移動(dòng)機(jī)器人底盤控制開關(guān)電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙 亮，馬曉麗，閆智勇，呂雪松，王 浙

（衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州324000）

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]。

圖1 人機(jī)協(xié)作型采摘機(jī)器人

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。

圖2 楊梅采摘機(jī)器人移動(dòng)底盤

移動(dòng)底盤采用同步帶輪結(jié)構(gòu)，用兩個(gè)24 V直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)左右主動(dòng)同步帶輪，經(jīng)同步帶傳動(dòng)帶動(dòng)從動(dòng)同步帶輪運(yùn)動(dòng)，通過控制兩個(gè)電機(jī)使移動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)要求是：兩電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人前進(jìn)，兩電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人后退；電機(jī)1正轉(zhuǎn)、電機(jī)2反轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人右轉(zhuǎn)向；電機(jī)1反轉(zhuǎn)、電機(jī)2正轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)器人左轉(zhuǎn)向。通過調(diào)節(jié)電機(jī)的不同運(yùn)行方式來控制機(jī)器人的靈活運(yùn)動(dòng)（前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向）。

2 控制方案設(shè)計(jì)與分析

2.1 船形開關(guān)控制方案

按照移動(dòng)底盤功能要求，首先采用了雙刀雙擲型的船形開關(guān)控制。由于船形開關(guān)具有3擋位置，一個(gè)開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)控制一個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停動(dòng)，所以用2個(gè)船形開關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)控制移動(dòng)底盤的運(yùn)動(dòng)。其動(dòng)作控制設(shè)計(jì)見表1，表中的K1、K2代表船形開關(guān)，K為電源開關(guān)。船形開關(guān)控制電路如圖3所示。

表1 三檔船形開關(guān)控制動(dòng)作表

圖3 船形開關(guān)控制電路圖

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“?！保蛴昧^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。

表2 按鈕開關(guān)單動(dòng)控制動(dòng)作表

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。

圖4 按鈕開關(guān)單獨(dú)控制電路

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。

表3 按鈕開關(guān)聯(lián)動(dòng)控制動(dòng)作表

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。

圖5 按鈕開關(guān)聯(lián)動(dòng)控制電路

[1]BULANON D M，KATAOKA T.A fruit detection system and an end effector for robotic harvesting of Fuji apples[J].Agricultural Engineering International：CIGR Ejournal，2010，12（1）：1285-1299.

[2]HARRELL R C，ADSIT P D，MUNILLA R D，et al.Robotic picking of citrus[J].Robotica，1990，8（4）：269-278.

[3]MONTA M，KONDO N，TING K C.End-effectors for tomato harvesting robot[J].Artificial Intelligence Review，1998（12）：11-25.

[4]方建軍.移動(dòng)式采摘機(jī)器人研究現(xiàn)狀與進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2004，20（2）：273-278.

[5]CERES R，PONS J L，JIMENEZ J M，et al.Design and implementation of an aided fruit-harvesting robot（Agribot）[J].Industrial robot，1998，25（5）：337-346.

[6]張樹弼.繼電器的正確選擇與使用[J].家庭電子，2005（1）：52.