移動機器人底盤控制開關電路的設計與實現(xiàn)*

趙 亮，馬曉麗，閆智勇，呂雪松，王 浙

（衢州學院 機械工程學院，浙江 衢州324000）

自第一臺西紅柿采摘機器人于1983年在美國誕生以來，采摘機器人的研究和開發(fā)至今已有30多年，歐美和日本等機器人開發(fā)先進國家相繼研究了采摘蘋果、柑桔、西紅柿等水果的智能機器人項目[1-3]。根據(jù)對智能機器人的不同理解，目前采摘機器人的研究朝著人機協(xié)作型和自主智能型兩種不同的方向發(fā)展[4]。人機協(xié)作型機器人需要人的參與，同自主型智能機器人相比，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，所以人機協(xié)作型采摘機器人的研究不僅能提高機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)采摘機器人的產業(yè)化，因而在機器人研究與開發(fā)較發(fā)達國家稍落后的中國，開發(fā)人機協(xié)作型機器人更具有現(xiàn)實意義。本文以人機協(xié)作型楊梅采摘機器人移動底盤的控制為研究對象，采用有線控制直流電機的正、反轉方案，對控制電路進行了研究與試驗，以經濟、準確和實用的控制方式實現(xiàn)移動底盤的前進、后退和左右移動。

1 楊梅采摘機器人的移動底盤

基于人機協(xié)作思想，西班牙工業(yè)自動化研究所開發(fā)了一種人機協(xié)作型的采摘機器人，如圖1所示。該機器人由操作臺、輪式移動機構、機械手、末端執(zhí)行器、激光測距儀以及機器人控制系統(tǒng)等組成。機器人導航和目標定位由操作人員來完成，機器人的路徑規(guī)劃、關節(jié)控制以及采摘機構的控制等由機器人控制系統(tǒng)完成[5]。

圖1 人機協(xié)作型采摘機器人

楊梅采摘機器人也是按照人機協(xié)作型理念來開發(fā)的，該機器人主要用于農業(yè)觀光游中機器人采摘或機械化采摘項目。該機器人的移動底盤采用履帶式雙輪直流減速電機驅動，如圖2所示，控制要求是能實現(xiàn)車輪底盤的前進、后退和左右轉向。由于機器人本體重量較大，電機的功率選型也較大，采用無線遙控方式成本較高，因此在機器人樣機研制上采用有線按鈕控制方式來實現(xiàn)機器人移動控制。

圖2 楊梅采摘機器人移動底盤

移動底盤采用同步帶輪結構，用兩個24 V直流減速電機驅動左右主動同步帶輪，經同步帶傳動帶動從動同步帶輪運動，通過控制兩個電機使移動底盤運動。運動要求是：兩電機正轉時機器人前進，兩電機反轉時機器人后退；電機1正轉、電機2反轉時機器人右轉向；電機1反轉、電機2正轉時機器人左轉向。通過調節(jié)電機的不同運行方式來控制機器人的靈活運動（前進、后退和左右轉向）。

2 控制方案設計與分析

2.1 船形開關控制方案

按照移動底盤功能要求，首先采用了雙刀雙擲型的船形開關控制。由于船形開關具有3擋位置，一個開關能夠實現(xiàn)控制一個電機的正轉、反轉和停動，所以用2個船形開關就可以實現(xiàn)控制移動底盤的運動。其動作控制設計見表1，表中的K1、K2代表船形開關，K為電源開關。船形開關控制電路如圖3所示。

表1 三檔船形開關控制動作表

圖3 船形開關控制電路圖

該控制方式通過撥動船形開關的3擋位置來實現(xiàn)電機的換向和停動，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，撥動開關不同步或者在撥動開關中出現(xiàn)誤操作時，會產生控制失誤并帶來安全隱患。如控制機器人的前進，如果撥動時誤操作將其中一個開關撥到“反”向，另一個撥向“正”向，機器人就只消耗電能而不能前進；而機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撥到“停”，或用力過猛把其中一個開關直接撥到“反”時，就有可能造成機器人的側翻，引起安全隱患和設備損壞。

由上述分析可知，這種控制電路的設計方案簡單，所用開關元器件少，但是操作繁瑣，容易造成誤操作而引起機器人不能運動或產生安全隱患，而且不能實現(xiàn)機器人的點動控制。

2.2 按鈕開關單動控制方案

對機器人移動底盤的控制，除了要求有前進、后退和左右轉向功能外，還應具有實時點動控制功能，以方便機器人采摘果實時用機器人底盤的移動輔助定位。所以設計了采用按鈕開關和繼電器等元器件的單動控制方案。

元器件的開關采用按鈕開關，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，按觸點的結構動作為：按鈕開關按下時常閉觸點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系，通常應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”，能起到安全、方便的開關作用。該方案采用“DC12V-5A 4開4閉”電磁繼電器，1個電機要用2組“繼電器+按扭開關”，一組控制正轉，另一組控制反轉。另外，電機電源是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電源開關各1個。

為了使移動機器人按要求運行方向運動并且能夠實現(xiàn)點動控制，設計了按鈕開關單動控制電路。實現(xiàn)動作和按鈕開關的操作見表2，控制電路如圖4所示。

表2 按鈕開關單動控制動作表

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行控制，常閉觸點2與電機電源的負極相連，常開觸點3與電機電源的正極相連，兩動觸點1分別與電機的正極和負極相連，控制電源電流通過4、5流入電磁繼電器。當按下按鈕開關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，此時電機接入正負電源開始正轉；反之按下按鈕開關SB2時，線圈2通電，電機開始反轉。即便發(fā)生誤操作將按鈕開關SB1、SB2同時按下也不會發(fā)生短路。因此，該電路設計的安全性達到了使用的要求。又因為采用的是按鈕開關，可以實現(xiàn)對電機的點動控制，使定位準確度大大提高。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，但是對控制機器人關節(jié)電機是適用的，2組按鈕開關和繼電器即可實現(xiàn)對一個關節(jié)電機的點動正、反轉控制。

圖4 按鈕開關單獨控制電路

2.3 按鈕開關聯(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、后退和轉向控制，設計了按鈕開關的聯(lián)動控制方案。該方案與按鈕開關單動控制相同，都是采用“按鈕開關+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]。電路設計采用4組“繼電器+按鈕開關”，其聯(lián)動控制動作表見表3，電路圖如圖5所示。

表3 按鈕開關聯(lián)動控制動作表

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。

移動機器人底盤采用兩個直流減速電機驅動控制其運動方向和運行，即控制這兩個電機的正、反轉。雙聯(lián)雙刀雙擲6腳船形開關控制方案所用元器件少，但是按動開關容易造成誤操作，由此帶來控制失效和出現(xiàn)安全問題，嚴重時會損壞機器人。而采用按鈕開關方案，具有控制電路簡單、使用方便、易于維護、抗干擾能力強、控制準確等優(yōu)點，不用耽心誤操作帶來的安全問題和設備損壞，關鍵是按鈕操作的點控功能使移動控制得心應手，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械臂關節(jié)電機控制，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，楊梅采摘機器人底盤控制選用按鈕開關聯(lián)動控制方案，機械臂關節(jié)電機采用單動控制方案。按照文中電路設計制作了兩種按鈕控制電路，并對機器人底盤樣機和機械臂關節(jié)電機進行了實際控制測試，試驗結果能滿足控制要求。

圖5 按鈕開關聯(lián)動控制電路

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