菜苗移植入穴装置机械手的设计与研究.pdf

2 0 2 0 3 2 科学技术创新 国外研发农产品移植机器起步很早 特别是在20世纪90 年代以后 急速发展的自动控制技术以及传感器技术被应用到 相应的移植设备上面 使其机械化 自动化的程度越来越高 并 且全自动技术愈发稳定及高效 越来越趋向于智能化 实用化 本文设计的菜苗移植入穴装置 结合实际生产 对菜苗移植全 自动移植关键部件 夹持动作部分进行优化设计以及实验 研究 以期为全自动菜苗移植入穴装置的研制提供相应的思路 与方法 1菜苗移植入穴装置建模设计 菜苗移植入穴装置主要由机械结构部分 夹持动作部分 输送机构部分构成 结构如图1所示 机械手部件设计图如图2以及图3所示 夹持动作部分主 要是机械手模块 机械手安装于机架上并用于抓取输送机构的 输送端面上的菜苗至菜苗穴板 机械手可沿机架的长 宽 高度 方向运动 把它们分别定义为X Y Z轴方向 X轴电动机构用 于带动抓取件沿机架的长度方向运动 Y轴电动机构用于带动 抓取件沿机架的宽度方向运动 Z轴电动机构用于带动抓取件 沿机架的高度方向运动 2夹持动作部分控制方案设计 基于菜苗移植入穴装置的机构设计以及工作原理 它是代 替人工操作者把培育好的菜苗放置到穴盘中 比人工操作更加 有效率并且更节省劳动力 夹持动作这部分最重要的便是穴苗 的抓起与投放 穴苗的基质是土壤和营养液 有一定的强度 但 是穴盘的摩擦力并不大 这个过程的主导者便是夹持 根据表3和图2分析 某城市5个区域道路交通安全状况 水平差异较大 区域3安全水平相对值最大 区域4安全水平相 对值最小 因此需结合区域面积 人口数量 经济发展状况的相关性 加强交通安全隐患防范措施 注重驾驶员的管理 加强道路文 化建设 提高道路交通安全水平 4结论 依据道路交通事故四项数据与区域社会经济的相关性 建 立具有3种不同类型的指标 构建了区域道路交通安全的模糊 综合评价模型 运用模糊综合评价模型计算了某城市5个区域 的道路交通安全水平 将定性分析转化为定量评价 得到了理 想的评价效果 同时模糊综合评价法能在复杂的系统中较准确 的反应出交通安全状况 本文所使用的评价方法可操作性强 能客观公正的评价区域道路交通安全水平 本文研究结果可用 作不同区域道路交通安全水平的横向比较 也可做同一区域不 同时段的纵向比较 对及时改善道路交通环境 提高道路交通 安全管理水平提供理论依据 参考文献 1 牛 会 永 基于灰色理论的城市道路交通安全评价研究 J 中 国 安全科学学报 2005 9 92 95 91 115 2 刘涛 李 晔 区域道路交通安 全水平综合评价和预测 方法 J 同 济大 学 学 报 自 然 科 学 版 2005 3 311 315 3 杨天 军 张 晓 春 杨 晓 光 基 于 BP 神经网络的城市 道 路 交通 安 全评 价 研 究 J 中 国 矿 业 大 学学 报 2005 1 40 43 4 马社 强 邵 春 福 左 忠 义 马 壮 林 基于主成分和聚类分 析的区 域道路交通安全综合评价 J 武汉理工大学学报 交通科学 与 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 马 社 强 区域道路交通安全评价的理论与方法 D 北 京 北 京 交 通 大 学 2012 7 宇 仁 德 石 鹏 刘 芳 基于模糊理论的交通安全评价方法的研 究 J 数 学 的 实 践 与认 识 2008 7 109 116 8 徐 斌 周 家 祥 朱 鸣 道路交通安全的模糊综合评价研究 J 科 学技术与工程 2009 