（农业机械化工程专业论文）番茄采摘机器人夹持系统的加减速过程研究.pdf

江苏人学硕士学位论文 摘要 番茄采摘机器人央持系统的夹持过程是一个具有高速碰撞的加减速过程，在 连续央持过程中电动机耗能较大。而采摘机器人通常情况下都是在田间长时问作 业，采用蓄电池供电，蓄电池的蓄电量较为有限，因此如何减少夹持过程中的电 动机耗能是一个很有实际意义的课题。本文对基于能量最优的央持系统加减速过 程进行研究，开展的主要工作有： 1 研究了p m a c 运动控制器中理想加减速控制算法的最小耗能和梯形、二次 样条曲线、s 曲线加减速算法的速度函数，然后根据速度函数与电机耗能之间的 关系求出了各加减速控制算法的耗能函数，并通过m a t l a b 编程求最小值，发现 当梯形曲线的加速时自j 和二次样条曲线的加加速时间分别设为3 和t 6 ；s 曲 线的加加速时间和匀加速时间设为o o lr 4 w o 3 2 乃能够分别获得加减速算法基 于能量最优的速度轮廓。 2 研究了不同加减速算法在不同时问设置情况下的耗能，通过与最优速度 轮廓的耗能比较，发现同一算法在不同时间参数设置时耗能差别明显，此外不同 算法之间的耗能水平也有明显差别。因此综合考虑系统的平稳性和耗能因素对采 摘机器人夹持系统的影响，对央持系统的加减速过程选择使用f j 、t 2 分别为0 0 1 t 和0 3 2 t 的s 曲线加减速控制算法。 3 研究了半熟期番茄受力与变形关系，得出在弹性阶段番茄受力与变形呈 线性关系，判断利用番茄受力与变形的关系对番茄进行稳定可靠夹持控制策略是 可行的。 4 研究了准静态条件下采摘机器人柔性夹持系统电机输入电流( 力矩) 与 手指央持力之间的关系，并建立了数学模型；通过手指稳定夹持力实验说明了重 量差异较小的番茄可以使用同一稳定央持力央持。 5 研究了手指运动速度与夹持力之间的关系，得出在稳定央持力范围内电 机的匀速段运动速度范围，最后以耗能和速度为指标，通过m a t l a b 编程寻优， 得出当输入电机电流为8 0 0 m a ，电机在s 曲线加减速过程中的匀速段速度为 3 0 0 0 r p m 时，可以得到在单位时间内电机运动的耗能最小，稳定抓取效率较高。 关键词：采摘机器人加减速算法能量最优p m a c 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nf a c t , t h eg r i p p i n gp r o c e s so fg r i ps y s t e mi sa l la c e d e ep r o c e s so fh i g h - s p e e dc o l l i s i o no n t o m a t oh a r v e s t i n gr o b o t ，t h ee n e r g yd i s s i p a t i o ni sl a r g ei nt h ec o l l i s i o np r o c e s sa n dt h ed e f f e r e n t a c e d e ca l g o r i t h m su s i n g ，b u tu s u a l l yt h eh a r v e s t i n gr o b o tw o r k si nt h ef i e l df o ral o n gt i m e ，u s i n g b a t t e r y - p o w e r e d , a n di t se n e r g yi sl i m i t e d t h e r e f o r ei nt h ep a p e r , t h ea c c d e ep r o c e s so fg r i p s y s t e mi sr e s e a r c h e db a s e do no p t i m a le n e r g y ，t h em a j o rs t u d yr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 t h em i n i m a le n e r g yd i s s i p a t i o no fi d e a lv e l o c i t yp r o f d ea n dt h ev e l o c i t yf u n c t i o no f g e n e r a la c e d e ea l g o r i t h m sa r ed e d u c e d s u b s e q u e n t l y , a c c o r d i n gt ot h er e l a t i o nb e t w e e nt h e v e l o c i t yc u r v ea n dt h ep o w e rd i s s i p a t i o ni nt h em o t o r , t h ee n e r g yd i s s i p a t i o nf u n c t i o np e rs t