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摘要：水果采摘费用高且劳动量大，为快速且正确完成采摘作业，需要加快研发采摘机械手设计。本文以苹果采摘机械手运动控制为研究对象，对机械手进行运动学分析与建模，设计并实现了基于PLC的苹果采摘机械手运动控制的实验系统，可为其他类型采摘机械手设计提供一定参考作用。
关键词：机械手运动控制；建模；设计
引言
随着社会经济的快速发展，农业生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本迅速上升，劳动力不足的现象日趋明显，在此背景下，机器人技术越来越受到了人们的关注。但是，目前国内的采摘自动化程度仍然很低，尤其是采摘机器人的关键部位——机械手，为此，本文以PLC 控制器作为控制中心，对苹果采摘机械手运动控制系统进行设计，旨在提高采摘自动化及降低人工成本，为种植户带来最佳的经济效益。
1.苹果采摘机械手运动控制系统整体设计
1.1运动控制系统设计要求
苹果采摘机械手包括手臂和手腕两个执行部分，机械手准确采摘目标果实，需要灵活的避开途中障碍物，而实现该功能需要依靠机械手的自由度。一般情况下，采摘机械手运动范围取决于手臂自由度，为了使机械手灵活、运动范围大，手臂至少需要3个以上自由度。同理，采摘机械手手腕是用来控制机械手空间姿态的，为了使其获取更多运行姿态，手腕也至少需要3个以上自由度。
苹果采摘机械手运动控制系统先从上位机或人机交互界面接受指令，然后驱动对应伺服电机，从而使末端采摘执行器准确采摘目标苹果。
1.2运动控制系统整体设计
苹果采摘机械手运动控制系统主要包括上位机监控系统、PLC控制器，以及驱动、执行部件和传感器多个模块。上位机监控系统通过串口、以太网采集机械手的数据，获取机械手状况，完成与现场数据的实时交换，实现对系统的监控功能；运动控制模块通过程序或终端的指令对机械手实现控制，保证其末端执行器以确定状态运动，同时能够完成采摘任务；驱动模块根据程序指令给各电机提供动力；执行模块主要是完成苹果采摘作业。运动控制系统整体框架如图1所示。
苹果采摘机械手运动控制系统由以上各模块协调工作，共同完成采摘作业任务。系统采用PLC可编程逻辑控制器，通过其执行逻辑运算、顺序控制、定时及计数等操作，并通过外部控制开关、按键接入PLC 输入设备，进而根據内部程序进行输出控制，实现对驱动、伺服和气动设备的控制。在运动控制中，采摘机械手位置状况信息通过组态软件实时显示，操作员可以实时了解其作业情况。
2.机械手运动学分析与建模
苹果采摘机器人运动学分析的基础是在正确选择机械手刚体位姿方法上进行的。本文采用齐次变化方法描述机器人运动学问题，需要建立XAYAZA参考和XTYTZT手爪两个坐标系。在参考坐标系中，Z轴是末端执行器接近目标苹果的方向，为接近矢量a；Y轴是末端执行器两手指的并和方向，为并和矢量o；X轴是a和o所在平面的法线向量，为法线矢量n。因此，手爪坐标系XTYTZT可由{n，o，a；P}进行描述，即{T}={n，o，a；P}。
2.1正运动学分析模型
本文采用D-H法建立末端执行器空间运动坐标系，用齐次变换矩阵表述机械手连杆间平移和旋转运动，从而建立运动学方程。为了方便计算，特地将机械手基准与腰关节两个坐标系叠加在一起。
式（5）～式（7）为机械手末端执行器正运动学方程，其描述了机械手坐标系与基准坐标系之间的位姿关系。
2.2 逆运动学分析模型
逆运动学是研究机械手运动控制的理论来源，是将机械手位姿变换转为关节变量的依据，逆运动学对控制精准度和快捷性具有重要作用。苹果采摘机械手的相邻关节轴之间平行，经过系统整体优化，各关节角运动范围固定，可以得出唯一解。为了简化计算过程，提高机械手运动效率，本文采用解析法对苹果采摘机械手进行逆运动学求解。苹果采摘机械手逆运动学求解过程如下：
根据式（2）可以得到末端执行器变换矩阵的逆矩阵为
3.运动控制硬软件设计
3.1硬件设计
该机械手控制系统主要由PLC、监控图像管理、触摸屏、行走电机驱动板、执行机构电机驱动板和伺服电机组成。整个控制系统采用三菱公司FX2N-48MT-DPLC控制器，该处理器具有40个I/O端子（24个输入点、16输出点），点数余量充足，系统采用编程语言简单，开发周期短。因此，PLC控制系统比较稳定，可靠性强、费用低、抗干扰性强。监控图像管理系统采用Windows操作系统、PCI总线、单屏操作方式，并融合了图像通信技术，可以实现对图像的输入输出、图像文件的存储与加载，以及对机械手的监测和控制；触摸屏控制器的作用操作员可以人为控制机械手进行采摘作业，能够准确地控制机械手的运行速度和距离；行走电机驱动板和执行机构电机驱动板分别给行走设备和机械手各伺服电机提供动力。
