黃力剛,朱文琦，劉志剛

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽　473000；2.南昌工學院，南昌　330108；3.云南大學 軟件學院，昆明　650091)

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基于輪廓圖元邊緣檢測的新式秸稈上料機械手設(shè)計

黃力剛1,朱文琦1，劉志剛2,3

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，河南 南陽473000；2.南昌工學院，南昌330108；3.云南大學 軟件學院，昆明650091)

摘要：為了解決秸稈粉碎機自動上料問題，設(shè)計了一種新的秸稈上料機械手裝置，提高了秸稈粉碎機作業(yè)的精度和自動化水平。該裝置使用Canny算子對秸稈圖像進行分割，并對弱邊緣進行提取，將提取信息傳遞給機械手PC處理中心，發(fā)出控制機械手的動作的指令；并利用PLC閉環(huán)系統(tǒng)控制，完成了秸稈上料機械手的自動化控制，優(yōu)化了伺服電機的啟停時間和上料的工作效率。同時，對裝置進行了秸稈上料試驗，結(jié)果表明：與人工上料相比，使用自動化控制的機械手可以提高工作效率及秸稈的粉碎質(zhì)量，且可降低上料過程對人造成的損害，是一種安全高效的上料裝置。

關(guān)鍵詞：秸稈粉碎；邊緣檢測；上料裝置；機械手；PLC控制

0引言

我國對飼料的需求量很大，據(jù)統(tǒng)計，每年至少有數(shù)百億斤的糧食和數(shù)千億斤農(nóng)作物秸稈被粉碎加工成飼料。飼料的加工已經(jīng)成為國民經(jīng)濟中非常重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而飼料加工的主要設(shè)備是飼料粉碎機。飼料粉碎機在粉碎過程中刀片轉(zhuǎn)速非常大，人工上料的方式具有一定的危險性，且人工上料的工作效率低，已經(jīng)不能滿足日益增加的生產(chǎn)需要。為此，設(shè)計了一種新的機械手上料裝置，利用圖像邊緣檢測和PLC閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠準確定位秸稈的位置，可較好控制上料精度，完成自動化秸稈上料過程。

1秸稈上料機械手總體設(shè)計

從目前情況來看，農(nóng)作物秸稈用粉碎機械種類不多，其中粗纖維類秸稈大部分采用的還是普通類的通用粉碎機。這些粉碎機的工作效率低、耗能高，市場上也沒有專業(yè)加工秸稈的自動化粉碎機，因此研究粉碎機的自動化上料機械手具有重要的意義。

圖1為秸稈粉碎機的示意圖。其秸稈上料機械手主要由4部分組成，包括機座、臂、腰和手腕，可以參考同類機械手的設(shè)計參數(shù)，對主要尺寸進行設(shè)計，使機械手盡可能具有較大的作業(yè)范圍。綜合考慮各種因素，設(shè)計了機械手的主要參數(shù)，θ1表示腰部轉(zhuǎn)動角度，θ2表示臂俯仰角度，θ3表示手腕起落角度。

圖1　秸稈粉碎機示意圖

表1表示秸稈上料機械的性能參數(shù)表，其中主要設(shè)計參數(shù)包括自由度、坐標形式、額定負荷質(zhì)量以及最大活動范圍等，其中自由度的數(shù)目為5個，采用垂直關(guān)節(jié)型的坐標形式，而額定負荷質(zhì)量取為48kg，最大活動直徑為3.8m。

表1　秸稈上料機械手主要性能參數(shù)

機械手的關(guān)節(jié)控制使用伺服電機控制，其主要工作轉(zhuǎn)速設(shè)置如表2所示。機械手的總體設(shè)計圖如圖2所示。

表2　關(guān)節(jié)最大工作轉(zhuǎn)速表

圖2　秸稈上料機械手的基本構(gòu)成

秸稈上料機械手的手臂通常由驅(qū)動手臂運動的部件與驅(qū)動源相配合，以實現(xiàn)手臂的各種運動。上料機械手的部件主要包括臂部部件、腰部部件和腕部部件。其中，執(zhí)行末端均使用伺服電機來控制。控制的系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖3所示。

圖3　精密秸稈上料機械手總體設(shè)計框圖

圖3中：首先是系統(tǒng)數(shù)據(jù)的初始化，然后通過圖像檢測傳感器采集圖像信號，信號轉(zhuǎn)換后到達PC機進行圖像邊緣提取，提取后和預設(shè)信號進行比對；然后利用PLC閉環(huán)控制，控制伺服電機的動作，完成機械手的動作控制。

2秸稈精密上料機械手精確裝置設(shè)計

2.1秸稈上料機械手結(jié)構(gòu)設(shè)計

腰部的主要設(shè)計是腰部外安放一驅(qū)動電機，驅(qū)動內(nèi)部蝸輪蝸桿傳動裝置，實現(xiàn)豎直主軸的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了臂部部件的旋轉(zhuǎn)。傳動的示意圖如圖4所示。

圖4　腰部部件設(shè)計

臂部的主要設(shè)計是在大臂與肩部連接關(guān)節(jié)處安裝一驅(qū)動電機，帶動與之相連的小齒輪旋轉(zhuǎn)，進而帶動與小齒輪嚙合的大齒輪旋轉(zhuǎn)，大齒輪旋轉(zhuǎn)使得與之相連的軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了臂部的運動。其設(shè)計示意圖如圖5所示。