e p u n d e rt h es - c u r v ev e l o c i t yi sd e r i v e d , a n di t sm i n i m u mi ss o l v e dw i t hm a t l a b ，i ti san e w d i s c o v e r yt h a tt h eo p t i m a lv e l o c i t yc a nb eg a i n e dw h e nt io ft r a p e z o i d a la l g o r i t h ma n dq u a d f i c s p l i n ec u r v ei st 3a n dt 6r e s p e c t i v e l y ；t a n dt 2o fs - c u r v ea l g o r i t h mi s0 0 1 ta n d0 3 2 1 r e s p e c t i v e l y 2 t h ee n e r g yd i s s i p a t i o no fa c e d e ea l g o r i t h m sa r ec a l c u l a t e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fd i f f e r e n t t i m ep a r a m e t e rs e t t i n g s , a n dc o m p a r e dw i t ht h ei d e a lv e l o c i t y , t h e r ea r eo b v i o u sd i f f e r e n c e si n e n e r g yd i s s i p a t i o n so fd i f f e r e n ta l g o r i t h m s i ti sv e r yu s e f u lt os e tt h et i m ep a r a m e t e r so fa c e d e e a l g o r i t h m sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n to fm o t o ri na c c d e em o t i o nc o n t r 0 1 s ot h ef a c t o r so fe n e r g y d i s s i p a t i o na n ds y s t e ms t a b i l i t ya r es e r i o u s l yc o n s i d e r e d , t h es - c u r v ea l g o r i t h mi su s e di n t h e a e e d e ep r o c e s so f g r i ps y s t e m , a n di t st a n dt 2i s0 0 1 ta n d0 3 2 1 r e s p e c t i v e l y 3 t h er e l a t i o no ff o r c ea n dd e f o r m a t i o no fh a l f - r i p et o m a t oi ss t u d i e d ，a n di t sl i n e a rm o d e li s o b t a i n e di nt h ef l e x i b l es t a g e 8 0i t si m p o s s i b l et ou t h i sr e l a t i o nt oa c h i e v es t e a d yg r i p 4 t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h em o t o ri n p u tc u r r e n ta n dt h ef i n g e rg r i pf o r c eo nt h e 鲥p s y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h eq u a s i s t a t i cc o n d i t i o n , a c c o r d i n gt ot h es t e a d yg r i pf o r c ee x p e r i m e n to f f i n g e r s ，t h e $ a n l es t e a d yg r i pf o r c ee a r lb eu s e di nt h et o m a t o e s ，w h i c hw e i g h t sa l en e a r 5 i nt h ef i n g e rm o v i n gv e l o c i t ya n ds t e a d yg r i pf o r c ee x p e r i m e n t , t h es p e e dr a n g eo fu