9 6 1647 1652 菜苗移植入穴装置机械手的设计与研究 邱文骁 蔡佳麟 马书美 李颖姗 苏欣强 广 州华夏职业学院 广东 广 州 510935 摘 要 随着无土栽培这项新型现代农业技术的兴起 大规模种植农作物不再是天方夜谭 引入现代农业自动化设备能够大 大减 少人工工作强度以及提 高移植效率 且可减少菜 苗移植入穴的时间周期 降 低菜苗的损坏率 本文在 原先设计菜苗移植入穴 装置的基础上 改进其机械爪的控制系统 实现菜苗移植入穴装置各个机构单元之间能够稳定可靠地协调配合运行 运用模糊 PID 控制实现系统的快速响 应以及取得更高的精度 和更快的调节时间 所设计 的机械爪装置为农业现代化提供了一种全新的 思 路 与 方 法 关键词 菜苗移植入穴装置 机械手 控制系统 模糊 PID 控制 中图分类号 S223 9 文献标识码 A 文章编号 2096 4390 2020 32 0017 03 转下页 17 科学技术创新 2 0 2 0 3 2 系统中的机械手 如果机械手的夹持力度过大则破坏了基质更 有甚者会将整个穴苗都毁坏 如果机械手的夹持力度过小 则 可能无法取出穴苗或者在取出的过程中导致穴盘的脱落 并且 该系统有非线性 不确定性 多变性和强耦合等特点 特别是在 其运动过程中 会有一些不确定非线性项 因此这个过程中需要 控制电机的机械手作用力能够完美控制 在考虑系统的能控 型 实用性以及对菜苗标本夹持的准确性 通过对菜苗移植入 穴装置夹持动作部分的运行分析 建立其系统控制程序框图如 图4所示 在图4的程序框图中 步进电机是动力输出装置 驱动器接 受控制器输出的脉冲信号 继而驱动步进电机的运行 步进电 机经过减速微调对机械手进行带动动作 其偏移量会通过光电 传感器反馈给控制器 控制器通过对反馈的数据与输入的期望 数据相比较 获得两者之间位移的偏移量 从而调整输入的脉 冲信号 实现夹持动作模块位移量的精确控制 图4夹持动作模块系统框图 3模糊PID控制器设计及仿真 在控制系统中 PID控制器是一种将比例 积分 微分等控 制结合起来的线性控制器 是国内外最早的控制策略之一 传 统的PID控制器因为算法结构简单 控制参数独立 可靠性高 以及鲁棒性好 故在机械 电子 化工 冶金等行业中得到了广泛 应用 PID控制器的关键在于控制器参数的整定 由于系统中存 在非常多的不确定性 这种不确定性会导致模型参数发生变 化 所以更新算法 获得最优的参数组合 模糊控制 Fuzzy Control 是以模糊语言变量 模糊集合理论以及模糊逻辑推理为 基础的计算机智能控制方法 是近些年快速发展起来的新型控 制器 该控制器能够以控制系统的输入输出数据作为依据 运 用经验参数来编制系统的模糊控制规则 并运用该规则完成系 统反馈数据的模糊化处理以及模糊推理过程 而后计算机根据 实际响应 在线修正PID参数 最终获得最适合系统的参数组 合 本文设计的模糊PID控制系统结构图5所示 图5模糊PID控制系统结构 在上述设计的系统中 我们把偏差e以及偏差的变化量ec 作为模糊控制器的输入 通过反馈调节得到期望的误差值 其 表达式为 U K p e K i edt K d de dt 用模糊规则整定出相应的 K p K i K d 计算出当前的K p K i K d 得到一组最佳的K p K i K d 使系统产生的误差最小 响应速度最快 PID控制器不仅仅 1 机械 手 2 输 送 机 构 3 穴 盘 4 菜 苗 5 穴 位 6 机 械手夹持电机 7 y 轴 电 机 8 x 轴电 机 9 主体 机 架 10 y 轴 导 