圖5　臂部部件設(shè)計

秸稈上料機械手相對其關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸應盡可能在質(zhì)量上平衡，這對減小電機負載和提高機器人手臂運動的響應速度是非常有利的。腕部的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。

秸稈上料機械手的3個主要部件主要通過伺服電機來實現(xiàn)精確控制，而其控制系統(tǒng)使用PLC閉環(huán)控制。

圖6　腕部部件設(shè)計

2.2精確和電機控制

為了實現(xiàn)機械手的精確控制，使用PLC閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的方式調(diào)節(jié)電機的運動，機械手由于傳動負載作回轉(zhuǎn)運動。負載額定功率可以表達為

(1)

其中，NL表示負載軸回轉(zhuǎn)速度，Tl表示為負載轉(zhuǎn)矩，η表示減速機效率，則負載加速功率可以表示為

(2)

(3)

其中，NM表示最大力矩， 啟動時間可以表達為

(4)

Tl=Ff·R=G·f·R

(5)

(6)

梯度是一個向量，其幅度和相位分別為

(7)

(8)

其中，偏導數(shù)需要對每一個像素位置進行計算，在實際應用中常常采用小型模版利用卷積運算來近似，Gx和Gy各自使用一個模板。

由圖7可以看出：Canny算子的分割效果最好，能夠檢測到真正的弱邊緣。將提取得到的邊界信息可以傳輸?shù)絇C處理中心，通過PLC控制發(fā)出指令動作，其過程如圖8所示。

圖7　Candy算子玉米秸稈圖像弱邊界提取

圖8　PLC精確閉環(huán)反饋系統(tǒng)

圖8中：首先通過圖像傳感器和圖像變送器把圖像邊緣對應的標準電流信號送到模擬量模塊MAD02，通過PLC通信模塊把圖像邊緣二值化數(shù)值反饋到計算機上；組態(tài)王發(fā)出檢測到圖像進行的一系列指令，并通過機械手的手部、腰部和腕部進行一系列動作，完成精確上料過程；并優(yōu)化伺服電機的啟停時間，提高上料的工作效率。

3精密秸稈上料機械手實驗測試結(jié)果與分析

為了測試本文設(shè)計的精密秸稈上料機械手的有效性和可靠性，使用飼料粉碎機對上料機械手的效果進行了綜合試驗，通過測試首先得到了機械手的動態(tài)響應曲線，如圖9所示。

圖9　調(diào)試系統(tǒng)響應結(jié)果

由圖9可以看出：利用PLC閉環(huán)PID控制后，系統(tǒng)的超調(diào)量很小，且魯棒性較好，其響應過程平穩(wěn)。通過對比機械手自動上料和人工上料的質(zhì)量，得到了如表3所示的結(jié)果。

表3　上料粉碎率測試結(jié)果

由表3可以看出：機械手自動上料可以大大提高秸稈粉碎的質(zhì)量，提高機械粉碎率。這是由于圖像邊緣檢測可以完成對弱邊界的提取，因此機械手的上料精度較高，上料的碎料合格率也較高。

表4表示秸稈自動化上料和人工上料的對比結(jié)果。由表4可以看出：機械手自動上料可以大大提高秸稈粉碎的效率，縮短粉碎時間。這是由于采用PLC閉環(huán)控制可以有效地提高系統(tǒng)的響應速率，從而驗證了自動化機械手可以大大提高工作效率。

表4　上料時間測試結(jié)果

4結(jié)論

1)設(shè)計了一種新的秸稈自動化上料機械手裝置。該機械手通過對秸稈圖像的識別，可自動完成上料操作，采用圖像邊緣檢測可以提取得到秸稈的弱邊界，使用PLC閉環(huán)控制，可以提高上料的精度、縮短上料時間。

2)通過對秸稈上料機械手的測試發(fā)現(xiàn)：圖像邊緣檢測可以完成對弱邊界的提取，機械手的上料精度較高，秸稈的粉碎效果較好。采用PLC閉環(huán)控制可以有效地提高系統(tǒng)的響應速率，提高了工作效率。但是，秸稈上料機械手的性能還有待于進一步升級，如自動化啟停還需要進一步完善，通過功能的優(yōu)化，可以將其推廣到各種飼料粉碎機中。

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Manipulator Design of a New Straw Feeding Based on Contour Map Edge Detection

Huang Ligang1, Zhu Wenqi1, Liu Zhigang2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.School of Software, Yunnan University, Kunming 650091, China)

Abstract：In order to solve the problem of straw crusher automatic feeding, we design a new straw stalk feeding manipulator device, precision and automation level of the straw crusher is improved. The device using canny operator of straw image segmentation, and the weak edge extraction, extracted information to manipulator PC processing center, a control action of the manipulator's instructions, and a closed-loop control system based on PLC, completes the straw stalk feeding automatic control of the manipulator, and optimize the servo motor start-stop time, improve loading efficiency.The last straw is for device feeding experiment, the experimental results can be seen that,compared with the artificial feeding,use of automatic control of the manipulator can improve work efficiency and improve the quality of the shattering of the straw, and can reduce the feeding process of damage,which is a safe and efficient feeding device.

Key words：straw crushing; edge detection; feeding device; manipulator; PLC control

文章編號：1003-188X(2016)07-0015-05

中圖分類號：S226；TH137

文獻標識碼：A

作者簡介：黃力剛(1980-)，男，河南鄧州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-05-20