n i f o r m r e c t i l i n e a rm o t i o ni sa s c e r t a i n e di ns t e a d yg r i ps t a g e a tl a s tt h ee n e r g yd i s s i p a t i o na n dm o v i n g v e l o c i t yi su s e da se v a l u a t e di n d e x ，w h e nt h ei n p u tc u r r e n to fm o t o ri s8 0 0 m a , a n dt h eu n i f o r m r e c t i l i n e a rv e l o c i t yo fs - c u r v ei s3 0 0 0 r p r n , t h ee n e r g yd i s s i p a t i o no fm o t o ri sl o w e s ti nu n i tt i m e ， a n dt h ee f f i c i e n to fs t e a d yg r i pi sv e r yh i g l l k e y w o r d s ：t o m a t oh a v e s t i n gr o b o ta c e d e ea l g o r i t h me n e r g yo p t i m i z a t i o np m a c 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：冯伟f 司 2 0 0 9 年钼弘日 一墨琊 2 0 0 9 年月 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：乃后泖巩 日期：年月日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的e l 的和意义 番茄，属茄科一年生草本植物，原产南美洲。其形状、大小、颜色都因产地 不同而不一，通常为圆形、扁球形、长椭形，色泽则以红色为主，表面平滑而肉 汁多。西红柿可生吃、可炒菜、可榨汁、可做酱，人称“蔬菜中的水果”，遍及 世界。 番茄的食用特性介于果实与蔬菜之间，可蔬可果，既含有丰富的营养价值， 又有多种医学功用，被称为神奇的菜中之果。它所富含的维生素a 原，在人体内 转化为维生素a ，能促进骨骼生长，防治佝偻病、眼干燥症、夜盲症及某些皮肤 病的良好功效。现代医学研究表明，人体获得维生素c 的量，是控制和提高肌体 抗癌能力的决定因素。西红柿内的节果酸和柠檬酸等有机酸，还有增加胃液酸度， 帮助消化，调整胃肠功能的作用。西红柿中含有果酸，能降低胆固醇的含量，对 高血脂症很有益处。据营养学家研究测定：每人每天食用5 0 克一1 0 0 克鲜西红 柿，即可满足人体对几种维生素和矿物质的需要n 1 。 美国、欧盟和中国是全世界三大主要种植区域，近年来种植面积呈快速增加 趋势乜1 ，据统计，2 0 0 6 年全国番茄种植面积为8 3 4 7 千公顷，产量达3 7 4 9 2 万 吨b 1 。但是在生产中，番茄的收获是一项劳动强度大、消耗时间长的劳动，占番 茄培育生产总劳动量的4 0 左右。番茄采摘机器人的研究开发，对于减轻劳动 强度、解放农业劳动力和提高番茄的集约化生产水平，都具有重要的意义。目前， 尽管番茄收获机器人的研究己取得了一定进展，但仍处于实验室研究阶段，离实 用化仍有相当距离。 除自主移动平台外，采摘机器人的机械机构主要由机械臂和夹持系统组成， 目i ； 采摘机器人机械系统的开发存在两种发展方向：一种是对机器人整体机构进 行自主设计，如m i k i ou m e d a 等人1 9 9 9 年设计的西瓜收获机器人【4 1 ，n o r i y u k i m u r a k a m i 等人1 9 9 9 年设计的白菜收获机器人【5 1 ，d e r d o g a n 等人2 0 0 3 年设 计的杏采摘机器人1 6 1 ，这类采摘机器入系统专用性强、在针对特定果蔬的收获 时具有明显的优点，但开发的难度较大、成本较高、周期较长；另一类是利用商 业化的工业机械手，配以特定开发的央持系统，如v a nh e n t e n e j 等人2 0 0 3 年 研制的黄瓜采摘机器人【7 】是由“m i t s u b i s h ir v - e 2 机械臂+ 自主设计的央持系统”构 ， 成；a c h m a di r w a ns e t i a w a n 等人2 0 0 4 年研制的苹果采摘机器人【8 】是由“d e n s o v s e 机械臂+ 自主设计的央持系统”构成，这类收获机器人系统开发难度和成本 大大减小、开发周期大大缩短，特别是在应用中，可以通过更换央持系统而灵活 应用于多种果蔬的收获作业，从而更有利于推广和实际应用。 番茄采摘机器人夹持系统是在机器人采摘番茄时，当吸盘将番茄拉至夹持系 统两手指之间时，两手指以最优的速度完成对番茄的央持，耗能最小同时又不造 成被采摘果实的滑落和损伤。