張日紅，任 雷，朱立學(xué)，時 龍，鐘建鳴

(1.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院 機電工程學(xué)院，廣東 廣州 510225；2.寶佳那智(青島)機器人應(yīng)用有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

目前香蕉采摘仍以人工作業(yè)為主，勞動強度很大，而香蕉采摘機械的研究是一個復(fù)雜且繁重的綜合性工程，國內(nèi)外陸續(xù)出現(xiàn)了一些香蕉采摘機械，可以實現(xiàn)替代人工作業(yè)、降低果實損傷[1]。多功能、自動化、智能化香蕉采摘機械是當(dāng)前香蕉采摘機械化的研究重點[2]?？紤]到香蕉串的高度、大尺寸特點，可以將香蕉果柄的夾持、切割和吊放作業(yè)整體性完成的作業(yè)設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢。香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人由采摘作業(yè)機械臂、末端夾持與切割執(zhí)行器和履帶式行走單元組成，本文利用PLC控制技術(shù)的高可靠性、高適應(yīng)性和易于編程控制的特點，對香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人進行集成控制設(shè)計，為研發(fā)全自動化、智能化香蕉無損采摘提供技術(shù)積累。

1 香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人工作原理與控制功能分解

1.1 設(shè)備工作原理

香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人采用多套平行四連桿機構(gòu)嵌套結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)末端夾持與切割執(zhí)行器的升降與伸縮調(diào)整，同時保證末端夾持與切割執(zhí)行器始終保持水平姿態(tài)，其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。連桿型機械臂整體性安裝在水平螺桿和豎直螺桿滑移組件之上，機械臂的升降、伸縮與回轉(zhuǎn)傳動裝置均布置于回轉(zhuǎn)支撐大齒輪上方的框架式結(jié)構(gòu)上，其動力均由交流伺服電機提供，經(jīng)蝸輪蝸桿減速箱一次減速后，分別通過齒輪機構(gòu)、豎直和水平螺桿傳動實現(xiàn)相應(yīng)功能動作。香蕉果柄夾持與切割復(fù)合執(zhí)行機構(gòu)主要由夾緊驅(qū)動組件、切割鏈鋸擺動組件、鏈鋸組件和擺頭組件所組成，夾緊驅(qū)動組件中的驅(qū)動油缸可驅(qū)使夾鉗實現(xiàn)夾緊與松開，進而可適應(yīng)香蕉果柄直徑變化。當(dāng)夾緊驅(qū)動組件完成對香蕉果柄的夾持動作后，鏈鋸電機啟動，此時切割鏈鋸在鏈鋸電機的帶動下連續(xù)運轉(zhuǎn)，之后切割鏈鋸擺動驅(qū)動油缸驅(qū)使切割鏈鋸擺動組件繞其回轉(zhuǎn)中心擺動，最終實現(xiàn)對香蕉果柄的徑向切入。

圖1 香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人簡圖

1.2 控制功能分解

香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人需要實現(xiàn)的控制功能包括：①車體部分的前進與后退、左轉(zhuǎn)與右轉(zhuǎn)；②機械臂的整體回轉(zhuǎn)、上升與下降、伸出與縮回；③末端夾持與切割執(zhí)行器的左右擺動、夾鉗夾緊與松開、切割鏈鋸啟動與停止等。其中機械臂中3臺伺服電機的控制信號以及末端夾持與切割執(zhí)行器的擺頭信號均屬于伺服控制信號，其他均屬于數(shù)字開關(guān)信號。相關(guān)控制功能在遙控操作器上的布局如圖2所示。

圖2 遙控操作器面板

2 遙控電控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件電路設(shè)計

遙控器電控系統(tǒng)采集兩種信號量：數(shù)字開關(guān)量和直流模擬量。數(shù)字開關(guān)量用于按鍵判斷，按鍵按下為低電平，按鍵抬起為高電平，對應(yīng)遙控器操作面板上的撥動開關(guān)信號；直流模擬量用于控制伺服電機，來自搖桿電位器。搖桿處于中心位置時采集值為2 048，采集值的變化范圍為0～4 095；STM32控制芯片將采集的數(shù)據(jù)暫存，之后判斷是否相對中心位置發(fā)生變化，若某項值發(fā)生變化則生成對應(yīng)的Modbus報文，并通過485串口通信發(fā)送給PLC。期間單片機還會通過485 Modbus通信協(xié)議輪詢PLC中的狀態(tài)位，用于報警燈指示[3]。

遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，主要由遙控電路板、接收電路板、無線發(fā)送和接收模塊、三菱FX5U-80MT PLC和遙控器操作面板所組成，遙控電路板控制芯片選用STM32F030C8T6[4]，負責(zé)采集開關(guān)和搖桿信號；接收電路板負責(zé)接收無線信號并與三菱FX5U-80MT PLC進行通信。遙控器操作面板為輸入控制部分，含6個鈕子開關(guān)、2個搖桿和2個按鈕開關(guān)，用于控制設(shè)備的動作和遙控器的開關(guān)。遙控電路板采集遙控器操作面板上的數(shù)字開關(guān)和直流模擬信號，并轉(zhuǎn)換為串口指令通過無線模塊(HC-12)發(fā)送給接收端，接收電路板中的HC-12芯片將接收到的信號通過板載芯片SP3485EN中的A、B引腳連接至PLC的485接口，并將485接口收到的指令發(fā)送給PLC。遙控電路板與遙控器操作面板兩者之間使用433 MHz無線透傳模塊通信，數(shù)據(jù)采用點對點透明傳輸[5]。遙控器的一個掃描周期分為三個重要步驟：輸入取樣、信息幀發(fā)送與響應(yīng)、輸出結(jié)果。輸入取樣部分不斷掃描鈕子開關(guān)的高低電平和讀取搖桿的位置，將結(jié)果通過信息幀的方式發(fā)送給從機，從機給出響應(yīng)，比對地址是否匹配和是否有警報。輸出結(jié)果部分按照程序內(nèi)容驅(qū)動相關(guān)輸出設(shè)備[6]。

圖3 遙控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 基于STM32的遙控板電路設(shè)計

遙控電路板的MCU采用STM32F030C8T6，該微控制器是一款32位M0系列LQFP-48單片機，其各引腳功能如圖4所示。圖5為遙控板集成電路，其中直接用于機械臂控制的數(shù)字開關(guān)量信號接口有：切割鋸啟動和停止P4，切割擺動開和關(guān)P2，車左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)P1，遙控啟動P3，遙控停止P6，車體行走向前和向后P8，夾緊開和關(guān)P5；直接用于機械臂控制的直流模擬量信號接口有：機械臂上升和下降P9，機械臂轉(zhuǎn)臺左右轉(zhuǎn)P9，機械臂伸出和縮回P10，鉗頭向左和向右擺動P10；其他接口主要有：無線模塊接口P11，程序?qū)懭虢涌赑12，電池插口BT1，充電器插口J1，電源接通指示燈D1，電池電量指示燈D2～D5，PLC報警信號D6。

圖4 遙控板STM32芯片引腳配置

圖5 遙控板集成電路

2.3 接收板電路設(shè)計

接收板電路 SP3485EN芯片是一個低功耗半雙工收發(fā)器，當(dāng)引腳DE為高電平時，該芯片處于發(fā)送模式, 數(shù)據(jù)通過UART_TX引腳發(fā)送出去；當(dāng)引腳RE為低電平時，芯片處于接收模式，數(shù)據(jù)通過UART_RX接收回來。接收板電路SP3485EN芯片的引腳配置情況[7]見表1。圖6為接收板電路，其中P1為24 V直流電源接口，P2為接入PLC的485通信接口，P3位無線模塊接入口。

表1 接收板電路SP3485EN芯片引腳配置

2.4 無線發(fā)送和接收模塊

無線發(fā)送和接收模塊選用HC-12芯片，該芯片是新一代的多通道嵌入式無線串口通信模塊，通信距離最高可達1 000 m，工作頻率為433 MHz，共100個通信頻道。模塊內(nèi)部含有MCU，無需對模塊另外編程，使用方便。數(shù)據(jù)采用點對點透明傳輸，模塊的通信頻道和工作模式需提前用電腦通過串口將其設(shè)置好。

