摘 要： 以人機(jī)協(xié)作型楊梅采摘機(jī)器人的移動(dòng)底盤控制為研究對(duì)象,，采用開關(guān)電路控制直流電機(jī)的正,、反轉(zhuǎn)，設(shè)計(jì)了三刀船形開關(guān)和按鈕開關(guān)的單動(dòng),、聯(lián)動(dòng)等3種控制電路,，分析了3種控制電路的實(shí)現(xiàn)方法和性能，最終確定以按鈕開關(guān)聯(lián)動(dòng)方案來控制移動(dòng)底盤的前進(jìn),、后退和左右轉(zhuǎn)向,。
關(guān)鍵詞： 移動(dòng)機(jī)器人；直流電機(jī),；船形開關(guān),；按鈕開關(guān)；電磁繼電器
自第一臺(tái)西紅柿采摘機(jī)器人于1983年在美國(guó)誕生以來,，采摘機(jī)器人的研究和開發(fā)至今已有30多年,，歐美和日本等機(jī)器人開發(fā)先進(jìn)國(guó)家相繼研究了采摘蘋果,、柑桔,、西紅柿等水果的智能機(jī)器人項(xiàng)目[1-3]。根據(jù)對(duì)智能機(jī)器人的不同理解,，目前采摘機(jī)器人的研究朝著人機(jī)協(xié)作型和自主智能型兩種不同的方向發(fā)展[4],。人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人需要人的參與,，同自主型智能機(jī)器人相比，其優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在系統(tǒng)可靠性高,、采摘成功率和采摘效率高,，所以人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人的研究不僅能提高機(jī)器人的采摘效率和成功率，還能大幅度降低系統(tǒng)的成本,，有利于盡早實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化,，因而在機(jī)器人研究與開發(fā)較發(fā)達(dá)國(guó)家稍落后的中國(guó)，開發(fā)人機(jī)協(xié)作型機(jī)器人更具有現(xiàn)實(shí)意義,。本文以人機(jī)協(xié)作型楊梅采摘機(jī)器人移動(dòng)底盤的控制為研究對(duì)象,，采用有線控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)方案,，對(duì)控制電路進(jìn)行了研究與試驗(yàn),，以經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和實(shí)用的控制方式實(shí)現(xiàn)移動(dòng)底盤的前進(jìn),、后退和左右移動(dòng),。
1 楊梅采摘機(jī)器人的移動(dòng)底盤
基于人機(jī)協(xié)作思想，西班牙工業(yè)自動(dòng)化研究所開發(fā)了一種人機(jī)協(xié)作型的采摘機(jī)器人，如圖1所示,。該機(jī)器人由操作臺(tái),、輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)械手,、末端執(zhí)行器,、激光測(cè)距儀以及機(jī)器人控制系統(tǒng)等組成。機(jī)器人導(dǎo)航和目標(biāo)定位由操作人員來完成,，機(jī)器人的路徑規(guī)劃,、關(guān)節(jié)控制以及采摘機(jī)構(gòu)的控制等由機(jī)器人控制系統(tǒng)完成[5]。
楊梅采摘機(jī)器人也是按照人機(jī)協(xié)作型理念來開發(fā)的,，該機(jī)器人主要用于農(nóng)業(yè)觀光游中機(jī)器人采摘或機(jī)械化采摘項(xiàng)目,。該機(jī)器人的移動(dòng)底盤采用履帶式雙輪直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，如圖2所示,，控制要求是能實(shí)現(xiàn)車輪底盤的前進(jìn),、后退和左右轉(zhuǎn)向。由于機(jī)器人本體重量較大,，電機(jī)的功率選型也較大,，采用無線遙控方式成本較高，因此在機(jī)器人樣機(jī)研制上采用有線按鈕控制方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)控制,。
該控制方式通過撥動(dòng)船形開關(guān)的3擋位置來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向和停動(dòng),，控制原理簡(jiǎn)單明了，接線簡(jiǎn)單,，但操作起來要同時(shí)撥動(dòng)兩個(gè)開關(guān)，撥動(dòng)開關(guān)不同步或者在撥動(dòng)開關(guān)中出現(xiàn)誤操作時(shí),，會(huì)產(chǎn)生控制失誤并帶來安全隱患,。如控制機(jī)器人的前進(jìn)，如果撥動(dòng)時(shí)誤操作將其中一個(gè)開關(guān)撥到“反”向,，另一個(gè)撥向“正”向,，機(jī)器人就只消耗電能而不能前進(jìn)；而機(jī)器人在正確向前運(yùn)行時(shí),，如果控制者想要其停下,，此時(shí)若誤操作將其中一個(gè)開關(guān)撥到“停”，或用力過猛把其中一個(gè)開關(guān)直接撥到“反”時(shí),，就有可能造成機(jī)器人的側(cè)翻,，引起安全隱患和設(shè)備損壞。
由上述分析可知,，這種控制電路的設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)單,，所用開關(guān)元器件少，但是操作繁瑣，容易造成誤操作而引起機(jī)器人不能運(yùn)動(dòng)或產(chǎn)生安全隱患,，而且不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的點(diǎn)動(dòng)控制,。
2.2 按鈕開關(guān)單動(dòng)控制方案
對(duì)機(jī)器人移動(dòng)底盤的控制，除了要求有前進(jìn),、后退和左右轉(zhuǎn)向功能外,，還應(yīng)具有實(shí)時(shí)點(diǎn)動(dòng)控制功能，以方便機(jī)器人采摘果實(shí)時(shí)用機(jī)器人底盤的移動(dòng)輔助定位,。所以設(shè)計(jì)了采用按鈕開關(guān)和繼電器等元器件的單動(dòng)控制方案,。
元器件的開關(guān)采用按鈕開關(guān)，選用2腳常開按鈕或4腳常開常閉按鈕即可,。若為4腳按鈕,，按觸點(diǎn)的結(jié)構(gòu)動(dòng)作為：按鈕開關(guān)按下時(shí)常閉觸點(diǎn)1、2斷開,，常開觸點(diǎn)3,、4閉合，此時(shí)可只接通其常開觸點(diǎn)3,、4來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的點(diǎn)位控制,。