番茄果实为浆果，内部有空腔，果皮很薄，仅为一 层薄的细胞层，这使得它的保护作用很小阳1 ，而该夹持过程实际上是一个具有高 速碰撞的加减速过程，易造成被采摘果实的滑落和损伤，呼吸作用加强，从而严 重影响收获的成功率和果实的品质，并使果实的贮藏保鲜周期大大缩短；同时考 虑采摘机器人通常情况下都是在田间长时间作业，采用蓄电池供电，能量较为有 限。而机器人夹持系统的手指以不同的运动速度与番茄在接触碰撞过程中的耗能 以及夹持运动过程使用不同的加减速控制算法或同一加减速算法在不同时间参 数的设定下的耗能差异都比较大，因此对具有高速碰撞的夹持系统加减速过程进 行耗能分析是番茄采摘机器人研究的关键技术之一。本课题的研究对于实现这一 关键技术的突破，使番茄采摘机器人逐步走向实用化，具有十分重要的理论价值 和现实意义。 1 2 国内外研究现状 番茄采摘机器人夹持系统的央持作业过程是一个具有高速碰撞的加减速过 程，番茄在碰撞过程中的损伤以及如何使电力拖动系统中的机械运动部件加减速 过程控制最佳，国内外许多科研人员对该方面进行了深入研究。 1 2 1 加减速算法研究 c l e w i n l l o l 通过分析冲击( j e r k ) 揭示了在点到点的运动规划中使用s 曲线 加减速算法比梯形加减速算法更准确和稳定；m e c k l 和a r e s t i d e s l l l 】提出加速度时 间因子t 口越小，使用s 曲线加减速产生的振幅越大，而运动过程所耗费的时间 2 江苏大学硕士学位论文 最少；当t 4 为1 6 ( 即加加速段运动时间是全加速段运动时间的1 6 ) 时，s 曲 线加减速算法对机械系统产生的振动最小，约2 0 d b ，达到最优。a s p i n w a l l 、 s e e r i n g b 2 q 8 1 等提出多种优化s 曲线加减速速度轮廓，减小算法对机构产生振动 的方法，提高位置控制精度；n g u y e n 和c h e n 1 9 l 提出一种用递归方法产生s 曲 线加减速速度轮廓模型的方法，该模型的产生以有限冲击( j e r k ) 和时间最优为 原则；李晓删加】等提出通过将s 曲线加减速速度轮廓改为半s 曲线加减速速度 轮廓简化s 曲线加减速算法的实现过程；丛爽【2 1 】等提出不同加减速算法在时间 参数设置不同时，其在运动过程中的耗能不同，j a c o bt a l 2 2 】提出当设定加加速段 时间是全加速段时间的1 3 时，梯形加减速算法的耗能最小。 1 2 2 果蔬碰撞损伤研究 多年来，国内外学者主要针对水果、蔬菜储运过程中的碰撞、跌落损伤等， 对各类水果、蔬菜的力学特性进行了研究。 1 准静态平板压缩实验 j j g o n z a l e z l 2 3 1 等通过磁共振成像仪观察了番茄在准静态平板压缩及松弛特 性实验中的内部结构变化；刘继展【刎等通过对不同成熟度的番茄进行平板压缩 实验，提出从开始挤压至果皮出现裂纹阶段，挤压力与变形量呈近似直线关系； r k g o y a l i 御用探头压缩法测定了印度醋栗的力一变形规律及其与被煮时间的 关系；k r i s h n ak s i i l 曲【凋应用平板压缩法对采后1 0 天的桔子进行了压缩实验； 王荣、李成【2 7 侧通过对番茄的平板压缩实验，认为其挤压力一变形曲线呈s 型， 并具有各向异性特征；周会玲【3 1 】通过实验发现葡萄果柄耐拉力与果柄、果蒂、 果刷尺寸有关，葡萄浆果耐压力与果肉质地和果粒细胞有关。 2 动念压缩实验 李小昱1 3 2 】通过动态平板压缩实验说明节果的力学特性与压缩时的加载速率 和压头型式有关；张洪霞【3 3 m 】等对加载速度与稻米籽粒、萝卜挤压力学特性实验 研究，通过多项式回归分析建立了稻米籽粒和萝卜的挤压各力学指标随加载速度 变化关系的数学模型。 3 自由跌落撞击实验 c c l i e n l 3 5 】等通过分析不同成熟期的番茄在非破坏性跌落条件下对地面的 3 江苏大学硕士学位论文 撞击力大小提出一种新的判别番茄成熟度的方法；s a r a z u r i 3 6 1 等通过对机械收获 后的番茄进行冲击实验测试，发现拖车底部的番茄硬度降低高达3 0 ，番茄表皮的 抗裂强度损失约6 ；e a i d a h 3 7 l 按转红期、全红期对番茄从不同高度跌落至不 同表面的损伤情况进行了分析；v a nl i n d e n 3 8 】通过实验揭示了温度、成熟度、生 长季节对番茄碰伤的影响规律；王剑平【3 9 】等通过对黄花梨进行不同下落高度、 不同梨质量和坚实度等对碰撞参数指标如力峰值、到达力峰值时间、碰撞总时间、 力峰世到达力峰值时问等影响的碰撞特性实验指出3 个实验因子对碰撞参数指 标的影响均为显著；卢立新【4 0 i 通过对“富士苹果进行不同高度的单次自由跌 落、同一部位的多次跌落实验，在测试获得冲击力时间数据的基础上，基于运 动学原理进行理论分析计算，得至, j j h 速度时间、冲击力变形量、应力应变以 及跌落冲击弹性恢复系数等动态关系。 