基于直流電機(jī)驅(qū)動電路的移動式采摘機(jī)器人設(shè)計(jì)

張戰(zhàn)杰

(洛陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 洛陽 471003)

0 引言

隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、機(jī)械自動化及智能控制等技術(shù)的發(fā)展，智能化正在向各個(gè)領(lǐng)域延伸。近年來，農(nóng)業(yè)智能化程度越來越高，擠奶機(jī)器人、放牧機(jī)器人、施肥機(jī)器人、除草機(jī)器人、葡萄園機(jī)器人、育苗機(jī)器人、種植機(jī)器人、分揀果實(shí)機(jī)器人、蜜蜂機(jī)器人及采摘機(jī)器人等相繼問世并得到了實(shí)際應(yīng)用。本文基于直流電機(jī)驅(qū)動策略，設(shè)計(jì)了采摘機(jī)器人大功率電機(jī)驅(qū)動調(diào)速控制系統(tǒng)，對直流電機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)器人上的應(yīng)用具有一定的實(shí)際意義。

1 采摘機(jī)器人移動平臺

采摘機(jī)器人一般由控制系統(tǒng)、移動裝置、末端執(zhí)行器、機(jī)械手、電源、傳感器接口、視覺系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)組成，如圖1所示。移動平臺是采摘機(jī)器人正常行駛的核心，是其能否靈活移動的核心。

圖1 采摘機(jī)器人整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of overall system structure for picking robot

采摘機(jī)器人包括機(jī)械和電氣控制兩部分：機(jī)械部分主要包括履帶底盤、大小臂、夾持器和動力臂轉(zhuǎn)動裝置等；電氣控制部分包括傳感器模塊、障礙物檢測模塊、主控制板、電源、攝像頭和驅(qū)動馬達(dá)等。采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采摘機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The overall structure of the picking robot

圖2中，機(jī)械部分是整機(jī)的硬件框架，為機(jī)器人運(yùn)動和采摘作業(yè)提供了支撐，其各部件作用各不相同，組合起來實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的自主控制。移動平臺是機(jī)器人的基礎(chǔ)，是搭建其他機(jī)械部件的載體，采摘機(jī)器人的機(jī)械手、大小臂、主控制系統(tǒng)、電源模塊都是搭載在移動平臺之上的。電氣部分的功能是采用智能控制的方式驅(qū)動整個(gè)機(jī)械部分，使機(jī)器人正常移動和作業(yè)。

2 采摘機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采摘機(jī)器人的主要工作是實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)果實(shí)的順利采摘，運(yùn)動控制系統(tǒng)的作用無需像特種機(jī)器人處理復(fù)雜的實(shí)時(shí)突發(fā)狀況。為了保證采摘機(jī)器人運(yùn)動系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，避免能源消耗嚴(yán)重和最小限度地降低開發(fā)成本，設(shè)計(jì)了如圖3所示的運(yùn)動系統(tǒng)框架圖。

圖3 采摘機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的框架圖Fig.3 The frame diagram of the motion control system for the picking robot

本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人采用履帶行進(jìn)的方式，前部負(fù)責(zé)控制車體的前行方向，后部控制車體的前后運(yùn)動。前部采用一種位置伺服驅(qū)動的舵機(jī)，根據(jù)控制器指令控制機(jī)器人的轉(zhuǎn)向；后部采用直流電機(jī)驅(qū)動，控制機(jī)器人的前進(jìn)后退。采摘機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)示意如圖4所示。

圖4 采摘機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic diagram of the body structure of the picking robot

3 直流電機(jī)選型及驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 直流電機(jī)選型

采摘機(jī)器人主動輪采用電機(jī)驅(qū)動的方式。由于系統(tǒng)采用36V鋰電池供電，因此選用直接電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量相對較小，容易控制，能夠最大程度地提高采摘機(jī)器人運(yùn)動靈敏性，一般由電動機(jī)、轉(zhuǎn)子、位置傳感器和開關(guān)器組成。直流電機(jī)原理框架如圖5所示。

圖5 直流電機(jī)原理框架Fig.5 Dc motor principle frame

本文采用日本PANASONIC公司的55-110型號直流電機(jī)。該電機(jī)有兩個(gè)極數(shù)；額定功率為30～1 200W；額定電壓為6～110V，具有寬電壓輸入特性；額定轉(zhuǎn)速為150～6 500r/min。該電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成示例圖如圖6所示。

圖6 電機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)構(gòu)成示例Fig.6 The example of the structure of the motor application system

3.2 PWM脈寬調(diào)速原理

控制電機(jī)轉(zhuǎn)速一般是采用PWM脈寬控制的方法。該方法通過改變電機(jī)電樞電壓的接通與斷開的時(shí)間比來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的方法，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。PWM脈寬調(diào)速原理如圖7所示。

圖7 PWM調(diào)速原理Fig.7 The principle of PWM speed regulation

從圖7(b)可以看出：Vd與占空比D并不是完全的線性關(guān)系。當(dāng)系統(tǒng)允許的時(shí)候，可以近似看作為線性關(guān)系。因此，可以看作Ua與占空比D成正比，改變占空比的大小可達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

3.3 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的采摘機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)采用直流電機(jī)驅(qū)動。直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)主要由左右電機(jī)、NMOS驅(qū)動控制電路、光耦隔離器、DC/DC電壓隔離及H橋驅(qū)動電路組成，如圖8所示。

圖8 直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.8 The design structure diagram of DC motor drive system

