香蕉采摘與吊運作業機器人PLC遙控系統設計*

張日紅，任 雷，朱立學，時 龍，鐘建鳴

(1.仲愷農業工程學院 機電工程學院，廣東 廣州 510225；2.寶佳那智(青島)機器人應用有限公司，山東 青島 266100)

0 引言

目前香蕉采摘仍以人工作業為主，勞動強度很大，而香蕉采摘機械的研究是一個復雜且繁重的綜合性工程，國內外陸續出現了一些香蕉采摘機械，可以實現替代人工作業、降低果實損傷[1]。多功能、自動化、智能化香蕉采摘機械是當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、切割和吊放作業整體性完成的作業設備具有明顯的優勢。香蕉采摘與吊運作業機器人由采摘作業機械臂、末端夾持與切割執行器和履帶式行走單元組成，本文利用PLC控制技術的高可靠性、高適應性和易于編程控制的特點，對香蕉采摘與吊運作業機器人進行集成控制設計，為研發全自動化、智能化香蕉無損采摘提供技術積累。

1 香蕉采摘與吊運作業機器人工作原理與控制功能分解

1.1 設備工作原理

香蕉采摘與吊運作業機器人采用多套平行四連桿機構嵌套結構，可實現末端夾持與切割執行器的升降與伸縮調整，同時保證末端夾持與切割執行器始終保持水平姿態，其結構簡圖如圖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、伸縮與回轉傳動裝置均布置于回轉支撐大齒輪上方的框架式結構上，其動力均由交流伺服電機提供，經蝸輪蝸桿減速箱一次減速后，分別通過齒輪機構、豎直和水平螺桿傳動實現相應功能動作。香蕉果柄夾持與切割復合執行機構主要由夾緊驅動組件、切割鏈鋸擺動組件、鏈鋸組件和擺頭組件所組成，夾緊驅動組件中的驅動油缸可驅使夾鉗實現夾緊與松開，進而可適應香蕉果柄直徑變化。當夾緊驅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運轉，之后切割鏈鋸擺動驅動油缸驅使切割鏈鋸擺動組件繞其回轉中心擺動，最終實現對香蕉果柄的徑向切入。

圖1 香蕉采摘與吊運作業機器人簡圖

1.2 控制功能分解

香蕉采摘與吊運作業機器人需要實現的控制功能包括：①車體部分的前進與后退、左轉與右轉；②機械臂的整體回轉、上升與下降、伸出與縮回；③末端夾持與切割執行器的左右擺動、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行器的擺頭信號均屬于伺服控制信號，其他均屬于數字開關信號。相關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 遙控電控系統設計

2.1 硬件電路設計

遙控器電控系統采集兩種信號量：數字開關量和直流模擬量。數字開關量用于按鍵判斷，按鍵按下為低電平，按鍵抬起為高電平，對應遙控器操作面板上的撥動開關信號；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據暫存，之后判斷是否相對中心位置發生變化，若某項值發生變化則生成對應的Modbus報文，并通過485串口通信發送給PLC。期間單片機還會通過485 Modbus通信協議輪詢PLC中的狀態位，用于報警燈指示[3]。

遙控系統結構框圖如圖3所示，主要由遙控電路板、接收電路板、無線發送和接收模塊、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]，負責采集開關和搖桿信號；接收電路板負責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、2個搖桿和2個按鈕開關，用于控制設備的動作和遙控器的開關。遙控電路板采集遙控器操作面板上的數字開關和直流模擬信號，并轉換為串口指令通過無線模塊(HC-12)發送給接收端，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，數據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、信息幀發送與響應、輸出結果。輸入取樣部分不斷掃描鈕子開關的高低電平和讀取搖桿的位置，將結果通過信息幀的方式發送給從機，從機給出響應，比對地址是否匹配和是否有警報。輸出結果部分按照程序內容驅動相關輸出設備[6]。

圖3 遙控系統結構框圖

2.2 基于STM32的遙控板電路設計

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字開關量信號接口有：切割鋸啟動和停止P4，切割擺動開和關P2，車左轉和右轉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，機械臂轉臺左右轉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，程序寫入接口P12，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 接收板電路設計

接收板電路 SP3485EN芯片是一個低功耗半雙工收發器，當引腳DE為高電平時，該芯片處于發送模式, 數據通過UART_TX引腳發送出去；當引腳RE為低電平時，芯片處于接收模式，數據通過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 無線發送和接收模塊

無線發送和接收模塊選用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。模塊內部含有MCU，無需對模塊另外編程，使用方便。數據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置好。

圖6 接收板集成電路

3 基于Modbus的PLC通信控制協議

本接收機支持標準RTU模式的Modbus協議，PLC的Modbus地址固定為1、波特率為19 200 bps，數據格式為8N1(8位數據位，無奇偶校驗，1位停止位)。遙控器工作于Master模式，PLC設備工作于Slave模式[8]。PLC設備在接收到相應的指令后，需要在10 ms之內返回相應的數據。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)的寄存器的數據，則應把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)讀功能響應信息幀格式

圖7 PLC寄存地址配置

4 PLC遙控控制程序設計

4.1 遙控作業流程和PLC調用過程

香蕉采摘與吊運作業機器人的遙控作業流程和PLC程序調用過程如圖8所示，操作人員通過遙控器操作面板執行遙控器啟動，對液壓履帶車、伺服連桿機械臂和末端夾持與切割執行器進行相應功能控制，直至完成對待切香蕉柄的準確切割，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用主控程序并執行相應PLC程序代碼基礎上完成的。

圖8 遙控作業流程和PLC調用過程

4.2 遙控器主控程序

主機控制程序的主要設計思路是將整個控制系統分為四大模塊進行分開編譯。這四大模塊由初始化模塊、中斷服務函數、Modbus-RTU通信模塊以及主函數等組成，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main()中進行調用，在main()主函數中利用while函數實現循環掃描功能。對于主機程序代碼設計，使用的開發工具為Keil uVision5軟件，以C語言作為開發的語言基礎。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為三個中斷服務函數的編寫，system_stm32f0xx.c完成了系統時鐘的選擇。各個C文件中的函數相互調用，實現了對從機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機器人的試驗場景。經試驗測試得知,遙控操作的最大響應距離為100 m，無線信號的響應時間與手動按鈕操作的響應時間一致。

圖10 香蕉采摘與吊運作業機器人實驗場景

5 結論

香蕉采摘是一個季節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設備。本文引入一種香蕉采摘與吊運作業機器人，該設備主要包含伺服連桿機械臂、末端夾持與切割執行器和液壓履帶車三大主體部分，運用基于RS-485通信網絡的Modbus通信協議，實現了主機單片機對從機PLC的遠程控制。