1 2 3 存在问题 总结以上国内外学者所做的贡献，笔者认为尚存在以下问题值得继续探索： 1 如何从理论上得出不同加减速控制算法的最小耗能差异以及同一种加减 速算法在不同时间参数设置情况下的耗能差异；对于采摘机器人夹持系统的加减 速过程选择使用何种加减速算法比较合适以及最佳时间参数如何设置。 2 番茄的碰撞损伤既然与速度、冲击力、接触面、成熟期有关，那么采摘 机器人夹持系统在央持番茄的过程中，手指的稳定可靠夹持速度应该如何设置； 如果使手指完成一次稳定可靠央持动作的时间为1 s ，在最小耗能情况下的手指 运动速度如何优化。 1 3 研究的主要内容 本论文以课题组丌发的采摘机器人央持系统为平台，研究内容主要包括以下 几个方面： 1 夹持机构运动控制系统的性能调整。通过调节p m a c 运动控制器和 e p o s 伺服驱动器的p i d 参数，使夹持机构运动控制系统具有良好的稳态特性和 动态特性。 2 运动控制过程中不同加减速算法的耗能比较与分析。通过推导梯形加减 4 江苏人学硕十学位论文 速、半s 曲线加减速和s 曲线加减速三种加减速算法时间参数的设定与电机耗能 之间的关系，分析不同加减速算法最小耗能之间的差异以及同一加减速算法在时 间参数设置不同时，其加减速过程耗能之间的差异，选择适合夹持系统加减速过 程的加减速算法。 3 央持系统加减速过程中的匀速段速度参数设定。加减速过程中的匀速段 速度是决定稳定抓取效率的关键因素，手指运动速度越大，稳定夹持过程越短； 而手指运动速度与电机耗能是一对矛盾。本文主要以果实不损伤、稳定可靠夹持、 耗能最小为指标，通过手指稳定央持力实验和手指运动速度与夹持力实验确定电 机的最优运动速度。 5 江苏大学硕士学位论立 第2 章夹持系统的构成及加减速过程 采摘机器人的机械机构主要由机械臂和必持系统组成，本实验室在设计温室 番茄采摘机器人时，采用商业化的j 业机械臂m o t o m a n s v 3 x ，配自主 发设计 适合温室作业的夹持系统，安装十机械臂束端，构成采摘机器人。尉此机器人系 统的开发难度和成本大大减小、开发_ | 割期大大缩短，特别是在应用中，可以通过 更换央持系统而灵活应用于多种果蔬的收获作业，从而更有利于推_ r 和实际应 用。 本实验室自主，r 发的采摘机器人央持系统以番茄为主要对象，其硬件由机械 系统、运动控制系统和供电系统组成，整个系统设计质量约为1 2 k g ，完成一次稳 定夹持过程大约需要1 s 。 2 1 机械系统 番茄采摘机器人央持系统的作用是在机器人采摘番茄时，当吸盘将番茄拉至 夹持系统两手指之间时，两手指以一定的速度完成对番茄的稳定夹持，其机械结 构如图21 所示： 1 一手指卜吸盘3 一壳体 圈21 史持系统的机械结构 其没计过程主要考虑了一下几个方面： 江苏大学硕士学位论文 2 1 1 手指数目 按, 照n g u y e nv d 定理【4 2 1 ，抓紧果实的必要条件是构成抓取力封闭，即平面 对心抓取或空间对心抓取。番茄的任意稳定抓取截面都是一个近似圆形，所以实 现番茄稳定抓取最少需要两个对心圆弧手指构成平面对心抓取。 2 1 2 手指面曲率 番茄不同于一般的刚性体，手指央持系统在抓取过程中，首先要面对大小不 同的番茄，其次在央持过程中接触弧面的曲率随央持力的变化而变化，所以手指 抓紧果实的另一个必要条件是手指弧面的曲率小于球形果实弧面的曲率【4 3 1 ，因 此在指面内侧覆盖一层5 m m 的橡胶，利用橡胶的弹性变形满足夹持的曲率条件， 实现可靠夹持。如图2 2 ： 2 1 3 传动机构 扔二l ，3 ，乒划 f 、 影i o - ” 秽一 辅 起乡 图2 2 手指尺寸 番茄表皮的韧度较小，当夹持力突增时，容易破裂。因此电机在运动、启动 或停止时不能对手指产生冲击或者振荡，另外在实际的作业环境下，首先机器人 作业是利用电池组供电，能量有限，其次番茄与枝叶之间和番茄与番茄之间的间 距较小，甚至接触。所以传动系统的设计不仅需具有较高的平稳性和传递效率， 而且体积应仅可能小巧，方便避障采摘。故选用锥齿轮传动机构( 传递效率 r = o 9 4 加9 9 ) 和螺距仅0 2 5 m m 滑动螺旋传动机构将电机动力传递给手指，保证传 动的平稳性和高效性【删】。 7 江苏人学硕丁_ 学位论文 2 , 2 运动控制系统 夹持机构的运动摔制系统是基丁p m a c ( p r o g r a m m a b l em u l t i a x i sc o n t r o l 的缩写) 的半闭环运动控制系统，如圈23 所示，其硬什主要由p m a c2 a - p c i 0 4 ( 控制器型g - ) 运动控制器、e p o s2 4 5 ( 驱动器型号) 驱动器、伺服电机和编 舻5 器组成，采用脉冲+ 方向的工作模式。 