果实采摘机器人柔性机械手的设计.pdf

第 1 0 期 总 第 3 8 2 期 2 0 2 1 年 1 0 月 N o 1 0 O C T 文 章 编 号 1 6 7 3 8 8 7 X 2 0 2 1 1 0 0 0 3 5 0 2 果 实 采 摘 机 器 人 柔 性 机 械 手 的 设 计 田 宝 连 江 西 工 业 职 业 技 术 学 院 江 西 南 昌 3 3 0 0 0 0 摘 要 为 解 决 果 实 自 动 采 摘 的 精 准 控 制 问 题 设 计 了 一 款 机 器 人 柔 性 采 摘 机 械 手 详 细 介 绍 了 机 械 手 爪 连 接 件 气 动 控 制 等 机 构 的 设 计 原 理 并 基 于 西 门 子 S 7 2 0 0 型 P L C 设 计 了 机 械 手 的 电 气 控 制 回 路 和 循 环 采 摘 程 序 通 过 在 果 园 现 场 采 摘 试 验 发 现 该 款 机 械 手 运 行 的 柔 性 效 果 良 好 采 摘 成 功 率 为 1 0 0 没 有 出 现 掉 果 漏 摘 等 问 题 关 键 词 农 作 物 果 实 采 摘 机 器 人 柔 性 机 械 手 P L C 中 图 分 类 号 S 2 2 5 9 3 文 献 标 志 码 A d o i 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 6 7 3 8 8 7 X 2 0 2 1 1 0 0 1 4 DesignofFlexibleManipulatorofCropFruitPickingRobot TianBaolian JiangxiVocationalandTechnicalCollegeofIndustry Nanchang330000 Jiangxi China Abstract Abstract The design principles of manipulator claws connecting parts pneumatic control and other mechanisms are introduced in detail and the electrical control circuit and cyclic picking program of the manipulator are designed based on Siemens S7 200 PLC The picking testin the orchard shows thatthe manipulator is running The flexible effectis good the success rate of harvesting crops is100 andtherearenoproblemssuchasfruitdroppingormissingpicking andithasagoodapplicationprospectinthefieldofag riculturalpickingautomation Keywords cropfruits pickingrobot flexiblemanipulator PLC 1 柔 性 机 械 手 整 体 设 计 果 实 采 摘 机 器 人 柔 性 机 械 手 主 要 包 含 P L C 自 动 控 制 模 块 机 械 手 爪 构 件 机 械 手 连 接 件 气 动 控 制 部 件 主 体 机 械 承 载 机 构 报 警 模 块 等 6 个 部 分 其 中 P L C 自 动 控 制 模 块 用 于 组 建 整 个 系 统 的 硬 件 回 路 实 现 对 柔 性 机 械 手 采 摘 的 循 环 自 动 控 制 机 械 手 爪 是 完 成 果 实 采 摘 的 主 要 机 构 连 接 件 是 手 爪 与 气 动 控 制 部 件 的 连 接 模 块 主 体 机 械 承 载 机 构 用 于 装 载 整 个 机 械 手 P L C 模 块 电 源 模 块 报 警 模 块 等 部 件 报 警 模 块 用 于 对 机 械 手 运 行 中 可 能 出 现 的 过 压 过 载 过 流 等 故 障 进 行 报 警 且 出 现 报 警 故 障 系 统 会 自 动 断 电 柔 性 机 械 手 整 体 设 计 框 图 见 图 1 报 警 模 块 电 源 西 门 子 S 7 2 