1钵苗移栽机器人结构组成及工作原理
如图1所示，钵苗移栽机器人主要由平动二自由度并联移栽机构、气动四针式取苗爪、植苗盘输送带、供苗盘输送带、穴盘输送位置检测传感器、压盘辅助装置以及控制系统组成。并联移栽机构由基座、移栽动平台及两条对称的全铰接运动支链组成，每条支链由主动臂﹑副主动臂和3个从动臂组成，如图2所示。由于主动臂与副动臂、3根从动臂等长且平行，故可简化为如图3所示的2自由度5杆铰接机构。图3中，L1、L2、ui和wi(i=1，2)表示支链中主动臂、从动臂的长度及单位矢量;θi1和θi2分别表示支链中主动臂和从动臂的位置角;r=(x，y)T表示动平台参考点O'的位置矢量;e表示两电机轴的偏心距。详细的运动学和动力学分析参见参考文献［11］。工作时，安装在基座上的2个伺服电机经减速器分别驱动2个主动臂绕主动关节转动，主动臂带动从动臂，进而带动移栽动平台运动。由于主动臂和从动臂均由平行四边形构成，利用平行四边形的姿态保持性，使得两主动臂的独立转动转换为动平台的二维平动［12－13］。气动四针式取苗爪安装在动平台上，用于夹取和放置钵苗;而穴盘输送系统则垂直于移栽机构的工作平面独立布置，用于供苗盘和植苗盘的纵向间歇性进给。并联移栽机构的任务是通过与两条独立穴盘定位输送系统和气动取苗爪伸缩控制系统间的运动协调，将供苗盘中钵苗依次移栽到植苗盘相应穴孔中。由于该移栽机构采用闭环并联结构，伺服电机安装在基座上，机构刚度大;从动臂可制作成轻杆，运动质量小、惯性低，动平台可获得较高的速度和加速度，满足了穴盘钵苗高速﹑中短距的移栽作业要求。
2钵苗移栽机器人控制原理分析
为满足准确定位抓取、高速移动栽植的钵苗移栽作业要求，取苗爪的工作模式设定为“定位—抓取—定位—移植”。具体工作原理如图4所示。以基座上两电机轴中心连线的中点为原点，中心连线所在直线为x轴，垂直方向直线为y轴，建立坐标系。其中，x轴为两电机的零点位置;矩形Q1Q2Q3Q4为并联移栽机构的工作区间。工作时，系统根据供、植苗盘内待移出和植入钵苗的穴孔位置信息，规划出气动取苗爪的移栽路径;然后遵循特定的轨迹运动规律控制函数(如5次多项式运动规律)，对每段移栽轨迹进行PVT插补;再应用平动二自由度并联机构的运动学逆解模型，将移栽动平台在工作区间内各插补点的位置P(x，y)、速度v(vx，vy)转换成并联移栽机构两主动关节相对于各自零位(x轴)的转角角度θ(θ11，θ21)和转角速度ω(θ·11，θ·21)，进而转换为两伺服电机的脉冲个数n(n1，n2)和脉冲频率f(f1，f2)。钵苗移栽系统采用伺服闭环控制，考虑机电耦合效应，可建立如图5所示的控制系统模型。该模型的系统输入为移栽动平台在工作区间中的理想设定轨迹s(t)，经运动学逆解模型转换为速度环的输入即理想角速度，通过PID控制器控制伺服电机，从而控制移栽机构的两主动关节输入。另一方面，移栽机构的机械部分通过本身的动力学特性反作用于伺服电机，从而影响其实际输出;移栽机构两主动关节的实际输入经运动学正解模型得到动平台的实际轨迹s'(t)再反馈回系统与理想轨迹进行比较。其中，αT为测速反馈系数。
3控制系统设计