h 【 械 骨 削23 控制系统的组成 2 2 1p m a c 2 a - p c i 0 4 运动控制器 禽 其主要性能指标如下 幽2 4 p m a c 2 a - p c i 0 4 江苏大学硕士学位论文 1 2 8 k 2 4s r a m 5 1 2 k x 8 闪存，进行用户备份和固件程序 4 通道轴接口电路，每一个包括： 1 1 2 位l o v 模拟量输出 2 脉冲加方向数字信号输出 3 3 路差分单端编码器信号输入 4 4 路标志输入信号，2 路标志输出信号 5 0 针i d c 放大器和编码器接口电路 3 4 针i d c 标志位，脉冲和方向电路 p i d n o t c h 前馈伺服算法 运动控制器采用脉冲+ 方向工作方式的硬件连接如图2 5 ： l 一一一 l l ，= ：p o s 2 + s l 驱动器 l i 图2 5p m a c 控制器硬件连接 2 2 2e p o s2 4 5 驱动器 e p o s2 4 5 驱动器如图2 6 ，主要起功率放大的作用，根据不同的伺服电机。 输出合适的电压和频率，控制伺服电机的转矩和转速。其核心元件是 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 6d s p 数字信号处理芯片，指令执行周期仅3 3 n s ，片内包含3 2 k 的 9 汀苏人学硕十学位论文 闳存区、5 4 4 b 的双存取r a m 、2 k b 的单存取r a m 和8 通道1 0 位a d 转换器 图2 6 f a ) 1 ) s 2 4 5 驱动器 t 要电气参数： 电源电压v 。1 12 4 v d c 最大输出电压09 v 仉 最大输出电流一5 a 连续输出电流一5 a p i 电流环控制采用频率1 0 k h z e p o s 驱动器采用脉冲+ 方向t 作方式的硬件连接如图27 删1 4r 5 嚣，l | 厂磊 _ j 吁岫 l j 5 i他能 ：，z fl 型 2 2 3 伺服电机 幽2 , 7e p o s 驱动器硬件连接 伺服电机足伺服系统的执彳了机构，本系统选用6 0 w 的f f a x o n 空心杯直流伺服 电机，由于空心杯电机在结构上突破了传统电机的转了结构形式采刖无铁心转予 江苏人学硕士学位论文 ( 空心杯型转子) ，因此作为手指控制系统的执行元件具有十分优越的特性： 1 节能特性：新颖的转子结构彻底消除了由于铁芯形成涡流而造成的电能损 耗，同时其重量和转动惯量大幅降低，从而减少了转子自身的机械能损耗，能量 转换效率达8 7 ，而铁芯电动机一般在2 0 - - , 5 0 。 2 控制特性：起动、制动迅速，响应极快，机械时间常数3 0 3 毫秒，而铁 芯电动机一般在1 0 0 毫秒以上；在推荐运行区域内的高速运转状态下，可以方便 地对转速进行灵敏的调节。 3 拖动特性：运行稳定性十分可靠，其转速波动能够容易的控制在2 以内。 4 能量密度大幅度提高，体积较小，重量仅2 3 8 9 ，是同等功率的铁芯电动 机重量、体积的1 3 1 2 。 2 2 4 编码器 精确而可靠地发出位置给定信号并检测被控对象的实际位置是运动控制系 统工作良好的基本保证。编码器将电机的角位移转换成模拟的或数字的电量，再 通过信号处理电路或相应的算法，形成与控制器输入量相匹配的位置偏差信号， 然后根据偏差信号实施控制，最终消除偏差。本系统选用5 0 0 线m a x o n 数字式 增量编码器，该编码器根据磁阻原理，通过插补输出方波t r l 长线差分驱动( 对 称a ，a ；b ，b ：z ，乙) 高频脉冲信号给位置控制器，位置控制器按照信号 的上下沿进行记数，分辨率提高4 倍，角位移精度达0 1 8 。，由于带有对称负信 号的连接，电流对于电缆贡献的电磁场为0 ，衰减最小，抗干扰最佳。 2 3 供电系统 由于采摘机器人在田间或温室环境下的移动作业，该夹持系统考虑采用蓄电 池供电，而锂离子蓄电池采用有机电解质液，同普通蓄电池相比在体积、重量和 储能方面都有着卓越的优点，同样容量的锂电池体积、重量仅约为普通铅酸蓄电 池的1 3 - - - 1 4 ，因此该系统选用2 4 v 1 0 a h 锂电池供电，以更好满足采摘机器人移动 工作的需求。供电系统的结构如图2 8 所示： 江苏大学硕士学位论文 - 一豳 l ，u 3 * 7 幽2 8 供电系统 蓄电池的j 作过程即为自身的放电过程，电压逐渐下降，因此聚用稳压模块 将蓄电池小断变化的电压输出转化为恒定的电且三输出，供控制器和驱动器使用。 稳压模块i v r b t a 0 5 l d 1 5 w i 均输入电压为1 8 3 6 v d c 输m 电压为+ 5 v d c ，电流为 3 a ：稳压模块2w r d 2 4 s ：n - 6 0 w 的输入电压为1 8 3 6 v d c ，输出电压n + 2 4 v d c 电流为2 5 九待e p o s 驱动器工作后，驱动器给直流电机和编码器分配工作电流和 电压。 2 4 夹持系统的加减速过程 夹持系统的加减速过程包括三个阶段：加速阶段一匀速阶段一减速阶段，如 图29 所示 l ：一 z ； d 圈29 夹持系统的加减速过样 第阶段( o a 段) 为加速段，电机的速度从0 增人刮设定值拖动手指 加速运动；第二阶段( a b 段) 为匀速段，电机的速度保持恒定，即手指匀速 运动；当手指接触番茄后，进入第三阶段( b d 段) 减速段，电机速度从n 逐渐 减到0 。