繼電器是一種電子控制器件，它具有輸入回路與輸出回路之間的互動(dòng)關(guān)系,，通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中,。它實(shí)際上是一種用較小的電流去控制較大電流的“自動(dòng)開關(guān)”，能起到安全,、方便的開關(guān)作用,。該方案采用“DC12V-5A 4開4閉”電磁繼電器，1個(gè)電機(jī)要用2組“繼電器+按扭開關(guān)”,，一組控制正轉(zhuǎn),，另一組控制反轉(zhuǎn)。另外,，電機(jī)電源是24 V,，而繼電器電源是12 V，所以電路中還需配置24 V和12 V電源開關(guān)各1個(gè),。
為了使移動(dòng)機(jī)器人按要求運(yùn)行方向運(yùn)動(dòng)并且能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)動(dòng)控制,，設(shè)計(jì)了按鈕開關(guān)單動(dòng)控制電路。實(shí)現(xiàn)動(dòng)作和按鈕開關(guān)的操作見表2,，控制電路如圖4所示,。
該控制方案巧妙地運(yùn)用了電磁繼電器的常開常閉觸點(diǎn)來對(duì)電路進(jìn)行控制，常閉觸點(diǎn)2與電機(jī)電源的負(fù)極相連,，常開觸點(diǎn)3與電機(jī)電源的正極相連,，兩動(dòng)觸點(diǎn)1分別與電機(jī)的正極和負(fù)極相連，控制電源電流通過4、5流入電磁繼電器,。當(dāng)按下按鈕開關(guān)SB1時(shí),，電磁繼電器J1的線圈通電，吸引動(dòng)觸點(diǎn)1與常開觸點(diǎn)3閉合,，此時(shí)電機(jī)接入正負(fù)電源開始正轉(zhuǎn),；反之按下按鈕開關(guān)SB2時(shí)，線圈2通電,，電機(jī)開始反轉(zhuǎn),。即便發(fā)生誤操作將按鈕開關(guān)SB1、SB2同時(shí)按下也不會(huì)發(fā)生短路,。因此,，該電路設(shè)計(jì)的安全性達(dá)到了使用的要求。又因?yàn)椴捎玫氖前粹o開關(guān),，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)控制,，使定位準(zhǔn)確度大大提高。但是,，這種單動(dòng)控制方式還是存在一個(gè)運(yùn)行動(dòng)作需要同時(shí)按動(dòng)兩個(gè)按鈕的問題,，若按動(dòng)按鈕不同步會(huì)造成控制誤差或控制失效。所以這種控制方式對(duì)移動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)控制并不適用,，但是對(duì)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)是適用的,，2組按鈕開關(guān)和繼電器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的點(diǎn)動(dòng)正、反轉(zhuǎn)控制,。
2.3 按鈕開關(guān)聯(lián)動(dòng)控制方案
為了實(shí)現(xiàn)按動(dòng)一個(gè)按鈕來控制移動(dòng)底盤的前進(jìn),、后退和轉(zhuǎn)向控制，設(shè)計(jì)了按鈕開關(guān)的聯(lián)動(dòng)控制方案,。該方案與按鈕開關(guān)單動(dòng)控制相同,，都是采用“按鈕開關(guān)+繼電器”，為了提高電路的可靠性又加了三級(jí)管和電阻等元件[6],。電路設(shè)計(jì)采用4組“繼電器+按鈕開關(guān)”，其聯(lián)動(dòng)控制動(dòng)作表見表3,，電路圖如圖5所示,。
該控制方案在操作上可實(shí)現(xiàn)按動(dòng)其中一個(gè)按鈕就可以完成相應(yīng)的一個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行，操作簡(jiǎn)單,，不存在同時(shí)按下兩個(gè)按鈕時(shí)不同步而造成的操作失誤,。只是元器件有所增加，電路制作稍難,。
移動(dòng)機(jī)器人底盤采用兩個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制其運(yùn)動(dòng)方向和運(yùn)行,，即控制這兩個(gè)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。雙聯(lián)雙刀雙擲6腳船形開關(guān)控制方案所用元器件少,，但是按動(dòng)開關(guān)容易造成誤操作,，由此帶來控制失效和出現(xiàn)安全問題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞機(jī)器人,。而采用按鈕開關(guān)方案,，具有控制電路簡(jiǎn)單、使用方便,、易于維護(hù),、抗干擾能力強(qiáng)、控制準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn),，不用耽心誤操作帶來的安全問題和設(shè)備損壞,，關(guān)鍵是按鈕操作的點(diǎn)控功能使移動(dòng)控制得心應(yīng)手，只是元器件種類和數(shù)量上稍多,。按鈕單動(dòng)方案與聯(lián)動(dòng)方案相比較,，單動(dòng)方案更適合用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制，而聯(lián)動(dòng)方案每個(gè)動(dòng)作只需按動(dòng)一個(gè)按鈕,。綜合上述對(duì)3種方案的分析和比較,，楊梅采摘機(jī)器人底盤控制選用按鈕開關(guān)聯(lián)動(dòng)控制方案，機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)采用單動(dòng)控制方案,。按照文中電路設(shè)計(jì)制作了兩種按鈕控制電路,，并對(duì)機(jī)器人底盤樣機(jī)和機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行了實(shí)際控制測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果能滿足控制要求,。
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