3．1硬件设计由于并联移栽机构的工作区间轨迹是关节区间的非线性映射，工作时需要进行大量的正、逆解运算;整个系统需要4路高速脉冲输出，分别负责并联移栽机构的两主动关节输入和两条独立穴盘输送系统的动力输入;此外，系统间还需进行高速通信。为此，控制核心选用信捷XCC－32T－E/C型高性能PLC。其支持5路高速脉冲输出(带两轴直线、圆弧插补功能)和CAD运动控制;带有高速浮点数运算和C语言编辑功能块，处理速度为0．2μs;采用NPN型晶体管输出，I/O分配为18点/14点;支持MODBUS通讯和CAN总线通讯。并联移栽机构两主动关节的动力输入选用松下A4系列MDDDT5540型驱动器驱动的额定功率为1．5kW的中等惯量电机MDMA152P1H。两条独立穴盘定位输送系统也均采用伺服闭环控制来实现穴盘的间歇性精确定量进给。上述伺服电机均带有增量式编码器以形成位置反馈。压盘杆动作气缸和取苗爪的伸缩运动分别选用1个二位三通式电磁阀和1个二位五通式电磁阀来进行控制。此外，系统还需配有相应的传感器进行信号检测。并联移栽机构两主动臂的零点位置和极限位置，以及压杆压盘到位信号检测均选用电感式接近开关LJ8A3－2－Z/BX，检测距离为2mm;供苗盘和植苗盘的输送到位信号检测选用松下透过型光电传感器CX－411E+CX－411D，检测距离可达10m;有无穴盘信号检测采用松下回归反射型(带偏极滤光器)光电传感器CX－491，检测距离达3m。所有传感器均为NPN输出。整个系统的硬件构成如图6所示。3．2软件设计钵苗移栽机器人控制系统主要由高性能运动控制型PLC、4个交流伺服电机、1个二位三通式电磁阀、1个二位五通式电磁阀、5个电感式接近开关和4个光电传器等构成，共有12个输入信号和10个输出信号。其I/O点分配如表1所示。移栽机器人在自动运行模式下的总体协调作业流程如图7所示。系统启动后，供苗盘、植苗盘开始输送;与此同时，可启动钵苗移栽系统，并依次执行主电路上电、伺服使能打开和回零操作。待供苗盘、植苗盘均输送到工作位置，压盘动作气缸驱动压盘杆压好供苗盘，且移栽动平台回到零点位置时，气动四针式取苗爪复位(张开回针)，然后开始钵苗移栽作业并计数(每完成1次钵苗移栽过程，计数器C1、C2便自动加1)。待取完1行时(C1=N1)，供苗盘进给1行，并将计数器C1清零，计数器C11加1;待植满1行时(C2=N2)，植苗盘进给1行，并将计数器C2清零，计数器C12加1;待移完或植满1盘时(C11=L1或C12=L2)，将对应的计数器C11或C12清零，并将新的供苗盘或植苗盘输送至移栽工作平面，进行下一穴盘的移植作业并计数。其中，N1和N2分别为供苗盘和植苗盘的列数，L1和L2分别为供苗盘和植苗盘的行数。作业过程中，供苗盘输送单元、植苗盘输送单元及钵苗移栽系统间通过并行程序结构实现各自的独立运行，同时将各系统的准备就绪信号(如M100、M101、M102和M103)作为选择性分支条件，实现彼此间的信息交流，进而实现系统间的协调运行，确保钵苗移栽机器人的连续循环作业。
4结论
本文基于平动二自由度并联机构，设计了一种高速钵苗移栽机器人。该机器人用以实现设施蔬菜、花卉类作物从高密度盘到低密度盘或营养钵的高速移栽;根据钵苗移栽作业要求和系统工作原理，以PLC为核心，集自编程序、传感器、伺服控制等技术为一体，对其控制系统进行了软硬件设计，实现了系统间的运动协调和自动化移栽。以育苗期为28天、钵体含水率为60%左右的黄瓜苗为对象，在移栽机构动平台最大加速度为45m/s2、最高移栽频率45次/min下，进行30盘128孔穴盘到50孔穴盘的钵苗移栽连续运行试验。试验表明，该钵苗移栽机器人控制系统设计合理、系统间运动协调可靠，移栽成功率平均达91．4%以上，单爪移栽速率可达2700株/h，满足了自动化移栽作业要求。
作者：胡建平 严宵月 何俊艺 关静 单位：江苏大学 现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室