通常将加减速过程的第和二阶段称为手指火持番茄的第1 过程，手指 江苏大学硕士学位论文 从初始位置运动到同番茄表皮刚刚接触的位置，位移为l j ；第三阶段称为手指 夹持番茄的第1 i 过程，手指从刚刚接触番茄到稳定夹持番茄，位移为三2 ，该过 程中手指的动能转换为番茄的弹性势能，如图2 1 0 所示。 2 5 本章小结 卜 口 乃螺杆旌加给手指的轴向力；，2 番茄施加给手指的力 图2 1 0 稳定夹持过程 本章首先介绍了本实验室自主开发的番茄采摘机器人夹持系统的机械机构、 运动控制系统和供电系统；然后介绍了夹持系统的整个加减速过程。整个系统设 计质量约为1 2 k g ，完成一次稳定夹持过程大约需要1 s 。 江苏大学硕十学位论文 第3 章运动控制系统p i d 参数调整 在机电一体化系统中，为了获得良好的稳念性能和动态特性，需要对系统的控 制环进行校正和调整。在运动控制系统中，它对系统的影响是巨大的，所以当系统 的基本特性( 包括机械传动、电动机选型等) 确立以后，就需要对系统的控制环进 行调整，即对伺服环p i d ( 比例积分微分) 滤波器进行调节。根据被控物理系统的 动力学性能对伺服环参数进行设置，达到系统稳定性好、响应速度快及跟随误差小 的目的。 3 1 运动控制系统的控制结构 夹持机构的运动控制系统采用复合控制，p m a c 2 a p c i 0 4 运动控制器内置数 字p i d + 前馈伺服控制算法，闭合系统的位置环和速度环，e p o s 2 4 5 驱动器通 过模拟电流调节器闭合系统的电流环，如图3 1 所示： 。m 0 j i ：成：i 砸遁乏枉茜器。 月饼一电流调1 7 器肛p 直流p 嗍变换器删l 电机a o - 编码器 图3 1 复合控制 3 2 电流环的p i 调整 3 2 1 电流环的分析 电流环的主要作用是限制电机的最大电流和保证电机恒转矩输出，因此电流 调节器的主要作用有： 1 启动过程保证电动机能够获得最大允许的动态电流 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 在转速的调节过程中，使电流跟随电流给定值而变化 3 有自动过载保护作用，且在过载故障消失后能自动恢复正常工作 电流环对于运动控制系统来讲，属于内环，因此在调节系统的p i d 时，先 调整电流环，依次对系统的速度环和位置环进行调节。 3 2 2 电流环的p i 调节 1 设定阶跃信号的参数 如图3 2 ，设阶跃电流为1 0 0 0 m a , 调节时间为2 0 m s 。 i s t ，c o z x f i g u r l t i o n _ 一一 一一 一 鞠晌币m ， c u r r e n ti 1 0 0 0 - l p r e c e d i n g 1 0- s 。 s e t t l i r l | 2 0 -= c 盱i 舶l 甜t 0 | t 嗍伽， ， t o t - 1 2 0 i i s l 一 研n 幢 图3 2 阶跃信号参数设定 2 调节p i 设初始p ：8 0 0 ，i = 2 0 0 ，阶跃响应和误差曲线如图3 3 ，先进行自动调节，后 进行手动调节，直至满足要求。为评定误差和调节时间最小，用常用的误差绝对 值积分指标( 脚) 来衡量。 图3 3 阶跃响应和误差曲线 通过自动调节p i ( 比例项和积分项) ，系统根据a e 的大小，自动确定出最 优性能下的p i 值。自动调节后，当p = 2 4 0 0 ，1 = 5 0 0 时，在预定时间内阶跃响应 江苏大学硕士学位论文 的a e 达最小值2 7 9 9 9 ，其上升时间0 8 m s ，无超调量，调节时间4 m s 。由于误差 稍大，调节时间和上升时间较大，因此进一步进行手动调节。逐次增大i 值，步长 为5 0 ，手动调节的p i 参数与阶跃响应指标如表3 1 。调整后，当p = 2 4 0 0 ，i = 9 0 0 时a e 最小值为2 0 0 1 7 ，其上升时间0 8 m s ，无超调量，调节时问1 1 m s ，达到较 好的调节效果。 表3 1p i 参数与阶跃响应指横 3 3 运动控制器的开环测试 p m a c 的开环测试是检验驱动器闭环p i d 性能调节的好坏，在脉冲+ 方向 控制模式下，开环测试【蛔还可以检验p m a c 中频率发生器( p f m ) 的工作情况。 测试方式是用o 指令向输出寄存器写入一个数值，该值表示指定值所占比例， 然后在报告窗口检测电机的运行情况。缺省的p f m c l k 是9 8 3 m h z ，i 】【6 9 为 2 0 4 8 0 ( 相当于电压6 2 5 v ) ，根据 i x 6 9 ：丝堕塑( 丝! 木6 5 5 3 6 p f m c l k ( k h z ) 因此允许p m a c 控制器的最大输出频率约为3 0 7 m h z ，输入指令和测试结 1 6 江苏人学硕十学位论文 从测试结果可以算出转速平均误差为0 8 ，说明系统连接正常，驱动器闭环 的p i d 参数经调节后系统内环具有良好的响应特性。 3 4 运动控制器速度环和位置环的p i d 调整 3 4 1 运动控制器的p i d 控制算法伽 3 4 1 1p i d 滤波器工作原理 标准的p m a c 控制器提供一个p i d 位置环伺服滤波器( 图3 1 ) ，闭合系统 的位置环和速度环。