基于PLC的車(chē)載酒精檢測(cè)智能機(jī)械手系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 海口 570228）

酒后駕駛是當(dāng)今死亡人數(shù)最多的一項(xiàng)交通事故，為了進(jìn)一步的減少駕駛員酒后駕駛的概率發(fā)生，必須從源頭進(jìn)行控制和限制。目前國(guó)內(nèi)外已經(jīng)研制出車(chē)載檢測(cè)儀器，有駕駛室酒精檢測(cè)儀、一體化汽車(chē)酒精鎖與人臉識(shí)別加圖像存儲(chǔ)測(cè)試儀、皮膚血管酒精檢測(cè)儀和激光酒精檢測(cè)儀及控制裝置[1]-[2]，這些系統(tǒng)都有漏洞，其主要表現(xiàn)在檢測(cè)誤差大、成本高、自動(dòng)化程度不高以及部分檢測(cè)技術(shù)還相對(duì)不太成熟?；诖?，本研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套車(chē)載機(jī)械手智能酒精檢測(cè)系統(tǒng)，將機(jī)械手與酒精檢測(cè)創(chuàng)新的結(jié)合在一起，同時(shí)也達(dá)到了自動(dòng)化的要求。同時(shí)本系統(tǒng)采用了可編程控制器(PLC)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算操作的電子控制裝置。PLC具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能好、易于編程、靈活通用、可靠性高等一系列特性而廣泛用于工業(yè)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)一方面能夠由機(jī)械手自動(dòng)送達(dá)酒精檢測(cè)儀器靠近駕駛?cè)藛T口鼻附近，達(dá)到近距離檢測(cè)效果，另一方面該系統(tǒng)在滿足酒精檢測(cè)要求的前提下也不需要大規(guī)模的改裝汽車(chē)，只需要在駕駛員后背安裝該裝置就能達(dá)到檢測(cè)效果。因此該系統(tǒng)的提出將是汽車(chē)酒精檢測(cè)的一大進(jìn)步[3]-[5]。

1 智能檢測(cè)系統(tǒng)原理及方法

1.1 檢測(cè)原理

本研究是根據(jù)機(jī)械手與酒精檢測(cè)相結(jié)合設(shè)計(jì)一套車(chē)載酒精檢測(cè)系統(tǒng)，其工作原理：當(dāng)駕駛員打開(kāi)車(chē)門(mén)進(jìn)入駕駛室并坐下時(shí)，駕駛員的背部靠在后背椅上，并碰到智能機(jī)械手壓力開(kāi)關(guān)，此時(shí)智能機(jī)械手開(kāi)始啟動(dòng)（智能機(jī)械手嵌在駕駛員后背椅的頂部的左側(cè)面）。首先主臂1向x軸旋轉(zhuǎn)90度，小臂2繞z軸旋轉(zhuǎn)90度并根據(jù)駕駛員的身體寬度自動(dòng)調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，然后小臂3在沿z軸旋轉(zhuǎn)270度運(yùn)動(dòng)到接近口腔的一定位置附近，在小臂3上裝有酒精檢測(cè)儀器并經(jīng)過(guò)傳感器控制汽車(chē)是否點(diǎn)火。

其中該套機(jī)械手布置示意圖如圖1所示。

圖1 機(jī)械手布置示意圖

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程

該系統(tǒng)的智能機(jī)械手運(yùn)動(dòng)工作流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

2 檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 酒精檢測(cè)智能機(jī)械手設(shè)計(jì)

該酒精檢測(cè)智能機(jī)械手設(shè)計(jì)如圖3所示。其主要有四部分組成主臂1、小臂2、小臂3以及酒精檢測(cè)儀組成。

圖3 機(jī)械手示意圖

該機(jī)械手能夠運(yùn)動(dòng)到司機(jī)一定位置處，并進(jìn)行酒精檢測(cè)，如果檢測(cè)到有酒精存在則立即切斷點(diǎn)火線路，因此汽車(chē)無(wú)法行駛，從而避免了因醉酒導(dǎo)致的意外交通事故的發(fā)生，如果未檢測(cè)到酒精的存在則機(jī)械手自動(dòng)折疊回縮到司機(jī)后座的固定槽內(nèi)。

2.2 硬件部分設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件部分選用三菱 FX2N系列晶體管輸出型PLC，其中機(jī)械手臂旋轉(zhuǎn)選用SH-20403型模塊步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。檢測(cè)機(jī)械手的外部接線圖如圖4所示。

