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，以經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和實用的控制方式實現(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)器人不能運動或產(chǎn)生安全隱患，而且不能實現(xiàn)機(jī)器人的點動控制。
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)具有實時點動控制功能，以方便機(jī)器人采摘果實時用機(jī)器人底盤的移動輔助定位。所以設(shè)計了采用按鈕開關(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，按觸點的結(jié)構(gòu)動作為：按鈕開關(guān)按下時常閉觸點1、2斷開，常開觸點3、4閉合，此時可只接通其常開觸點3、4來實現(xiàn)對電機(jī)的點位控制。
　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)器人按要求運行方向運動并且能夠?qū)崿F(xiàn)點動控制，設(shè)計了按鈕開關(guān)單動控制電路。實現(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用了電磁繼電器的常開常閉觸點來對電路進(jìn)行控制，常閉觸點2與電機(jī)電源的負(fù)極相連，常開觸點3與電機(jī)電源的正極相連，兩動觸點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1與常開觸點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)計的安全性達(dá)到了使用的要求。又因為采用的是按鈕開關(guān)，可以實現(xiàn)對電機(jī)的點動控制，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)和繼電器即可實現(xiàn)對一個關(guān)節(jié)電機(jī)的點動正、反轉(zhuǎn)控制。
2.3 按鈕開關(guān)聯(lián)動控制方案
　為了實現(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)動控制其運動方向和運行，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、控制準(zhǔn)確等優(yōu)點，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)行了實際控制測試，試驗結(jié)果能滿足控制要求。
參考文獻(xiàn)
[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，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.