菜苗移植入穴裝置機械手的設(shè)計與研究.pdf

2 0 2 0 3 2 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 國外研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品移植機器起步很早 特別是在20世紀(jì)90 年代以后 急速發(fā)展的自動控制技術(shù)以及傳感器技術(shù)被應(yīng)用到 相應(yīng)的移植設(shè)備上面 使其機械化 自動化的程度越來越高 并 且全自動技術(shù)愈發(fā)穩(wěn)定及高效 越來越趨向于智能化 實用化 本文設(shè)計的菜苗移植入穴裝置 結(jié)合實際生產(chǎn) 對菜苗移植全 自動移植關(guān)鍵部件 夾持動作部分進行優(yōu)化設(shè)計以及實驗 研究 以期為全自動菜苗移植入穴裝置的研制提供相應(yīng)的思路 與方法 1菜苗移植入穴裝置建模設(shè)計 菜苗移植入穴裝置主要由機械結(jié)構(gòu)部分 夾持動作部分 輸送機構(gòu)部分構(gòu)成 結(jié)構(gòu)如圖1所示 機械手部件設(shè)計圖如圖2以及圖3所示 夾持動作部分主 要是機械手模塊 機械手安裝于機架上并用于抓取輸送機構(gòu)的 輸送端面上的菜苗至菜苗穴板 機械手可沿機架的長 寬 高度 方向運動 把它們分別定義為X Y Z軸方向 X軸電動機構(gòu)用 于帶動抓取件沿機架的長度方向運動 Y軸電動機構(gòu)用于帶動 抓取件沿機架的寬度方向運動 Z軸電動機構(gòu)用于帶動抓取件 沿機架的高度方向運動 2夾持動作部分控制方案設(shè)計 基于菜苗移植入穴裝置的機構(gòu)設(shè)計以及工作原理 它是代 替人工操作者把培育好的菜苗放置到穴盤中 比人工操作更加 有效率并且更節(jié)省勞動力 夾持動作這部分最重要的便是穴苗 的抓起與投放 穴苗的基質(zhì)是土壤和營養(yǎng)液 有一定的強度 但 是穴盤的摩擦力并不大 這個過程的主導(dǎo)者便是夾持 根據(jù)表3和圖2分析 某城市5個區(qū)域道路交通安全狀況 水平差異較大 區(qū)域3安全水平相對值最大 區(qū)域4安全水平相 對值最小 因此需結(jié)合區(qū)域面積 人口數(shù)量 經(jīng)濟發(fā)展?fàn)顩r的相關(guān)性 加強交通安全隱患防范措施 注重駕駛員的管理 加強道路文 化建設(shè) 提高道路交通安全水平 4結(jié)論 依據(jù)道路交通事故四項數(shù)據(jù)與區(qū)域社會經(jīng)濟的相關(guān)性 建 立具有3種不同類型的指標(biāo) 構(gòu)建了區(qū)域道路交通安全的模糊 綜合評價模型 運用模糊綜合評價模型計算了某城市5個區(qū)域 的道路交通安全水平 將定性分析轉(zhuǎn)化為定量評價 得到了理 想的評價效果 同時模糊綜合評價法能在復(fù)雜的系統(tǒng)中較準(zhǔn)確 的反應(yīng)出交通安全狀況 本文所使用的評價方法可操作性強 能客觀公正的評價區(qū)域道路交通安全水平 本文研究結(jié)果可用 作不同區(qū)域道路交通安全水平的橫向比較 也可做同一區(qū)域不 同時段的縱向比較 對及時改善道路交通環(huán)境 提高道路交通 安全管理水平提供理論依據(jù) 參考文獻 1 牛 會 永 基于灰色理論的城市道路交通安全評價研究 J 中 國 安全科學(xué)學(xué)報 2005 9 92 95 91 115 2 劉濤 李 曄 區(qū)域道路交通安 全水平綜合評價和預(yù)測 方法 J 同 濟大 學(xué) 學(xué) 報 自 然 科 學(xué) 版 2005 3 311 315 3 楊天 軍 張 曉 春 楊 曉 光 基 于 BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的城市 道 路 交通 安 全評 價 研 究 J 中 國 礦 業(yè) 大 學(xué)學(xué) 報 2005 1 40 43 4 馬社 強 邵 春 福 左 忠 義 馬 壯 林 基于主成分和聚類分 析的區(qū) 域道路交通安全綜合評價 J 武漢理工大學(xué)學(xué)報 交通科學(xué) 與 工 程 版 2010 34 6 1090 1094 5 Field wick R Brown R J The Effect of Speed Limits on Road Casualties J Traffic Engineering and Control 1987 28 DEC 635 640 6 馬 社 強 區(qū)域道路交通安全評價的理論與方法 D 北 京 北 京 交 通 大 學(xué) 2012 7 宇 仁 德 石 鵬 劉 芳 基于模糊理論的交通安全評價方法的研 究 J 數(shù) 學(xué) 的 實 踐 與認(rèn) 識 2008 7 109 116 8 徐 斌 周 家 祥 朱 鳴 道路交通安全的模糊綜合評價研究 J 科 學(xué)技術(shù)與工程 2009 9 6 1647 1652 菜苗移植入穴裝置機械手的設(shè)計與研究 邱文驍 蔡佳麟 馬書美 李穎姍 蘇欣強 廣 州華夏職業(yè)學(xué)院 