3.2软件设计
软件设计是整个系统正常运行的核心，硬件搭建好后，可以根据苹果采摘特性，通过设计好的软件算法控制机械手的运动。
3.2.1人机界面
为了更好地实现对机械手的控制，特地设计了人机界面，该部分能够实现操作人员与机械手之间的信息交换。本文主要设计了示教和轨迹规划两个界面，示教界面如图2 所示。手动界面可以根据目标果实和机械手的相对距离调节X、Y、Z 轴。在控制过程中，首先选取节点值，然后设置三轴的运动方式，末端执行器运动到目标位置，则按下停止键；若存在偏差，则继续调整。
3.2.2轨迹规划界面
手动示教界面设定好后，就需要进行机械手轨迹规划。轨迹规划界面如图3 所示。轨迹规划界面有10个运动顺序方框，和右边10个步骤选择一一对应，节点选择与手动示教界面一一对应。
为了检验苹果采摘机械手运动控制系统的可靠性，特将该系统应用到苹果采摘实验中。实验中，设定机械手运动速度上限为200mm/ s，加速度为50mm/s2。首先根据采摘要求设定手动示教界面，然后进行轨迹规划，轨迹规划运动顺序方框节点设置为1→2→0→0→0→0→0→0→0。按5 段S曲线加减速算法，根据PLC智能控制器计算，可以从控制器得到T1、T2、T3时间值，如表1所示。机械手运动控制从节点1运行到2，X、Y、Z 轴运行情况如表2所示。
实验结果表明：采用PLC控制器的苹果采摘机械手软硬件均能正常运行。该系统具有可靠性高、实时性和稳定性好等优点。实验数据说明伺服系统脉冲定位精度在一个脉冲以内，能够精准地定位机械手运动轨迹和位置；此外，人机交互界面人性化程度高，可以比较直观地显示和修改运动控制流程。
4.结论
总而言之，采摘机械人在解决劳动力不足、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果实的适时采收以及提高产品的国际竞争力等方面具有很大的潜力。因此，我们必须加快对采摘机器人的研究，使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。本文对机械手进行运动学分析与建模，设计了基于PLC的苹果采摘机械手运动控制系统。实验结果表明，该系统具有可靠性高、实时性和稳定性好等优点，可以帮助采摘机器人快速识别目标并进行正确采摘作业，大大提高了采摘效率，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]蔡明学.基于PLC的搬运机械手运动控制系统设计[J].智慧工厂.2016（12）：61-63
[2]张建宝.草莓采摘机械手结构设计与运动控制研究[J].河北农业大学.2016
关键词：机械手运动控制；建模；设计
引言
随着社会经济的快速发展，农业生产正朝着规模化、多样化、精确化方向发展，农业劳动力的成本迅速上升，劳动力不足的现象日趋明显，在此背景下，机器人技术越来越受到了人们的关注。但是，目前国内的采摘自动化程度仍然很低，尤其是采摘机器人的关键部位——机械手，为此，本文以PLC 控制器作为控制中心，对苹果采摘机械手运动控制系统进行设计，旨在提高采摘自动化及降低人工成本，为种植户带来最佳的经济效益。
1.苹果采摘机械手运动控制系统整体设计
1.1运动控制系统设计要求
苹果采摘机械手包括手臂和手腕两个执行部分，机械手准确采摘目标果实，需要灵活的避开途中障碍物，而实现该功能需要依靠机械手的自由度。一般情况下，采摘机械手运动范围取决于手臂自由度，为了使机械手灵活、运动范围大，手臂至少需要3个以上自由度。同理，采摘机械手手腕是用来控制机械手空间姿态的，为了使其获取更多运行姿态，手腕也至少需要3个以上自由度。
苹果采摘机械手运动控制系统先从上位机或人机交互界面接受指令，然后驱动对应伺服电机，从而使末端采摘执行器准确采摘目标苹果。
1.2运动控制系统整体设计
苹果采摘机械手运动控制系统主要包括上位机监控系统、PLC控制器，以及驱动、执行部件和传感器多个模块。上位机监控系统通过串口、以太网采集机械手的数据，获取机械手状况，完成与现场数据的实时交换，实现对系统的监控功能；运动控制模块通过程序或终端的指令对机械手实现控制，保证其末端执行器以确定状态运动，同时能够完成采摘任务；驱动模块根据程序指令给各电机提供动力；执行模块主要是完成苹果采摘作业。运动控制系统整体框架如图1所示。
苹果采摘机械手运动控制系统由以上各模块协调工作，共同完成采摘作业任务。系统采用PLC可编程逻辑控制器，通过其执行逻辑运算、顺序控制、定时及计数等操作，并通过外部控制开关、按键接入PLC 输入设备，进而根據内部程序进行输出控制，实现对驱动、伺服和气动设备的控制。在运动控制中，采摘机械手位置状况信息通过组态软件实时显示，操作员可以实时了解其作业情况。
