摘  要： 以人機(jī)協(xié)作型楊梅采摘機(jī)器人的移動底盤控制為研究對象，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、聯(lián)動等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)動方案來控制移動底盤的前進(jìn)、后退和左右轉(zhuǎn)向。
關(guān)鍵詞： 移動機(jī)器人；直流電機(jī)；船形開關(guān)；按鈕開關(guān)；電磁繼電器

　自第一臺西紅柿采摘機(jī)器人于1983年在美國誕生以來，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)國家稍落后的中國，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)器人移動底盤的控制為研究對象，采用有線控制直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)方案，對控制電路進(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)移動底盤的前進(jìn)、后退和左右移動。
1 楊梅采摘機(jī)器人的移動底盤
　基于人機(jī)協(xié)作思想，西班牙工業(yè)自動化研究所開發(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、輪式移動機(jī)構(gòu)、機(jī)械手、末端執(zhí)行器、激光測距儀以及機(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)器人的移動底盤采用履帶式雙輪直流減速電機(jī)驅(qū)動，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)器人移動控制。

　該控制方式通過撥動船形開關(guān)的3擋位置來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向和停動，控制原理簡單明了，接線簡單，但操作起來要同時撥動兩個開關(guān)，撥動開關(guān)不同步或者在撥動開關(guān)中出現(xiàn)誤操作時，會產(chǎn)生控制失誤并帶來安全隱患。如控制機(jī)器人的前進(jìn)，如果撥動時誤操作將其中一個開關(guān)撥到“反”向，另一個撥向“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，如果控制者想要其停下，此時若誤操作將其中一個開關(guān)撥到“停”，或用力過猛把其中一個開關(guān)直接撥到“反”時，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)動或產(chǎn)生安全隱患，而且不能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的點(diǎn)動控制。
2.2 按鈕開關(guān)單動控制方案
　對機(jī)器人移動底盤的控制，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)時點(diǎn)動控制功能，以方便機(jī)器人采摘果實(shí)時用機(jī)器人底盤的移動輔助定位。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)動作為：按鈕開關(guān)按下時常閉觸點(diǎn)1、2斷開，常開觸點(diǎn)3、4閉合，此時可只接通其常開觸點(diǎn)3、4來實(shí)現(xiàn)對電機(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關(guān)系，通常應(yīng)用于自動控制電路中。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。
　為了使移動機(jī)器人按要求運(yùn)行方向運(yùn)動并且能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)動控制，設(shè)計(jì)了按鈕開關(guān)單動控制電路。實(shí)現(xiàn)動作和按鈕開關(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，電磁繼電器J1的線圈通電，吸引動觸點(diǎn)1與常開觸點(diǎn)3閉合，此時電機(jī)接入正負(fù)電源開始正轉(zhuǎn)；反之按下按鈕開關(guān)SB2時，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同時按下也不會發(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)對電機(jī)的點(diǎn)動控制，使定位準(zhǔn)確度大大提高。但是，這種單動控制方式還是存在一個運(yùn)行動作需要同時按動兩個按鈕的問題，若按動按鈕不同步會造成控制誤差或控制失效。所以這種控制方式對移動底盤的運(yùn)動控制并不適用，但是對控制機(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)對一個關(guān)節(jié)電機(jī)的點(diǎn)動正、反轉(zhuǎn)控制。
2.3 按鈕開關(guān)聯(lián)動控制方案
　為了實(shí)現(xiàn)按動一個按鈕來控制移動底盤的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向控制，設(shè)計(jì)了按鈕開關(guān)的聯(lián)動控制方案。該方案與按鈕開關(guān)單動控制相同，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)動控制動作表見表3，電路圖如圖5所示。

　該控制方案在操作上可實(shí)現(xiàn)按動其中一個按鈕就可以完成相應(yīng)的一個動作的執(zhí)行，操作簡單，不存在同時按下兩個按鈕時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。
　移動機(jī)器人底盤采用兩個直流減速電機(jī)驅(qū)動控制其運(yùn)動方向和運(yùn)行，即控制這兩個電機(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)重時會損壞機(jī)器人。而采用按鈕開關(guān)方案，具有控制電路簡單、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。按鈕單動方案與聯(lián)動方案相比較，單動方案更適合用于機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)控制，而聯(lián)動方案每個動作只需按動一個按鈕。綜合上述對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)動控制方案，機(jī)械臂關(guān)節(jié)電機(jī)采用單動控制方案。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)際控制測試，試驗(yàn)結(jié)果能滿足控制要求。
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