周 偉（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 句容 212400）

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智能采摘機(jī)器人車體及采摘臂安全策略研究

周 偉
（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 句容 212400）

摘 要：隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度進(jìn)展，農(nóng)業(yè)機(jī)器智能采摘已經(jīng)達(dá)到廣泛應(yīng)用。然而相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)人才相對缺乏，相關(guān)畢業(yè)的專業(yè)的學(xué)生較少。本文以較為先進(jìn)的智能采摘設(shè)備為研究對象，并且兼顧教學(xué)要求，設(shè)計(jì)了一款貼近實(shí)際并具有教學(xué)功能的智能采摘分揀機(jī)器人，為相關(guān)專業(yè)學(xué)生教學(xué)提供參考。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)機(jī)器人；自動(dòng)采摘；機(jī)器人教學(xué)

1 引言

機(jī)器人因其趣味性、功能的綜合性和靈活性等特點(diǎn)，已成為目前職業(yè)院校自動(dòng)化等相關(guān)專業(yè)重要的創(chuàng)新教育平臺(tái)，并且越來越多地用于教學(xué)中。但從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識(shí)和能力方面來看一般比較難以找到合適的切入點(diǎn)和項(xiàng)目載體。國內(nèi)的教育機(jī)器人品牌和種類都很多，從技術(shù)層面講大多是以巡線和簡單動(dòng)作為主，動(dòng)作單一，創(chuàng)新空間有限，另有一部分則是球類比賽機(jī)器人，功能較強(qiáng)，但其價(jià)格昂貴，許多類似高級(jí)玩具，創(chuàng)新空間同樣有限。我們學(xué)院是一所農(nóng)業(yè)類綜合高職院，從我院的專業(yè)特點(diǎn)出發(fā)，本團(tuán)隊(duì)選擇以果實(shí)采摘為項(xiàng)目載體，結(jié)合我們現(xiàn)有的機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)了一款教學(xué)用智能采摘分揀機(jī)器人。

2 車體安全策略

2.1 車體安全簡述

由于機(jī)器人整體自重為31.5kg，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)速為166r/ min，驅(qū)動(dòng)輪外徑為12cm，所以全速運(yùn)動(dòng)情況下若是車體失控撞擊到場地上的立柱或人體，其破壞程度是比較大的。為了場地、人體及機(jī)器人自身車體的安全，需要設(shè)計(jì)車體安全策略。

2.2 車體安全策略

（1）硬件設(shè)計(jì)。本臺(tái)機(jī)器人在硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇加裝了距離傳感器和觸覺傳感器。

1）距離傳感器。距離傳感器的作用是檢測車體前方障礙物的距離，并判斷是否小于設(shè)定值，如果小于設(shè)定值，將降低機(jī)器人前進(jìn)速度，保證車體和場地安全。本臺(tái)機(jī)器人選擇的距離傳感器模塊是HC-SR04超聲波測距模塊，本模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確，盲區(qū)為2cm。其工作電壓為DC5V，靜態(tài)電流小于2mA ，電平輸出：高5V、低0V ，感應(yīng)角度≤15°，探測距離2cm-450cm，精度為0.3cm。其工作原理為：采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號(hào);由模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間．測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2；

2）觸覺傳感器。觸覺傳感器的作用是當(dāng)車體非常接近障礙物時(shí)，由于物理觸碰導(dǎo)致相關(guān)電路出發(fā)，促使機(jī)器人緊急制動(dòng)停車，避免對場地、車體和人員造成傷害。因?yàn)榫嚯x傳感器在非常接近障礙物時(shí)會(huì)存在視覺盲區(qū)（如HC-SR04超聲波測距模塊盲區(qū)為2cm），所以觸覺傳感器的加裝是很有必要的。本臺(tái)機(jī)器人選擇的觸覺傳感器模塊是接觸覺傳感器，用于檢測機(jī)器人的某些部位與外界接觸與否，常用的有四種類型，即：金屬圓頂式高密度接觸覺傳感器、碳纖維紙式高密度接觸覺傳感器、導(dǎo)電橡膠式接觸覺傳感器和導(dǎo)電橡膠絲式接觸覺傳感器。結(jié)合本臺(tái)機(jī)器人實(shí)際工況，選擇的是金屬圓頂式高密度接觸覺傳感器。硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)將四個(gè)金屬圓頂式高密度接觸覺傳感器分別接在四個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，用來產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，同時(shí)將控制單片機(jī)的外部中斷0進(jìn)行中斷源擴(kuò)展，四個(gè)傳感器任意一個(gè)產(chǎn)生觸發(fā)均要對驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行緊急制動(dòng)。