0 0 C P 2 2 6 型 P L C 电 磁 阀 连 接 件 手 爪 气 路 图1 柔 性 机 械 手 整 体 设 计 框 图 Fig 1Theoveralldesignblockdiagramofflexiblemanipulator 2 柔 性 机 械 手 机 构 设 计 2 1 手 爪 设 计 手 爪 是 采 摘 果 实 的 主 要 机 构 由 气 缸 组 件 和 手 爪 组 件 2 个 部 分 构 成 其 中 气 缸 组 件 是 气 路 连 通 和 能 量 传 输 的 载 体 由 于 在 采 摘 果 实 的 过 程 中 机 械 手 需 要 执 行 上 升 旋 转 定 位 抓 取 果 实 下 降 旋 转 复 位 松 开 果 实 系 列 动 作 因 此 在 气 缸 的 配 置 上 包 括 给 手 爪 抓 取 松 开 动 作 提 供 能 量 的 手 指 气 缸 给 手 爪 旋 转 定 位 复 位 动 作 提 供 气 能 的 旋 转 气 缸 给 手 爪 上 升 下 降 动 作 提 供 能 量 的 旋 方 型 气 缸 手 爪 组 件 采 用 硅 胶 制 作 制 作 的 流 程 为 采 用 a u t o C A D 软 件 制 作 手 爪 三 维 模 型 应 用 3 D 打 印 技 术 制 作 手 爪 模 具 制 作 手 爪 内 胆 将 内 胆 放 入 手 爪 模 具 浇 注 硅 胶 等 待 手 爪 固 定 成 型 2 2 连 接 件 设 计 连 接 件 是 手 爪 机 构 与 气 路 气 管 连 接 的 部 件 起 固 定 柔 性 手 爪 和 保 证 气 路 气 密 性 的 作 用 首 先 在 保 证 气 路 气 密 性 设 计 上 通 过 应 用 生 胶 带 固 定 连 接 螺 栓 在 生 胶 带 的 缠 绕 上 务 必 做 到 仔 细 尽 可 能 多 绕 几 圈 其 次 在 柔 性 手 爪 固 定 设 计 上 在 连 接 件 内 部 顶 端 设 计 了 3 个 气 管 气 路 与 三 指 手 爪 连 接 的 通 道 并 通 过 螺 栓 加 固 连 接 气 路 通 道 完 成 连 接 件 设 计 后 需 要 通 过 反 复 的 采 摘 试 验 测 试 气 密 性 和 手 爪 牢 固 程 度 确 保 手 爪 在 完 成 果 实 采 摘 循 环 动 作 中 不 会 出 现 漏 气 掉 落 等 故 障 2 3 气 动 控 制 设 计 气 动 控 制 部 分 为 手 爪 采 摘 果 实 动 作 提 供 能 量 包 含 电 磁 阀 气 动 管 磁 性 开 关 缓 冲 阀 节 流 阀 消 声 器 等 部 件 在 结 构 设 计 上 按 照 柔 性 手 爪 通 过 气 管 连 接 气 动 电 磁 阀 气 动 电 收 稿 日 期 2 0 2 1 0 9 2 4 作 者 简 介 田 宝 连 1 9 9 0 女 江 西 人 硕 士 研 究 生 助 教 研 究 方 向 智 能 控 制 3 5 磁 阀 连 接 气 源 的 方 式 构 成 此 外 在 柔 性 手 爪 上 安 装 数 个 磁 性 开 关 传 感 器 用 来 精 确 检 测 手 爪 采 摘 果 实 的 状 态 缓 冲 阀 节 流 阀 可 调 整 气 压 以 确 保 手 爪 采 摘 果 实 动 作 的 稳 定 性 消 声 器 用 于 降 低 手 爪 循 环 动 作 时 产 生 的 噪 音 图2 手 爪 设 计 图 图3 连 接 件 设 计 图 Fig 2Thedesign Fig 3Thedesign drawingofgripper drawingofconnector 电 磁 阀 驱 动 线 圈 消 声 器 气 源 气 动 电 磁 阀 气 动 管 气 动 手 爪 手 爪 夹 紧 信 号 电 磁 开 关 2 4 V 图4 气 动 控 制 连 接 图 Fig 4Thepneumaticcontrolconnectiondiagram 3 机 械 手 采 摘 自 动 控 制 设 计 3 1 PLC 电 气 控 制 回 路 系 统 以 西 门 子 S 7 2 0 0 型 P L C 为 硬 件 核 心 设 计 还 包 括 外 接 继 电 器 接 触 器 开 关 报 警 指 示 灯 电 气 适 配 件 等 此 外 为 柔 性 机 械 手 采 摘 动 作 控 制 分 配 合 适 的 I O 地 址 也 是 设 计 的 核 心 项 目 