该滤波器是通过设置每个电机的适当i 变量来调节的。比例 增益( “q , ”i x 3 0 ) 的作用是提供系统所需的刚性；微分增益( “磁i x 3 1 ) 的 作用是提供足够的阻尼保证系统稳定；积分增益( “k i i x 3 3 ) 的作用是消除稳 态误差；i x 3 4 决定积分增益是全程有效还是只在控制速度为0 时才有效。速度前 馈增益( “晰”i x 3 2 ) 的作用是减小由于微分增益的引入所引起的跟随误差，与 输入信号的变化速度成正比；加速度前馈增益( “畅矿 i x 3 5 ) 的作用是减小或消 除由于系统惯性( 与输入信号的变化加速度成正比) 带来的跟随误差。 p m a c 中p i d 控制算法的主要特点： 1 死区滤波 为了避免控制作用过于频繁，消除由于频繁动作所引起的振荡，采用带死区 1 7 江苏大学硕士学位论文 的p i d 控制算法，控制算式： 以、f o l e ( 七) i l e o 式中e 为位置跟踪偏差，e o 是一个可调参数，其具体数值可根据实际控制对象 由实验确定。若勖值太小，会使控制动作过于频繁，达不到稳定被控对象的目 的；若e o 值太大，则系统将产生较大的滞后。 带死区滤波的控制系统实际上是一个非线性系统，当i e n e o l 时，数字调节 器的输出为零；当l p i l 勖i 时，数字调节器有p i d 输出。 2 积分分离 在普通的p i d 控制中，引入积分环节的目的是消除静差。但在过程的启动、 结束或大幅度增减设定时，短时间内系统输出有很大偏差，会造成p i d 运算的 积分积累，致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制 量，引起系统较大的超调，甚至振荡，这是不能允许的。 积分分离的基本思想是当被控量与设定值有偏差时，取消积分作用，以免由 于积分作用使系统稳定性降低，超调量增大；当被控量与设定值无偏差时，引入 积分控制，消除静差，提高控制精度。 3 微分先行 微分先行的特点是只对输出量进行微分，而对给定量不进行微分。因此在改 变给定值时，控制器输出u 不会产生大的改变。该控制策略适用于给定值频繁升 降的场合，可以避免给定值升降时引起的系统振荡，从而明显改善系统的动态特 性。 微分部分的传递函数为： 等= k d ( 1 一z - 1 ) 4 前馈补偿 速度前馈和加速度前馈补偿的引入增加了系统的零点，但系统的极点没有改 变，因此系统的稳定性没有改变，而通过适当调节零点在z 平面上的位置改善系 统稳态性能和动态性能。 3 4 1 2p i d 的实际算法 1 8 江苏大学硕士学位论文 d a c o , 。( n ) = 2 - 1 9 * i x 3 0 l 如8 木陋e ( n ) + ( i x 3 2 c v ( n ) + t x 3 5 牛c a ( n ) ) 1 2 8 + l x 3 3 木l e ( n ) 2 2 3 d i x 3 1 幸姗牢a v ( n ) 1 式中： d a 训为1 6 位的伺服周期输出命令( - 3 2 7 6 8 至u + 3 2 7 6 7 ) 。它被转换成i o v 到+ 1 0 v 的输出。 d a c o 叫( n ) 的值由i x 6 9 定义。 i x 0 8 为电机x 的一个内部位置放大系数( 默认为9 6 ) 。 i x 0 9 为电机x 速度环的一个内部放大系数( 默认为9 6 ) 。 f e ( n ) 是伺服周期r l 内所得的跟随误差，即为该周期内指令位置与实际位置的 差值【c p ( n ) 一a p ( n ) 】 a v ( n ) 是伺服周期n 内的实际速度，即为每个伺服周期最后两个实际位置的差 值【a p ( n ) - a r ( n 一1 ) 】 c v ( n ) 是伺服周期1 1 内的指令速度，即为每个伺服周期最后两个指令位置的差 值【c p ( n ) 一c p ( n - 1 ) 】 叫n ) 是伺服周期n 内的指令加速度，即为每个伺服周期最后两个指令速度的 差值【c v ( n ) 一c v ( n - 1 ) 】 i e ( n ) 是伺服周期n 内的跟随误差的积分，大小为： 【髓( 朋，( 在所有的伺服周期内积分都起作用。当c v 不等于0 时， i x 3 4 只关掉了积分器的输入，而没有关掉它的输出。) 3 4 1 3 传递函数 根据以上p m a c 中的p i d 实际算法，可以得出 速度环中： 比例项的传递函数：g 。g ) = 2 - 1 9 k 口 微分项的传递函数：g d ( z ) = f i x 2 k d ( 1 一z 。1 ) 位置环中： p i 项的传递函数： g p ( z ) = 口x 塑生掣 式中，i x 0 8 = a ；i x 0 9 - f l 1 9 江苏人学硕士学位硷丈 3 4 2 n a c 校准 通常d a c ( 数模转换) 器件的主要误差是零点偏移误差，田此在使用时首 先要进行d a c 零点偏移校准。p m a c 内部的d a c 校准足通过一个事先编好的 内部p l c