智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

吳軻 王凱亮 華棟 崔佩儀

摘要 為進(jìn)一步提升我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)效率以及重物搬運(yùn)作業(yè)的安全性，本文基于ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。首先對(duì)該智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，然后分硬件和軟件兩個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，確保所設(shè)計(jì)的重物搬運(yùn)機(jī)器人對(duì)重復(fù)性勞動(dòng)作業(yè)的工作效率的提升，同時(shí)，降低事故發(fā)生率。

【關(guān)鍵詞】ATmega16 單片機(jī) 智能重物搬運(yùn)機(jī)器人 路徑識(shí)別

在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中以及目前的一些物流搬運(yùn)中，存在著很多工作崗位需要人工進(jìn)行高負(fù)荷的重復(fù)性操作，比如工業(yè)生產(chǎn)線以及自動(dòng)化倉(cāng)庫(kù)等等。對(duì)于工人而言，就單一工作、單一動(dòng)作進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的重復(fù)往往會(huì)導(dǎo)致勞動(dòng)效率降低或是靈敏度降低，并且還極易出現(xiàn)工作事故，威脅工作人員的人身安全。隨著智能化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，這一類型機(jī)器人其具有效率高、投入少等優(yōu)點(diǎn)，能夠較好地勝任簡(jiǎn)單重復(fù)性的工作。鑒于此，本文基于ATmega16單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有自動(dòng)標(biāo)識(shí)檢測(cè)、自動(dòng)抓取以及搬運(yùn)以及碼放貨物功能的智能重物搬運(yùn)機(jī)器人，以期利用這一機(jī)器人來(lái)提高工業(yè)勞動(dòng)效率和作業(yè)的安全性，以下為具體研究?jī)?nèi)容：

1 總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)在系統(tǒng)硬件組成上主要包括主控制器模塊、舵機(jī)控制模塊、黑線檢測(cè)及路徑識(shí)別模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、穩(wěn)壓模塊、下載模塊以及蜂鳴提示模塊幾個(gè)部分。在軟件部分，采用ATmega16單片機(jī)為其核心控制器，通過(guò)安裝于行動(dòng)部分前段的渦流傳感器對(duì)路徑進(jìn)行自動(dòng)化的識(shí)別，通過(guò)安裝于機(jī)械手臂頂端以及后端的紅外傳感器對(duì)貨物位置以及倉(cāng)庫(kù)位置進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別，并且將所獲得的信息及時(shí)性的傳遞至主控單位進(jìn)一步對(duì)其進(jìn)行處理。在完成以上步驟后，ATmega16單片機(jī)再對(duì)所獲得到的信息進(jìn)行分析，然后對(duì)舵機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行PWM控制，完成對(duì)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的五對(duì)自由度機(jī)械手臂以及循跡行進(jìn)的精準(zhǔn)有效控制。

2 硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 主控制器模塊

在智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)部分，需要滿足對(duì)循跡及五對(duì)機(jī)械手臂的控制，也就是需要完成對(duì)五個(gè)舵機(jī)、兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)以及六個(gè)傳感器的控制。此處需要十三個(gè)I/O接口，在方便、實(shí)用以及經(jīng)濟(jì)的原則下，文章選擇ATmega16單片機(jī)作為本智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的主控制器，其具有低功耗、高性能以及功能高度集成等諸多優(yōu)點(diǎn)，就本智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的功能完成而言，并不需要進(jìn)行進(jìn)一步的功能擴(kuò)展，且可以使用C語(yǔ)言完成編程工作。

在具體的電路設(shè)計(jì)上如圖1所示，采用PCO、PC1端口作為渦流傳感器的連接口，繼而實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑信號(hào)的獲取，在經(jīng)過(guò)單片機(jī)分析后，再將其輸出給PD6、PD7，繼而完成對(duì)機(jī)器人循跡運(yùn)動(dòng)的有效控制。再使用PD2-PD5對(duì)機(jī)器人所安裝的四個(gè)紅外傳感器信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將處理后的信號(hào)分析后在輸出到PAO、PA1、PA2、PA3、PA4中，對(duì)機(jī)器人五對(duì)機(jī)械手臂上的五個(gè)舵機(jī)PWM輸出予以控制，繼而完成最后的抓貨和收臂的動(dòng)作。