廣東 廣 州 510935 摘 要 隨著無土栽培這項新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的興起 大規(guī)模種植農(nóng)作物不再是天方夜譚 引入現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化設(shè)備能夠大 大減 少人工工作強度以及提 高移植效率 且可減少菜 苗移植入穴的時間周期 降 低菜苗的損壞率 本文在 原先設(shè)計菜苗移植入穴 裝置的基礎(chǔ)上 改進其機械爪的控制系統(tǒng) 實現(xiàn)菜苗移植入穴裝置各個機構(gòu)單元之間能夠穩(wěn)定可靠地協(xié)調(diào)配合運行 運用模糊 PID 控制實現(xiàn)系統(tǒng)的快速響 應(yīng)以及取得更高的精度 和更快的調(diào)節(jié)時間 所設(shè)計 的機械爪裝置為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化提供了一種全新的 思 路 與 方 法 關(guān)鍵詞 菜苗移植入穴裝置 機械手 控制系統(tǒng) 模糊 PID 控制 中圖分類號 S223 9 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 2096 4390 2020 32 0017 03 轉(zhuǎn)下頁 17 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2 0 2 0 3 2 系統(tǒng)中的機械手 如果機械手的夾持力度過大則破壞了基質(zhì)更 有甚者會將整個穴苗都?xì)?如果機械手的夾持力度過小 則 可能無法取出穴苗或者在取出的過程中導(dǎo)致穴盤的脫落 并且 該系統(tǒng)有非線性 不確定性 多變性和強耦合等特點 特別是在 其運動過程中 會有一些不確定非線性項 因此這個過程中需要 控制電機的機械手作用力能夠完美控制 在考慮系統(tǒng)的能控 型 實用性以及對菜苗標(biāo)本夾持的準(zhǔn)確性 通過對菜苗移植入 穴裝置夾持動作部分的運行分析 建立其系統(tǒng)控制程序框圖如 圖4所示 在圖4的程序框圖中 步進電機是動力輸出裝置 驅(qū)動器接 受控制器輸出的脈沖信號 繼而驅(qū)動步進電機的運行 步進電 機經(jīng)過減速微調(diào)對機械手進行帶動動作 其偏移量會通過光電 傳感器反饋給控制器 控制器通過對反饋的數(shù)據(jù)與輸入的期望 數(shù)據(jù)相比較 獲得兩者之間位移的偏移量 從而調(diào)整輸入的脈 沖信號 實現(xiàn)夾持動作模塊位移量的精確控制 圖4夾持動作模塊系統(tǒng)框圖 3模糊PID控制器設(shè)計及仿真 在控制系統(tǒng)中 PID控制器是一種將比例 積分 微分等控 制結(jié)合起來的線性控制器 是國內(nèi)外最早的控制策略之一 傳 統(tǒng)的PID控制器因為算法結(jié)構(gòu)簡單 控制參數(shù)獨立 可靠性高 以及魯棒性好 故在機械 電子 化工 冶金等行業(yè)中得到了廣泛 應(yīng)用 PID控制器的關(guān)鍵在于控制器參數(shù)的整定 由于系統(tǒng)中存 在非常多的不確定性 這種不確定性會導(dǎo)致模型參數(shù)發(fā)生變 化 所以更新算法 獲得最優(yōu)的參數(shù)組合 模糊控制 Fuzzy Control 是以模糊語言變量 模糊集合理論以及模糊邏輯推理為 基礎(chǔ)的計算機智能控制方法 是近些年快速發(fā)展起來的新型控 制器 該控制器能夠以控制系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)作為依據(jù) 運 用經(jīng)驗參數(shù)來編制系統(tǒng)的模糊控制規(guī)則 并運用該規(guī)則完成系 統(tǒng)反饋數(shù)據(jù)的模糊化處理以及模糊推理過程 而后計算機根據(jù) 實際響應(yīng) 在線修正PID參數(shù) 最終獲得最適合系統(tǒng)的參數(shù)組 合 本文設(shè)計的模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5所示 圖5模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 在上述設(shè)計的系統(tǒng)中 我們把偏差e以及偏差的變化量ec 作為模糊控制器的輸入 通過反饋調(diào)節(jié)得到期望的誤差值 其 表達(dá)式為 U K p e K i edt K d de dt 用模糊規(guī)則整定出相應(yīng)的 K p K i K d 計算出當(dāng)前的K p K i K d 得到一組最佳的K p K i K d 使系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差最小 響應(yīng)速度最快 PID控制器不僅僅 1 機械 手 2 輸 送 機 構(gòu) 3 穴 盤 4 菜 苗 5 穴 位 6 機 械手夾持電機 7 y 軸 電 機 8 x 軸電 機 