向 杆 11 y 轴 导 向套 12 x 轴导 向 杆 13x 轴 导 向 套 14 护 翼 15 机械 手 支 架 16 z 轴 电 机 图1菜苗移植入穴装置3D主视图 图3夹持动作部分示意图 图2机械手3D设计图 18 2 0 2 0 3 2 科学技术创新 对机械手的定位精度输出更加高的控制精度 而且对输出的机 械手力度得到更满意的控制效果 从而有效降低菜苗穴盘的损 坏率以及提高穴盘移植的准确率 模糊PID控制算法流程图如 图6所示 依据建立好的数学模型 运用Matlab中Simulink的模块库 建立步进电机控制系统模糊PID参数模型 输入信号设定为幅 值是1的阶跃信号 模糊控制器接受偏差e以及偏差的变化量 ec 基本域为 3 3 利用模糊算法在线修正PID控制器的三个 参数Kp Ki Kd 以期获得更好的仿真曲线图 图6模糊PID控制算法流程图 图7步进电机控制系统响应曲线图 运行Simulink中搭建的仿真模型 设定仿真时间为1s 将 输出的模糊PID仿真系统响应曲线图与传统PID曲线图放置 同一坐标分析 如图7所示 单一PID控制器上升时间大约是 0 085s 在电机达到稳定运行状态之时 调节时间为0 3s 超调量 约为20 而模糊PID控制器曲线上升时间大约是0 13s 调节 时间为0 21s 超调量约为3 响应曲线能够快速地到达稳定状 态 由图像以及相应的数据可得出结论 运用模糊PID控制器 控制的步进电机系统相对于传统的PID系统更具有调节时间 更快捷 超调量更小 系统稳定性更可靠 使系统响应曲线更为 平稳 因此 将模糊PID控制器应用于菜苗移植入穴装置机械 手夹持动作模块中 其优越性更为明显 4结论 为了实现菜苗移植入穴装置各个机构单元之间能够稳定 可靠地协调配合运行 本文在原先设计菜苗移植入穴装置的基 础上 结合实际生产 重新设计并改进其机械爪模型以及夹持 动作模块的控制系统 在夹持动作模块中引入模糊算法以及 PID控制器 采用反馈调节的方法提高机械手的控制精度 并在 Matlab中的Simulink仿真环境下建立模型 输出相应的响应曲 线 通过响应曲线表明 尽管传统的PID控制器能够有较快的 响应速度 但是它的上升过程以及超调量相对模糊PID控制器 来说是不够理想的 具体表现在较大的超调量以及较为缓慢的 上升过程 模糊PID不但能够使得系统有较低的调节时间以及 较高的稳态精度 而且能够使得系统响应曲线更为平稳 有较 小的超调量 可以有效降低夹持动作系统因惯性而产生的过冲 现象 因此 运用模糊PID控制器为全自动菜苗移植入穴装置 夹持动作系统的优化具有重要的作用 参考文献 1 马 贵 飞 马 履 中 杨 文 亮 苹果采摘机器人机械手运动学分析 与 仿 真 J 农 机 化 研究 2010 7 2 陈明 霞 张 寒 王 晓 文 李 徐 勇 基 于 迭 代 学 习 PID 算 法 的 苹 果 采摘机器人设计 J 农 机化 研 究 2020 42 6 83 86 129 3 何亚 凯 蔬菜穴盘苗高速栽植自动取苗系统设计与 研究 D 中 国农业机械化科 学研究院 2018 4 胡满 红 李 虹 飞 基 于 模 糊 PID 的采摘机器人机械手控制 系统 设 计 J 农 机 化 研 究 2021 43 5 245 248 262 5 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 2019 40 3 173 178 基金项目 2019 年广东省普通高校青年创新人才类项目 菜苗移植入穴装置 2019GKQNCX091 19