圖4 機(jī)械手外部接線圖

機(jī)械手在未啟動(dòng)時(shí)，嵌在司機(jī)后座上椅左旁溝槽內(nèi)。當(dāng)人體坐在該座位上時(shí)，機(jī)械手開(kāi)始工作。X1～X8是該機(jī)械手自動(dòng)伸展開(kāi)與回縮的限位控制開(kāi)關(guān)。X9是司機(jī)人為手動(dòng)按鈕開(kāi)關(guān)，按下該按鈕可以進(jìn)行 X10～X15對(duì)應(yīng)進(jìn)行手動(dòng)調(diào)試操作。X16是酒精檢測(cè)儀的限位前段氣體檢測(cè)開(kāi)關(guān)，X17是檢測(cè)酒精內(nèi)部控制限位開(kāi)關(guān)。在機(jī)械手里面裝有步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)只有在有脈沖信號(hào)(Y0)時(shí)，將脈沖信號(hào)(Y0)輸送到Y(jié)1（控制主臂旋轉(zhuǎn)），同理將信號(hào)輸送至Y2、Y3、Y4。Y5控制酒精檢測(cè)，Y6控制點(diǎn)火電路的切斷模式。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

酒精檢測(cè)智能機(jī)械手系統(tǒng)在選擇手動(dòng)或自動(dòng)前，系統(tǒng)則是處于手機(jī)駕駛座位椅的側(cè)槽中。如果是自動(dòng)檢測(cè)方式，該工作的順序動(dòng)作為以下操作：主臂1旋轉(zhuǎn)展開(kāi)限位X1→小臂2旋轉(zhuǎn)展開(kāi)限位X2→小臂2伸展限位X3→……→小臂1回收限位X8。

該系統(tǒng)的機(jī)械手自動(dòng)工作方式的順序功能圖如圖 4所示。其中智能機(jī)械手主臂1、小臂2、小臂3的旋轉(zhuǎn)是由輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖頻率控制，脈沖頻率和脈沖數(shù)可以司機(jī)實(shí)際情況在程序中設(shè)定，具有可重復(fù)檢測(cè)性。

圖5 自動(dòng)運(yùn)動(dòng)方式順序功能圖

本系統(tǒng)使用了PLC梯形圖順序編程的方法。該編程方式簡(jiǎn)單、修改方便。當(dāng)每完成上一個(gè)步驟就開(kāi)始動(dòng)作下一個(gè)操作，從而依次順序進(jìn)行，當(dāng)完成后則停止其中一個(gè)限位開(kāi)關(guān)，則該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)停止工作。從而能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)伸展，酒精的自動(dòng)檢測(cè)。

2.4 機(jī)械手部分參數(shù)

主臂1旋轉(zhuǎn)角度：900

主臂1臂長(zhǎng)：10.5cm

小臂2旋轉(zhuǎn)角度∶900

小臂2的基本長(zhǎng)度：21cm

小臂2伸出長(zhǎng)度：38cm

小臂3旋轉(zhuǎn)角度：2700

小臂3臂長(zhǎng)：15.5cm

經(jīng)檢測(cè)智能機(jī)械手設(shè)計(jì)如圖3所示。其主要有四部分組成主臂1、小臂2、小臂3以及酒精檢測(cè)儀組成。

3 總結(jié)

（1）設(shè)計(jì)了一套智能機(jī)械手檢測(cè)酒精的系統(tǒng)，具有自動(dòng)化檢測(cè)的效果，并從硬件與軟件的設(shè)計(jì)使該系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

（2）該系統(tǒng)的成本低，不需要大量的改動(dòng)車(chē)內(nèi)結(jié)構(gòu)。并且將機(jī)械手與酒精檢測(cè)相結(jié)合在檢測(cè)領(lǐng)域是一大創(chuàng)新，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)車(chē)載酒精檢測(cè)具有一定的影響意義。

[1]盧玲,胡記,文徐亮.基于酒精含量檢測(cè)的車(chē)輛限制啟動(dòng)系統(tǒng)[J].科技論壇,2010(11)17.

[2]徐樂(lè)樂(lè).新型紅外酒精檢測(cè)儀面世[J].科技前沿.2006.(7)51.

[3]馬圣乾,等. 車(chē)載即時(shí)測(cè)健康防酒駕智能檢測(cè)器的設(shè)計(jì)[J].泰山學(xué)院學(xué)報(bào).2011.5(33):80-83.

[4]陳新亞.汽車(chē)為什么會(huì)“跑”,圖解汽車(chē)結(jié)構(gòu)與原理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[5]麻友良.汽車(chē)點(diǎn)火系統(tǒng)原理與故障檢修實(shí)例[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2010.