智能采摘機器人車體及采摘臂安全策略研究

周 偉（江蘇農林職業技術學院,江蘇 句容 212400）

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智能采摘機器人車體及采摘臂安全策略研究

周 偉
（江蘇農林職業技術學院,江蘇 句容 212400）

摘 要：隨著農業機械化程度進展，農業機器智能采摘已經達到廣泛應用。然而相關領域的專業人才相對缺乏，相關畢業的專業的學生較少。本文以較為先進的智能采摘設備為研究對象，并且兼顧教學要求，設計了一款貼近實際并具有教學功能的智能采摘分揀機器人，為相關專業學生教學提供參考。

關鍵詞：農業機器人；自動采摘；機器人教學

1 引言

機器人因其趣味性、功能的綜合性和靈活性等特點，已成為目前職業院校自動化等相關專業重要的創新教育平臺，并且越來越多地用于教學中。但從培養學生創新意識和能力方面來看一般比較難以找到合適的切入點和項目載體。國內的教育機器人品牌和種類都很多，從技術層面講大多是以巡線和簡單動作為主，動作單一，創新空間有限，另有一部分則是球類比賽機器人，功能較強，但其價格昂貴，許多類似高級玩具，創新空間同樣有限。我們學院是一所農業類綜合高職院，從我院的專業特點出發，本團隊選擇以果實采摘為項目載體，結合我們現有的機器人技術基礎，研究設計了一款教學用智能采摘分揀機器人。

2 車體安全策略

2.1 車體安全簡述

由于機器人整體自重為31.5kg，驅動電機最大負載轉速為166r/ min，驅動輪外徑為12cm，所以全速運動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、人體及機器人自身車體的安全，需要設計車體安全策略。

2.2 車體安全策略

（1）硬件設計。本臺機器人在硬件設計時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，并判斷是否小于設定值，如果小于設定值，將降低機器人前進速度，保證車體和場地安全。本臺機器人選擇的距離傳感器模塊是HC-SR04超聲波測距模塊，本模塊性能穩定，測度距離精確，盲區為2cm。其工作電壓為DC5V，靜態電流小于2mA ，電平輸出：高5V、低0V ，感應角度≤15°，探測距離2cm-450cm，精度為0.3cm。其工作原理為：采用IO觸發測距，給至少10us的高電平信號;由模塊自動發送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間．測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s))/2；

2）觸覺傳感器。觸覺傳感器的作用是當車體非常接近障礙物時，由于物理觸碰導致相關電路出發，促使機器人緊急制動停車，避免對場地、車體和人員造成傷害。因為距離傳感器在非常接近障礙物時會存在視覺盲區（如HC-SR04超聲波測距模塊盲區為2cm），所以觸覺傳感器的加裝是很有必要的。本臺機器人選擇的觸覺傳感器模塊是接觸覺傳感器，用于檢測機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、導電橡膠式接觸覺傳感器和導電橡膠絲式接觸覺傳感器。結合本臺機器人實際工況，選擇的是金屬圓頂式高密度接觸覺傳感器。硬件電路設計時將四個金屬圓頂式高密度接觸覺傳感器分別接在四個D觸發器的輸入端，用來產生觸發信號，同時將控制單片機的外部中斷0進行中斷源擴展，四個傳感器任意一個產生觸發均要對驅動輪進行緊急制動。

（2）軟件設計。

1）距離傳感器部分。設計思路：開定時計數器1中斷，做100ms定時，在中斷服務子程序中檢測前方障礙物與車體之間的距離（意為每100ms進行一次測距），具體為設置定時器0位方式1定時工作，設置初值為0，并啟動。

主程序中開通外部中斷1并設定為下降沿觸發方式，由HC-SR04的輸出信號作為觸發信號，在中斷服務子程序中讀取定時計數器0的時間值并參照公式測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s))/2計算測試距離，同時，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，降低采摘機器人運行速度。

2）觸覺傳感器部分。設計思路：主程序中開通外部中斷0并設定為高優先級，下降沿觸發方式，由4個觸覺傳感器的輸出信號經過74LS22和74LS04作為觸發信號，在中斷服務子程序中通過對直流電機反接制動實現采摘機器人的緊急停車。

通常電機制動有3種方式：機械剎車，發電制動，和反接制動。其中制動最快的是反接制動，要求：1.單片機控制的電機驅動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，或者用繼電器構成的正反轉電路。2. 當需要制動時，控制電路將短路切換成電機反轉狀態，當電機轉速降到0，要反轉時停止供電。電機便停轉。需要注意的是由于負載變化，從開始反接到電機速度降為0所需的時間不是固定不變的。結合本項目特點，選用反接制動實現采摘機器人的緊急停車。

3 采摘機械臂安全策略

采摘機械臂采用的是二自由度直角坐標結構，用車體行進取代了傳統三自由度直角坐標結構中的Y向自由度，只保留有X向及Z向兩個自由度，均采用絲杠滑塊結構。如果任意一個自由度上的電機轉動超出設定范圍，那么該電機所帶絲杠上的滑塊必然會卡死在極限位置，這是對應的電機就會出現堵轉現象導致電機燒壞，為了避免類似情況的出現，設計時在X向和Z向的四個極限位置上安裝有四個行程開關，主程序中開通外部中斷0并設定為高優先級，下降沿觸發方式，由4個觸覺傳感器的輸出信號經過74LS22和74LS04作為觸發信號，在中斷服務子程序中首先判斷中斷觸發原因，即是那個行程開關觸發的中斷，然后對應轉入相關中斷服務子程序，使機械臂回歸到0點位置。在此有必要解釋一下，本臺機器人的控制采用的是3塊控制板主從結構控制，機械臂和車體行進分屬不同控制板，所以不存在中斷源的沖突。

4 總結

采摘機器人是一個比較復雜的綜合性的產品，其安全性是所有指標中最為關鍵的部分，本團隊通過大量的實驗遴選出上述方案并加以實現，實踐證明是可靠的。

參考文獻：

[1]陳黎敏.傳感器技術及其應用[M].北京：機械工業出版社,2009(01).

[2]胡漢才.單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2010(03).

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