（2）軟件設(shè)計(jì)。

1）距離傳感器部分。設(shè)計(jì)思路：開定時(shí)計(jì)數(shù)器1中斷，做100ms定時(shí)，在中斷服務(wù)子程序中檢測前方障礙物與車體之間的距離（意為每100ms進(jìn)行一次測距），具體為設(shè)置定時(shí)器0位方式1定時(shí)工作，設(shè)置初值為0，并啟動(dòng)。

主程序中開通外部中斷1并設(shè)定為下降沿觸發(fā)方式，由HC-SR04的輸出信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)，在中斷服務(wù)子程序中讀取定時(shí)計(jì)數(shù)器0的時(shí)間值并參照公式測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2計(jì)算測試距離，同時(shí)，判斷距離是否在安全范圍，如果超出安全范圍則減小PWM的占空比，降低采摘機(jī)器人運(yùn)行速度。

2）觸覺傳感器部分。設(shè)計(jì)思路：主程序中開通外部中斷0并設(shè)定為高優(yōu)先級(jí)，下降沿觸發(fā)方式，由4個(gè)觸覺傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過74LS22和74LS04作為觸發(fā)信號(hào)，在中斷服務(wù)子程序中通過對直流電機(jī)反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的緊急停車。

通常電機(jī)制動(dòng)有3種方式：機(jī)械剎車，發(fā)電制動(dòng)，和反接制動(dòng)。其中制動(dòng)最快的是反接制動(dòng)，要求：1.單片機(jī)控制的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路需要有電源反接功能，比如用4只晶體管組成的橋式電路，或者用繼電器構(gòu)成的正反轉(zhuǎn)電路。2. 當(dāng)需要制動(dòng)時(shí)，控制電路將短路切換成電機(jī)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降到0，要反轉(zhuǎn)時(shí)停止供電。電機(jī)便停轉(zhuǎn)。需要注意的是由于負(fù)載變化，從開始反接到電機(jī)速度降為0所需的時(shí)間不是固定不變的。結(jié)合本項(xiàng)目特點(diǎn)，選用反接制動(dòng)實(shí)現(xiàn)采摘機(jī)器人的緊急停車。

3 采摘機(jī)械臂安全策略

采摘機(jī)械臂采用的是二自由度直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)，用車體行進(jìn)取代了傳統(tǒng)三自由度直角坐標(biāo)結(jié)構(gòu)中的Y向自由度，只保留有X向及Z向兩個(gè)自由度，均采用絲杠滑塊結(jié)構(gòu)。如果任意一個(gè)自由度上的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出設(shè)定范圍，那么該電機(jī)所帶絲杠上的滑塊必然會(huì)卡死在極限位置，這是對應(yīng)的電機(jī)就會(huì)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象導(dǎo)致電機(jī)燒壞，為了避免類似情況的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)在X向和Z向的四個(gè)極限位置上安裝有四個(gè)行程開關(guān)，主程序中開通外部中斷0并設(shè)定為高優(yōu)先級(jí)，下降沿觸發(fā)方式，由4個(gè)觸覺傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過74LS22和74LS04作為觸發(fā)信號(hào)，在中斷服務(wù)子程序中首先判斷中斷觸發(fā)原因，即是那個(gè)行程開關(guān)觸發(fā)的中斷，然后對應(yīng)轉(zhuǎn)入相關(guān)中斷服務(wù)子程序，使機(jī)械臂回歸到0點(diǎn)位置。在此有必要解釋一下，本臺(tái)機(jī)器人的控制采用的是3塊控制板主從結(jié)構(gòu)控制，機(jī)械臂和車體行進(jìn)分屬不同控制板，所以不存在中斷源的沖突。

4 總結(jié)

采摘機(jī)器人是一個(gè)比較復(fù)雜的綜合性的產(chǎn)品，其安全性是所有指標(biāo)中最為關(guān)鍵的部分，本團(tuán)隊(duì)通過大量的實(shí)驗(yàn)遴選出上述方案并加以實(shí)現(xiàn)，實(shí)踐證明是可靠的。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳黎敏.傳感器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009(01).

[2]胡漢才.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010(03).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.125