2.机械手运动学分析与建模
苹果采摘机器人运动学分析的基础是在正确选择机械手刚体位姿方法上进行的。本文采用齐次变化方法描述机器人运动学问题，需要建立XAYAZA参考和XTYTZT手爪两个坐标系。在参考坐标系中，Z轴是末端执行器接近目标苹果的方向，为接近矢量a；Y轴是末端执行器两手指的并和方向，为并和矢量o；X轴是a和o所在平面的法线向量，为法线矢量n。因此，手爪坐标系XTYTZT可由{n，o，a；P}进行描述，即{T}={n，o，a；P}。
2.1正运动学分析模型
本文采用D-H法建立末端执行器空间运动坐标系，用齐次变换矩阵表述机械手连杆间平移和旋转运动，从而建立运动学方程。为了方便计算，特地将机械手基准与腰关节两个坐标系叠加在一起。
式（5）～式（7）为机械手末端执行器正运动学方程，其描述了机械手坐标系与基准坐标系之间的位姿关系。
2.2 逆运动学分析模型
逆运动学是研究机械手运动控制的理论来源，是将机械手位姿变换转为关节变量的依据，逆运动学对控制精准度和快捷性具有重要作用。苹果采摘机械手的相邻关节轴之间平行，经过系统整体优化，各关节角运动范围固定，可以得出唯一解。为了简化计算过程，提高机械手运动效率，本文采用解析法对苹果采摘机械手进行逆运动学求解。苹果采摘机械手逆运动学求解过程如下：
根据式（2）可以得到末端执行器变换矩阵的逆矩阵为
3.运动控制硬软件设计
3.1硬件设计
该机械手控制系统主要由PLC、监控图像管理、触摸屏、行走电机驱动板、执行机构电机驱动板和伺服电机组成。整个控制系统采用三菱公司FX2N-48MT-DPLC控制器，该处理器具有40个I/O端子（24个输入点、16输出点），点数余量充足，系统采用编程语言简单，开发周期短。因此，PLC控制系统比较稳定，可靠性强、费用低、抗干扰性强。监控图像管理系统采用Windows操作系统、PCI总线、单屏操作方式，并融合了图像通信技术，可以实现对图像的输入输出、图像文件的存储与加载，以及对机械手的监测和控制；触摸屏控制器的作用操作员可以人为控制机械手进行采摘作业，能够准确地控制机械手的运行速度和距离；行走电机驱动板和执行机构电机驱动板分别给行走设备和机械手各伺服电机提供动力。
3.2软件设计
软件设计是整个系统正常运行的核心，硬件搭建好后，可以根据苹果采摘特性，通过设计好的软件算法控制机械手的运动。
3.2.1人机界面
为了更好地实现对机械手的控制，特地设计了人机界面，该部分能够实现操作人员与机械手之间的信息交换。本文主要设计了示教和轨迹规划两个界面，示教界面如图2 所示。手动界面可以根据目标果实和机械手的相对距离调节X、Y、Z 轴。在控制过程中，首先选取节点值，然后设置三轴的运动方式，末端执行器运动到目标位置，则按下停止键；若存在偏差，则继续调整。
3.2.2轨迹规划界面
手动示教界面设定好后，就需要进行机械手轨迹规划。轨迹规划界面如图3 所示。轨迹规划界面有10个运动顺序方框，和右边10个步骤选择一一对应，节点选择与手动示教界面一一对应。
为了检验苹果采摘机械手运动控制系统的可靠性，特将该系统应用到苹果采摘实验中。实验中，设定机械手运动速度上限为200mm/ s，加速度为50mm/s2。首先根据采摘要求设定手动示教界面，然后进行轨迹规划，轨迹规划运动顺序方框节点设置为1→2→0→0→0→0→0→0→0。按5 段S曲线加减速算法，根据PLC智能控制器计算，可以从控制器得到T1、T2、T3时间值，如表1所示。机械手运动控制从节点1运行到2，X、Y、Z 轴运行情况如表2所示。
实验结果表明：采用PLC控制器的苹果采摘机械手软硬件均能正常运行。该系统具有可靠性高、实时性和稳定性好等优点。实验数据说明伺服系统脉冲定位精度在一个脉冲以内，能够精准地定位机械手运动轨迹和位置；此外，人机交互界面人性化程度高，可以比较直观地显示和修改运动控制流程。
4.结论
总而言之，采摘机械人在解决劳动力不足、降低采摘成本、提高劳动生产率、保证果实的适时采收以及提高产品的国际竞争力等方面具有很大的潜力。因此，我们必须加快对采摘机器人的研究，使其为我国农业的生产和发展做出重大贡献。本文对机械手进行运动学分析与建模，设计了基于PLC的苹果采摘机械手运动控制系统。实验结果表明，该系统具有可靠性高、实时性和稳定性好等优点，可以帮助采摘机器人快速识别目标并进行正确采摘作业，大大提高了采摘效率，具有广阔的应用前景。
参考文献：
[1]蔡明学.基于PLC的搬运机械手运动控制系统设计[J].智慧工厂.2016（12）：61-63
[2]张建宝.草莓采摘机械手结构设计与运动控制研究[J].河北农业大学.2016