具 体 来 说 本 系 统 的 输 入 电 气 地 址 包 括 I 0 0 系 统 启 动 开 关 I 0 1 系 统 停 止 开 关 I 0 2 手 爪 上 升 限 位 磁 性 开 关 传 感 器 I 0 3 手 爪 下 降 限 位 磁 性 开 关 传 感 器 I 0 3 手 爪 旋 转 限 位 磁 性 开 关 传 感 器 I 0 4 手 爪 抓 紧 限 位 磁 性 开 关 传 感 器 I 0 5 连 接 件 传 感 器 本 系 统 的 输 出 电 气 地 址 包 括 Q 0 0 手 爪 上 升 驱 动 电 磁 阀 线 圈 Q 0 1 手 爪 下 降 驱 动 电 磁 阀 线 圈 Q 0 2 手 爪 旋 转 驱 动 电 磁 阀 线 圈 Q 0 6 手 爪 驱 动 电 磁 阀 线 圈 Q 0 4 报 警 指 示 灯 驱 动 线 圈 此 外 在 具 体 的 P L C 电 气 控 制 回 路 配 置 上 应 在 接 线 中 严 格 检 查 各 传 感 器 电 磁 阀 气 路 气 管 输 入 输 出 控 制 端 子 的 连 接 密 封 情 况 确 保 柔 性 手 爪 的 循 环 采 摘 作 业 质 量 3 2 循 环 采 摘 程 序 基 于 P L C 编 译 的 果 实 循 环 采 摘 梯 形 图 程 序 流 程 图 见 图 5 整 个 程 序 的 编 译 执 行 思 路 为 启 动 设 备 系 统 完 成 复 位 和 自 检 机 械 手 初 始 位 为 下 降 限 位 松 开 限 位 旋 转 复 位 状 态 机 器 人 柔 性 机 械 手 运 行 至 果 园 对 应 的 采 摘 区 域 柔 性 机 械 手 按 照 上 升 旋 转 到 位 采 摘 抓 紧 旋 转 复 位 下 降 松 开 放 果 的 循 环 流 程 执 行 采 摘 作 业 采 摘 过 程 中 若 P L C 连 接 的 传 感 器 检 测 到 掉 果 漏 摘 过 压 过 载 过 流 等 故 障 问 题 系 统 指 示 灯 会 闪 烁 并 自 动 停 止 采 摘 作 业 若 采 摘 过 程 中 没 有 发 生 故 障 柔 性 机 械 手 会 自 动 循 环 执 行 采 摘 作 业 直 至 技 术 人 员 按 下 停 止 按 钮 系 统 才 会 停 止 采 摘 此 外 系 统 运 行 过 程 中 若 出 现 停 电 故 障 急 停 会 导 致 的 机 械 手 未 能 停 在 初 始 位 特 编 译 了 机 械 手 再 次 通 电 后 的 自 动 和 手 动 复 位 程 序 即 重 启 系 统 后 倘 若 发 现 机 械 手 未 能 停 在 初 始 位 技 术 人 员 可 按 下 手 动 复 位 开 关 I 0 6 或 自 动 执 行 S M 0 1 初 始 化 程 序 使 机 械 手 回 到 初 始 位 置 具 体 的 梯 形 图 程 序 见 图 6 启 动 系 统 识 别 果 实 并 采 摘 否 否 是 是 是 否 完 成 采 摘 是 否 出 现 故 障 返 回 发 出 报 警 并 停 止 图5 循 环 采 摘 程 序 流 程 图 Fig 5Theflowchartofcircularpickingprocedure 图6 机 械 手 复 位 程 序 Fig 6Themanipulatorresetprocedure 4 结 语 系 统 完 成 设 计 后 在 果 园 中 进 行 了 运 行 试 验 结 果 显 示 该 款 机 械 手 针 对 农 作 物 果 实 的 采 摘 成 功 率 为 1 0 0 没 有 出 现 掉 果 漏 摘 等 问 题 稳 定 性 可 靠 性 和 应 用 性 良 好 在 农 作 物 果 实 自 动 采 摘 生 产 领 域 具 有 一 定 的 推 广 价 值 参 考 文 献 1 刘 凡 杨 光 友 杨 康 农 业 采 摘 机 器 人 柔 性 机 械 手 研 究 J 中 国 农 机 化 学 报 2 0 1 9 4 0 3 1 7 3 1 7 8 2 王 永 刚 农 业 机 器 人 在 农 业 生 产 上 的 应 用 J 乡 村 科 技 2 0 1 9 3 3 1 1 7 1 1 8 3 刘 成 良 农 业 机 器 人 与 智 能 装 备 J 智 慧 农 业 中 英 文 2 0 2 0 2 4 7 农 业 装 备 田 宝 连 果 实 采 摘 机 器 人 柔 性 机 械 手 的 设 计 3 6