并聯(lián)移栽機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計與研究.pdf

1、設(shè)施農(nóng)業(yè)育苗生產(chǎn)中，為滿足缽苗對生長空間和養(yǎng)分不斷增多的需求，需將其從高密度穴盤移植到低密度穴盤。而缽苗移栽是一項(xiàng)勞動密集型工作，現(xiàn)仍以手工作業(yè)為主，效率低且成本高，難以滿足集約化育苗生產(chǎn)的需求。所以，迫切需要實(shí)現(xiàn)自動化移栽。
　　本研究主要針對高速并聯(lián)移栽機(jī)器人的運(yùn)動控制系統(tǒng)展開設(shè)計與研究。先基于缽苗移栽作業(yè)特點(diǎn)，從提高移栽效率和運(yùn)動平穩(wěn)性出發(fā)，對移栽機(jī)器人進(jìn)行了軌跡規(guī)劃，提出了一種實(shí)現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律的移栽軌跡插補(bǔ)擬合算法;然后基

2、于并聯(lián)移栽機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，對其各組成單元的控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計，并通過系統(tǒng)間運(yùn)動協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)可靠移栽。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)基于缽苗移栽作業(yè)要求，進(jìn)行了移栽軌跡規(guī)劃?；跍?zhǔn)確定位抓取、快速移苗栽植的作業(yè)要求，對取苗爪移栽路徑進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計，提出了垂直升降取苗、植苗，水平快速移動的移栽路徑;并從運(yùn)動平穩(wěn)性和快速性出發(fā)，選取了5次多項(xiàng)式運(yùn)動規(guī)律作為各段移栽軌跡的運(yùn)動控制函數(shù);通過對比4種不同移栽策略下的移栽路

3、徑，優(yōu)選出了移栽路徑最短的移栽方案。
　　(2)提出了一種可實(shí)現(xiàn)特定移栽軌跡運(yùn)動規(guī)律的插補(bǔ)擬合算法?；诓⒙?lián)移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)逆解模型和移栽軌跡運(yùn)動規(guī)律，通過等時插補(bǔ)、運(yùn)動學(xué)逆解、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和速度擬合運(yùn)算，將取苗爪在移栽工作區(qū)間內(nèi)的軌跡運(yùn)動規(guī)律插補(bǔ)擬合為并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)兩主動關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動規(guī)律，當(dāng)?shù)葧r插補(bǔ)時間為4ms時，兩主動關(guān)節(jié)的角速度擬合誤差均在-0.21～0.22rad/s范圍內(nèi)，其擬合曲線與理論曲線基本一致，驗(yàn)證了插補(bǔ)擬合方法的可行性。

4、
　　(3)以PLC為核心，結(jié)合傳感器技術(shù)、C編程、開環(huán)步進(jìn)控制技術(shù)和閉環(huán)伺服控制技術(shù)，對并聯(lián)移栽機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計?；谙到y(tǒng)總體構(gòu)成及缽苗移栽作業(yè)要求，對控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體方案設(shè)計和運(yùn)動控制單元選型。針對系統(tǒng)各組成單元的功能性分析，采用模塊化設(shè)計方法分別對穴盤定位輸送系統(tǒng)、取苗末端執(zhí)行器動作控制系統(tǒng)及并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)的運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件設(shè)計。然后再對整個系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)動協(xié)調(diào)控制、程序結(jié)構(gòu)優(yōu)化和操作界面設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的整體

5、運(yùn)動協(xié)調(diào)。
　　(4)基于移栽軌跡規(guī)劃和插補(bǔ)擬合算法，分別為并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)的兩主動關(guān)節(jié)搭建了基于PID控制的閉環(huán)伺服系統(tǒng)。并采用C語言函數(shù)功能模塊對插補(bǔ)擬合及誤差補(bǔ)償算法進(jìn)行了程序開發(fā)，通過調(diào)用插補(bǔ)擬合子程序?qū)⑷∶缱σ圃攒壽E各插補(bǔ)點(diǎn)在工作空間上的位移和速度信息轉(zhuǎn)化為能反映并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)兩主動關(guān)節(jié)角位移和角速度信息的脈沖個數(shù)和脈沖頻率，然后將此作為控制系統(tǒng)輸入，經(jīng)過PID控制器對并聯(lián)機(jī)構(gòu)兩主動關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動規(guī)律進(jìn)行控制;同時，增

6、量式編碼器將檢測到的電機(jī)轉(zhuǎn)角信息反饋回系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)5次多項(xiàng)式移栽軌跡運(yùn)動規(guī)律。
　　(5)試驗(yàn)驗(yàn)證。先對穴盤定位輸送系統(tǒng)和并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)運(yùn)動控制系統(tǒng)的控制精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明:穴盤定位輸送誤差在0.59mm～1.79mm范圍內(nèi)，取苗爪在并聯(lián)移栽機(jī)構(gòu)兩主動關(guān)節(jié)驅(qū)動下實(shí)現(xiàn)了5次多項(xiàng)式移栽軌跡運(yùn)動規(guī)律，兩主動關(guān)節(jié)的角位移誤差均在-0.25°～+0.30°之間，滿足了移栽定位精度要求。然后對整個系統(tǒng)進(jìn)行了缽苗移栽