2.2 航機(jī)控制模塊

智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手臂部分共有五對(duì)機(jī)械手臂，每個(gè)手臂設(shè)定五個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，包括手指、手腕、手肘、肩以及基座五個(gè)關(guān)節(jié)，在其中間連接處采用孔件完成相連，在手指模塊部分，最末端安裝紅外傳感器。通過(guò)調(diào)控的方式完成對(duì)每個(gè)舵機(jī)關(guān)節(jié)的動(dòng)作控制，繼而完成對(duì)整個(gè)機(jī)械手臂的動(dòng)作控制。

選擇FUTABA-S3003為本系統(tǒng)的舵機(jī)，通過(guò)對(duì)PWM信號(hào)脈寬占空比的調(diào)節(jié)完成對(duì)舵機(jī)的調(diào)節(jié)。由ATmega16單片機(jī)模擬產(chǎn)生PWM信號(hào)，通過(guò)4MHz外部晶振獲得50Hz的頻率的信號(hào)，且不出現(xiàn)誤差積累的情況。通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行調(diào)整的方式完成對(duì)脈寬的調(diào)整，將電脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)變繼而轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，通過(guò)脈寬決定舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角，其非常便于對(duì)單片機(jī)的控制作業(yè)。

2.3 黑線檢測(cè)及路徑識(shí)別模塊

選擇LJ8A3-2-Z/AY型渦流式的傳感器兩個(gè)作為黑線檢測(cè)即路徑識(shí)別模塊的核心傳感器，于系統(tǒng)的全部正下方距地面1.5-2毫米完成安裝。分在在系統(tǒng)的手抓上以及系統(tǒng)的后部安裝四個(gè)反射式的紅外傳感器，完成對(duì)貨物位置以及黑線檢測(cè)的判定工作。并通過(guò)對(duì)此兩個(gè)傳感器的使用實(shí)現(xiàn)電路的進(jìn)一步簡(jiǎn)化，在信號(hào)的處理上更為快速且抗干擾性更高。采用錫箔紙鋪成路徑作為引導(dǎo)線，用黑塊完成對(duì)倉(cāng)庫(kù)位置標(biāo)志?；阱a箔紙所具有的金屬特性，渦流傳感器即可完成對(duì)路徑的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，并實(shí)現(xiàn)循跡動(dòng)作。在具體透過(guò)紅外傳感器完成循跡的過(guò)程中，可以將所檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，繼而完成對(duì)放貨倉(cāng)庫(kù)以及取貨地位置的判斷。

2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用兩個(gè)PARAL-LAX步進(jìn)電機(jī)作為智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)部分，安裝于兩側(cè)的履帶之上。其優(yōu)點(diǎn)在于可以不為旋轉(zhuǎn)角度所束縛，可以在反轉(zhuǎn)和正轉(zhuǎn)上均實(shí)現(xiàn)無(wú)限制的運(yùn)動(dòng)，且在驅(qū)動(dòng)力上有保障，非常適合作為車體的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。在具體的控制方式也和舵機(jī)基本一致，對(duì)于電力的正反轉(zhuǎn)控制均是采用PWM信號(hào)予以完成。為了進(jìn)一步提升工作效率，在單片機(jī)部分，采用分時(shí)驅(qū)動(dòng)控制的模式，即在不允許同一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)多個(gè)元器件同時(shí)運(yùn)作?？稍诙虝r(shí)間內(nèi)對(duì)左右兩個(gè)電機(jī)交替進(jìn)行脈沖的輸入，但因速率極快繼而可以讓履帶看起來(lái)像同時(shí)運(yùn)動(dòng)一樣。