圖6 接收板集成電路

3 基于Modbus的PLC通信控制協(xié)議

本接收機支持標(biāo)準(zhǔn)RTU模式的Modbus協(xié)議，PLC的Modbus地址固定為1、波特率為19 200 bps，數(shù)據(jù)格式為8N1(8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位)。遙控器工作于Master模式，PLC設(shè)備工作于Slave模式[8]。PLC設(shè)備在接收到相應(yīng)的指令后，需要在10 ms之內(nèi)返回相應(yīng)的數(shù)據(jù)。讀信息功能碼為03，寫信息功能碼為06，消息幀格式如表2和表3所示。Modbus協(xié)議中寄存器地址從1開始，而實際存儲中地址從0開始。假如要讀取寄存器編號為40001(4為塊編號，1為Modbus中寄存器地址)的寄存器的數(shù)據(jù)，則應(yīng)把0000放入報文的地址域。詳細的PLC寄存地址配置如圖7所示。

表2 主機(單片機)讀功能查詢信息幀格式

表3 從機(PLC)讀功能響應(yīng)信息幀格式

圖7 PLC寄存地址配置

4 PLC遙控控制程序設(shè)計

4.1 遙控作業(yè)流程和PLC調(diào)用過程

香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人的遙控作業(yè)流程和PLC程序調(diào)用過程如圖8所示，操作人員通過遙控器操作面板執(zhí)行遙控器啟動，對液壓履帶車、伺服連桿機械臂和末端夾持與切割執(zhí)行器進行相應(yīng)功能控制，直至完成對待切香蕉柄的準(zhǔn)確切割，最終吊運至香蕉串的落放位置。每個遙控器功能操作都是在調(diào)用主控程序并執(zhí)行相應(yīng)PLC程序代碼基礎(chǔ)上完成的。

圖8 遙控作業(yè)流程和PLC調(diào)用過程

4.2 遙控器主控程序

主機控制程序的主要設(shè)計思路是將整個控制系統(tǒng)分為四大模塊進行分開編譯。這四大模塊由初始化模塊、中斷服務(wù)函數(shù)、Modbus-RTU通信模塊以及主函數(shù)等組成，先將前三個模塊程序分別在hardware.c、stm32f0xx_it、modbus-rtu.c三個C文件中進行編寫，然后在主函數(shù)main()中進行調(diào)用，在main()主函數(shù)中利用while函數(shù)實現(xiàn)循環(huán)掃描功能。對于主機程序代碼設(shè)計，使用的開發(fā)工具為Keil uVision5軟件，以C語言作為開發(fā)的語言基礎(chǔ)。本程序中主要有5個C文件，main.c為整個程序的入口，hardware.c為外設(shè)的初始化配置，modbus-rtu.c主要包括了信息幀的編寫，stm32f0xx_it為三個中斷服務(wù)函數(shù)的編寫，system_stm32f0xx.c完成了系統(tǒng)時鐘的選擇。各個C文件中的函數(shù)相互調(diào)用，實現(xiàn)了對從機PLC的遠程控制，遙控器主控程序流程圖如圖9所示。

圖9 遙控器主控程序流程圖

圖10為香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人的試驗場景。經(jīng)試驗測試得知,遙控操作的最大響應(yīng)距離為100 m，無線信號的響應(yīng)時間與手動按鈕操作的響應(yīng)時間一致。

圖10 香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人實驗場景

5 結(jié)論

香蕉采摘是一個季節(jié)性較強和勞動密集型的工作，目前仍缺乏行之有效的機械化作業(yè)設(shè)備。本文引入一種香蕉采摘與吊運作業(yè)機器人，該設(shè)備主要包含伺服連桿機械臂、末端夾持與切割執(zhí)行器和液壓履帶車三大主體部分，運用基于RS-485通信網(wǎng)絡(luò)的Modbus通信協(xié)議，實現(xiàn)了主機單片機對從機PLC的遠程控制。