結構體積、采摘過程中負荷較低，主要負載來自于采摘機器人自身質量，且采摘過程中具有較高的移動速度。因此，筆者采用永磁同步電機為作業系統的驅動執行元件，電氣控制部分采用伺服控制系統，實現機器人關節運動過程中的轉速和位置快速精準調節。永磁同步電機體積小、質量輕且轉動慣量小，能夠在工作過程中進行平穩工作，同時具有過載保護功能［7］。采摘機器人主要包含運動關節及末端采摘執行器，每個機器人關節具有獨立的運動控制系統，通過上位機進行采摘機器人運動控制，每個關節運動控制系統進行電機驅動，完成響應的動作指令，實現一次采摘過程。圖1所示為采摘機器人驅動控制系統總體結構圖。

2電氣控制系統硬件結構

采摘機器人的每一次作業過程都要求具有較高的位置精度，且每一次采摘過程能夠進行快速的響應，采摘過程中無抖動，因此要求采摘機器人電機伺服控制系統具有較高的可靠性。在進行采摘機器人關節驅動控制系統設計時，以矢量控制方式為基礎，設計了一種包含電流反饋、速度反饋以及位置反饋在內的永磁同步電機控制系統。采摘機器人作業系統中關節部分伺服控制的硬件結構是整個采摘機器人功能的基本保證，如圖2所示。工作時，工控機通過視覺系統及其他傳感系統獲取采摘對象的位置信息及周圍環境信息，根據采摘對象位置與姿態信息求出機器人運動學逆解，從而獲得每一個關節的電機需要轉動的角度;目標轉動角通過PWM波傳輸至運動驅動板，并經過光電放大后產生正弦波電流，驅動永磁同步電機;編碼器將每一個關節電機的速度及位置信息進行采集，并反饋至控制板，從而實現采摘機器人作業系統中各關節電機的閉環控制。采摘機器人伺服控制系統通訊模式是一種上位機與多個下位機之間的通訊，在此選用一種平衡數字多點通訊，實現工控機與各關節之間的通訊，能夠保證系統通訊的實時有效性，且滿足采摘過程中較遠距離的通訊要求;同時，采用差分傳輸的方式，減少了噪音對通訊過程的干擾，保證采摘機器人能夠在復雜環境中進行快速響應工作。電氣系統通訊電路圖，如圖3所示。電流反饋環節通過傳感器進行轉角及位置姿態信息采集，獲取模擬量，并通過A/D轉換電路進行轉化，獲取穩定準確的采集電流。在采摘機器人作業系統控制過程中，對于末端執行器位置和速度的控制需要進行電機的位置及速度檢測，形成整個控制系統的反饋環節，從而準確地進行采摘機器人控制。文中所用編碼器采用一種增程式光電編碼器，并利用差分接收器進行脈沖控制信號轉換，信號轉換過程中通過光耦隔離減少脈沖信號的干擾。增程式編碼采集器電路圖，如圖4所示。采摘機器人功率驅動電路實現電流的轉換，根據機器人功率需求，選用220V交流電進行采摘機器人供電，采摘機器人主回路電路采用220V交流電接入機器人驅動板，并經過全波電流整流橋，在濾波電路中進行濾波，從而得到穩定的直流電壓。在進行永磁同步電機控制過程中，為了實現閉環控制，必須精確采集電機兩相的電流值，并計算出第三相電流。

3電氣控制系統軟件設計

采摘機器人永磁同步電機控制系統使用單上位機和多下位機并存的控制通訊方式，每一個電機控制系統接收到上位機控制指令后，進行中斷程序觸發，實現電機的啟動;電機快速旋轉至指定角度位置，中斷程序結束，并向上位機進行執行結果的反饋。采摘機器人主程序流程圖，如圖5所示。采摘機器人中斷程序包含電機轉子角度信息、速度檢測計算、通電電流采集以及其他相關控制程序，完整的中斷程序是永磁同步電機控制系統的主要控制流程，并直接影響著控制系統的性能。采摘機器人中斷程序流程圖，如圖6所示。采摘機器人在進行永磁同步電機控制系統的閉環控制過程中，采用電流環、速度環和位置環進行相關信息的反饋，采摘機器人閉環控制軟件流程如圖7所示。

4作業系統實驗分析

采摘機器人控制系統設計優化完成后，進行系統搭建。上位機選用工控機，并通過雙絞線與各關節控制系統連接，實現各關節控制系統與工控機之間的相互通訊。選用220V交流電為系統電源，并經過變壓后輸出24V直流電源，作為控制系統的開關電源，對運動控制板進行供電。選用4個磁極的永磁同步電機作為機器人關節驅動電機，電感為6．55mH，電阻為0．901Ω，轉子磁鏈0．031Wb，轉動慣量為1．2×10－4kg·m2。硬件系統搭建完成后，在測試實驗區域內不同位置設置5個采摘對象，其坐標點分別為(100，100，100)、(150，200，100)、(50，100，150)、(100，100，50)、(150，150，200)，對采摘機器人作業過程中末端執行器的位置信息、速度以及加速度進行監測。采摘機器人作業系統末端執行器位置曲線，如圖8所示。由圖8可看出:采摘機器人在作業過程中，能夠快速準確地運動至采摘對象所在位置，在采摘對象附近位置，作業系統速度發生波動，并在采摘過程中處于靜止狀態;采摘完成后，迅速移動至下一采摘對象。采摘機器人作業系統末端執行器速度曲線，如圖9所示。由圖9可看出:在運動至采摘對象時，作業系統能夠平穩進行減速，減少了采摘機器人由于動量產生的系統沖擊。采摘機器人作業系統末端執行器加速度曲線，如圖10所示。由圖10可看出:采摘機器人在作業過程中，加速度不斷的變化，說明在作業過程中，采摘機器人驅動電機需不斷承受由末端產生的機械振動。

5結論

所設計的采摘機器人作業控制系統對永磁同步電機的作業運動過程進行實時閉環控制，具有較高的響應響度，能夠有效地對作業過程中的干擾因素進行抵抗。在作業過程中能夠準確進行采摘對象定位，各機器人關節在電機驅動過程中具有一定的緩沖能力，能夠對機械部件的沖擊進行有效的抵抗。試驗結果表明:伺服控制系統具有較高的可靠性，可為采摘機器人作業過程的精密控制提供理論基礎。

作者:張志豐 單位:鄭州電力職業技術學院