9 主體 機 架 10 y 軸 導(dǎo) 向 桿 11 y 軸 導(dǎo) 向套 12 x 軸導(dǎo) 向 桿 13x 軸 導(dǎo) 向 套 14 護 翼 15 機械 手 支 架 16 z 軸 電 機 圖1菜苗移植入穴裝置3D主視圖 圖3夾持動作部分示意圖 圖2機械手3D設(shè)計圖 18 2 0 2 0 3 2 科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 對機械手的定位精度輸出更加高的控制精度 而且對輸出的機 械手力度得到更滿意的控制效果 從而有效降低菜苗穴盤的損 壞率以及提高穴盤移植的準(zhǔn)確率 模糊PID控制算法流程圖如 圖6所示 依據(jù)建立好的數(shù)學(xué)模型 運用Matlab中Simulink的模塊庫 建立步進電機控制系統(tǒng)模糊PID參數(shù)模型 輸入信號設(shè)定為幅 值是1的階躍信號 模糊控制器接受偏差e以及偏差的變化量 ec 基本域為 3 3 利用模糊算法在線修正PID控制器的三個 參數(shù)Kp Ki Kd 以期獲得更好的仿真曲線圖 圖6模糊PID控制算法流程圖 圖7步進電機控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖 運行Simulink中搭建的仿真模型 設(shè)定仿真時間為1s 將 輸出的模糊PID仿真系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖與傳統(tǒng)PID曲線圖放置 同一坐標(biāo)分析 如圖7所示 單一PID控制器上升時間大約是 0 085s 在電機達(dá)到穩(wěn)定運行狀態(tài)之時 調(diào)節(jié)時間為0 3s 超調(diào)量 約為20 而模糊PID控制器曲線上升時間大約是0 13s 調(diào)節(jié) 時間為0 21s 超調(diào)量約為3 響應(yīng)曲線能夠快速地到達(dá)穩(wěn)定狀 態(tài) 由圖像以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)可得出結(jié)論 運用模糊PID控制器 控制的步進電機系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的PID系統(tǒng)更具有調(diào)節(jié)時間 更快捷 超調(diào)量更小 系統(tǒng)穩(wěn)定性更可靠 使系統(tǒng)響應(yīng)曲線更為 平穩(wěn) 因此 將模糊PID控制器應(yīng)用于菜苗移植入穴裝置機械 手夾持動作模塊中 其優(yōu)越性更為明顯 4結(jié)論 為了實現(xiàn)菜苗移植入穴裝置各個機構(gòu)單元之間能夠穩(wěn)定 可靠地協(xié)調(diào)配合運行 本文在原先設(shè)計菜苗移植入穴裝置的基 礎(chǔ)上 結(jié)合實際生產(chǎn) 重新設(shè)計并改進其機械爪模型以及夾持 動作模塊的控制系統(tǒng) 在夾持動作模塊中引入模糊算法以及 PID控制器 采用反饋調(diào)節(jié)的方法提高機械手的控制精度 并在 Matlab中的Simulink仿真環(huán)境下建立模型 輸出相應(yīng)的響應(yīng)曲 線 通過響應(yīng)曲線表明 盡管傳統(tǒng)的PID控制器能夠有較快的 響應(yīng)速度 但是它的上升過程以及超調(diào)量相對模糊PID控制器 來說是不夠理想的 具體表現(xiàn)在較大的超調(diào)量以及較為緩慢的 上升過程 模糊PID不但能夠使得系統(tǒng)有較低的調(diào)節(jié)時間以及 較高的穩(wěn)態(tài)精度 而且能夠使得系統(tǒng)響應(yīng)曲線更為平穩(wěn) 有較 小的超調(diào)量 可以有效降低夾持動作系統(tǒng)因慣性而產(chǎn)生的過沖 現(xiàn)象 因此 運用模糊PID控制器為全自動菜苗移植入穴裝置 夾持動作系統(tǒng)的優(yōu)化具有重要的作用 參考文獻 1 馬 貴 飛 馬 履 中 楊 文 亮 蘋果采摘機器人機械手運動學(xué)分析 與 仿 真 J 農(nóng) 機 化 研究 2010 7 2 陳明 霞 張 寒 王 曉 文 李 徐 勇 基 于 迭 代 學(xué) 習(xí) PID 算 法 的 蘋 果 采摘機器人設(shè)計 J 農(nóng) 機化 研 究 2020 42 6 83 86 129 3 何亞 凱 蔬菜穴盤苗高速栽植自動取苗系統(tǒng)設(shè)計與 研究 D 中 國農(nóng)業(yè)機械化科 學(xué)研究院 2018 4 胡滿 紅 李 虹 飛 基 于 模 糊 PID 的采摘機器人機械手控制 系統(tǒng) 設(shè) 計 J 農(nóng) 機 化 研 究 2021 43 5 245 248 262 5 劉 凡 楊 光 友 楊 康 農(nóng)業(yè)采摘機器人柔性機械手研究 J 中 國 農(nóng) 機 化 學(xué) 報 2019 40 3 173 178 基金項目 2019 年廣東省普通高校青年創(chuàng)新人才類項目 菜苗移植入穴裝置 2019GKQNCX091 19