3 軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

3.1 控制計(jì)算

如圖2所示為本設(shè)計(jì)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)流程圖。在整個(gè)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)中一共采用了6個(gè)傳感器對(duì)機(jī)器人的實(shí)際使用過(guò)程中所產(chǎn)生的路況信息予以獲取。在行動(dòng)部分由渦流傳感器負(fù)責(zé)，在機(jī)械手臂取貨放貨部分由紅外傳感器負(fù)責(zé)。在整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)一共包括防火子程序、取貨子程序以及循跡子程序三者。在系統(tǒng)的具體運(yùn)作上，循跡子程序首先運(yùn)作，控制機(jī)器人前往貨物的存放地，然后在一黑線被紅外傳感器檢測(cè)到作為觸發(fā)點(diǎn)，執(zhí)行相應(yīng)放貨或是取貨的操作，然后再向前一小段的距離完成對(duì)黑線的躲避，繼續(xù)就循跡操作予以執(zhí)行，一直到兩個(gè)傳感器同時(shí)都對(duì)黑線檢測(cè)到，即結(jié)束信號(hào)被檢測(cè)到為止。

3.2 行動(dòng)部分控制

在智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)行動(dòng)部分的控制上采用兩個(gè)渦流傳感器就所鋪設(shè)的錫箔紙位置予以獲取，并且就機(jī)器人的前進(jìn)方向及時(shí)進(jìn)行修正。因?yàn)閮蓚€(gè)渦流傳感器在間距上要略微大于錫箔紙的寬度。因此，在機(jī)器人行進(jìn)過(guò)程中可以嚴(yán)格依照在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中已經(jīng)設(shè)計(jì)好的預(yù)定路徑行駛，繼而完成對(duì)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的行動(dòng)控制。

3.3 機(jī)械手臂控制

為了保障智能重物搬運(yùn)機(jī)器人可以精準(zhǔn)的將貨物送到指定位置，便需要就其機(jī)械手臂部分進(jìn)行有效的控制，同時(shí)這也是整個(gè)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)部分最為精密的部分。通過(guò)上文的分析和介紹己知，在本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)中，對(duì)于每一對(duì)機(jī)械手而言，都設(shè)計(jì)了五個(gè)舵機(jī)，而采用坐標(biāo)的變化關(guān)系的形式便可以將五個(gè)舵機(jī)各自轉(zhuǎn)動(dòng)的角度、最終位置以及手抓的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行確定。

從上文已經(jīng)介紹過(guò)的智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)可知，對(duì)于肩部舵機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)基座而言，其只能在水平面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，對(duì)于手腕處和手肘出的舵機(jī)則是只能在垂直平面上進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，繼而可以將兩者放在數(shù)學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，將此兩者之間的動(dòng)作轉(zhuǎn)化為對(duì)兩個(gè)自由度機(jī)械連桿機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)分析。使用1₁、1₂、l₃、1₄分別表示機(jī)械手臂中四根連桿的長(zhǎng)度，使用θ1、θ2、θ3以及θ4分別表示四個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，手抓位置使用p（x，y）進(jìn)行代替。在其垂直面上，便可以通過(guò)對(duì)l₃、l₄的計(jì)算，就θ3以及θ4的數(shù)字予以求出。

在具體的設(shè)計(jì)中，通過(guò)對(duì)以上所介紹的一系列公式的套入計(jì)算，在靜坐標(biāo)系中則可以求得θ1、θ2。在動(dòng)坐標(biāo)系中則可以求得θ3、θ4，在此情況下，便可以將機(jī)械手臂使用過(guò)程中的貨物位置信息作為各個(gè)脫機(jī)轉(zhuǎn)角確定的依據(jù)信息，基于這一套程序便可以很好的完成機(jī)械手臂的收臂和放臂的動(dòng)作。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在我國(guó)的工業(yè)生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些需要重復(fù)性進(jìn)行重物搬運(yùn)的工作崗位，這些工作崗位對(duì)于知識(shí)文化水平的要求很低，但是在危險(xiǎn)性上則是很高，因此適于使用智能重物搬運(yùn)機(jī)器人來(lái)?yè)?dān)任這一工作崗位。本文在高效、簡(jiǎn)單以及安全的基本原則下，基于ATmega16單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)智能重物搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)。在智能重物搬運(yùn)機(jī)器人的具體運(yùn)作中，采用干電池供電的形式，繼而可以很好的擺脫電源的限制，并且在物理力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析基礎(chǔ)上，建立了其運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)機(jī)械手臂的精確性控制，值得在我國(guó)的一些工業(yè)領(lǐng)域崗位上大力推廣使用，降低勞動(dòng)工作危險(xiǎn)性并提升勞動(dòng)效率。

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