直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)采用4路PWM信號控制，控制信號采用TTL信號輸入。為了保證電機(jī)控制器的可靠性，避免電機(jī)高壓部分影響微處理器的穩(wěn)定性，采用光電隔離電路，將微處理器與電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行光電隔離。4路PWM電路經(jīng)過光電隔離電路直接控制NMOS驅(qū)動控制電路，然后產(chǎn)生4路非共態(tài)的PWM信號，控制H橋驅(qū)動橋驅(qū)動電路，以脈寬調(diào)制的方式，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.4 直流電機(jī)驅(qū)動部分電路設(shè)計(jì)

1)微處理器最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。根據(jù)直流電機(jī)驅(qū)動控制的特點(diǎn)，了解到控制器主要是處理多種數(shù)據(jù)、控制算法、直流電機(jī)驅(qū)動和人機(jī)交互等，本文選擇ST公司的32位STM32F103C8T6微處理器。該處理器包含一個(gè)支持JTAG仿真的Cortex-M3處理器、與片內(nèi)的存儲控制器接口的局部總線、與中斷控制器的高性能總線AHB和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線VPB，包括指令I(lǐng)-bus、數(shù)據(jù)D-bus、系統(tǒng)S-bus、內(nèi)外部專用外設(shè)等5個(gè)驅(qū)動總線。該處理器具有運(yùn)算能力強(qiáng)、編程簡單、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)?？刂茊卧钚∠到y(tǒng)如圖9所示。

2)光耦隔離電路設(shè)計(jì)。光耦輸入阻抗較小，一般為幾百歐姆，驅(qū)動電流一般在2～20mA，而干擾源阻抗較大，因此輸入端的干擾信號會被抑制掉；另外，光耦的輸入與輸出兩端無電氣聯(lián)系，也不會共地，不會產(chǎn)生共阻抗耦合干擾信號。因此，光電耦合隔離是一種有效將不停電壓控制回路充分進(jìn)行隔離的方式。為了保證采摘機(jī)器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減少電機(jī)驅(qū)動電路模塊對控制部分微處理器造成干擾，提高驅(qū)動電路的可靠性，本文采用光耦器件進(jìn)行電氣隔離設(shè)計(jì)。光耦隔離電路設(shè)計(jì)如圖10所示。

圖9 控制單元最小系統(tǒng)Fig.9 The minimum system of control unit

圖10 光耦隔離電路原理圖Fig.10 The schematic diagram of optocoupler isolation circuit

3)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。采摘機(jī)器人電機(jī)不僅只有單向轉(zhuǎn)動需求，更是需要雙向轉(zhuǎn)動功能。為了實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的四象限驅(qū)動(即滿足機(jī)器人正常的暫定、前進(jìn)和后退等運(yùn)動)，本文采用H橋驅(qū)動方案。H橋電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)如圖11所示。

圖11 H橋電機(jī)驅(qū)動電路原理圖Fig.11 The schematic diagram of H bridge motor drive circuit

圖11中，4個(gè)Nmos晶體管組成H的4條腿，直流電機(jī)則為H中間的“-”。系統(tǒng)想讓電機(jī)正常工作起來，則需處理器給定的PWM信號讓H橋電路中對角的兩個(gè)Nmos管導(dǎo)通。在H橋電機(jī)驅(qū)動中，不同的晶體管導(dǎo)通電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向會不一樣，這樣就能確保電機(jī)是前行還是后退。H橋電路工作的3種模式分別為：①暫停。即四路PWM信號全為低電平，4個(gè)Nmos晶體管工作狀態(tài)為截止，電機(jī)不轉(zhuǎn)動。②前進(jìn)。當(dāng)PWML1_OUT和PWMR2_OUT有高電平產(chǎn)生時(shí)，電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極，電機(jī)會正向轉(zhuǎn)動，機(jī)器人前行。③后退。當(dāng)PWMR1_OUT和PWML2_OUT有高電平產(chǎn)生時(shí)，電源正極經(jīng)Q2從右至左穿過電機(jī)，再經(jīng)Q3回到電源負(fù)極，電機(jī)會反向轉(zhuǎn)動，機(jī)器人后退。

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了驗(yàn)證該采摘機(jī)器人行走系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)包括直行測試和轉(zhuǎn)彎測試：前5次進(jìn)行直行試驗(yàn)，行走距離為2、5、8、10、15m；后5次進(jìn)行轉(zhuǎn)彎試驗(yàn)，轉(zhuǎn)彎角度為30°、60°、90°、150°和180°。行走距離如表1所示，轉(zhuǎn)彎測試如表2所示。

表1 行走距離測試結(jié)果Table 1 The test results of walking distance m

表2 轉(zhuǎn)彎測試結(jié)果Table 2 The turn test result (°)

從表1和表2可以看出：在直行測試中，控制系統(tǒng)保證開環(huán)控制電機(jī)相同的速度，行走誤差較小，在0.38m以內(nèi)；轉(zhuǎn)彎誤差測試中，轉(zhuǎn)彎誤差與轉(zhuǎn)彎角度關(guān)系不大，角度誤差在4.2°以內(nèi)，直行和轉(zhuǎn)彎測試均滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

以采摘機(jī)器人移動行走為研究對象，搭建了采摘機(jī)器人移動平臺，設(shè)計(jì)了運(yùn)動系統(tǒng)控制方案、H橋功率驅(qū)動電路及PWM脈寬調(diào)速策略，可以實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人大功率驅(qū)動調(diào)速控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該采摘機(jī)器人在行走和轉(zhuǎn)彎測試中誤差較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，對直流電機(jī)在其場合的驅(qū)動控制具有一定的參考價(jià)值。