一種智能式運料機(jī)器人的設(shè)計

張勇斌，劉保國

(1.鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041；2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450002 )

隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展，機(jī)器人產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)出來，減輕了人的勞動，極大地提高了勞動生產(chǎn)效率。移動式運料機(jī)器人利用單片機(jī)作為控制單元實現(xiàn)無人操作，并具備尋跡避障、自動行駛、運料、翻斗旋轉(zhuǎn)和卸料等功能，適合短途物料運輸采用[1]?；诖四康模O(shè)計了一款智能移動式運料機(jī)器人。車完成如下動作[2]：黑白線循跡→走簡單迷宮→沿規(guī)定的軌跡自動行駛→運料→翻斗旋轉(zhuǎn)→卸料等系列動作，將工件從存儲處送到運料車上。整體的設(shè)計任務(wù)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計任務(wù)流程圖

1 設(shè)計任務(wù)

智能移動式運料機(jī)器人通過控制、驅(qū)動、執(zhí)行、傳動、導(dǎo)向等部分和控制軟件共同實現(xiàn)智能

2 總體方案論述

采用單片機(jī)作為控制單元對電機(jī)進(jìn)行控制。用4路分別放大的信號驅(qū)動四相五線的步進(jìn)電機(jī)；步進(jìn)電機(jī)與相應(yīng)的齒輪、連桿連接起來，將螺旋運動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的翻轉(zhuǎn)運動。步進(jìn)電機(jī)控制器采用微機(jī)或單片機(jī)作為控制部件。采用微機(jī)時，可通過 ISA 總線、并行端口、串行端口傳送數(shù)據(jù)；需設(shè)計步進(jìn)電機(jī)與微機(jī)的接口電路。采用單片機(jī)時，可選用 AT89S52；需設(shè)計單片機(jī)最小系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)的接口電路?？傮w功能如圖2所示，方案設(shè)計如圖3所示。

圖2 總體功能圖

圖3 總體方案設(shè)計圖

3 模塊設(shè)計

3.1 行走方案的選擇和確定

關(guān)于小車的行走方案，可以采取輪子、腿和履帶3種可行的方案。綜合考慮功能要求和設(shè)計原則，采用輪子實現(xiàn)小車的行走， 既能很好的實現(xiàn)功能，成本較低，結(jié)構(gòu)也簡單可靠?？紤]具體的工作環(huán)境，采用3輪結(jié)構(gòu)：兩個輪作為驅(qū)動輪，控制小車的前進(jìn)、倒退和轉(zhuǎn)彎；一個萬向輪作為從動輪，使小車車身平穩(wěn)，同時使小車保持較好的靈活度。

3.2 電機(jī)的設(shè)計

采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)的最大優(yōu)點是調(diào)速特性，能夠?qū)崿F(xiàn)不同速度的運行，也能快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。

3.3 電機(jī)驅(qū)動方案的選擇

采用H橋電路。將4個晶體管分兩組，在單片機(jī)控制下通過交替截止、導(dǎo)通來控制電機(jī)。晶體管相應(yīng)速度快，效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)[3]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的選擇如圖4所示。

圖4 L298電機(jī)驅(qū)動電路圖

3.4 供電電源方案的選擇

用一個電源。電源分兩路，一路直接控制電機(jī)，另一路經(jīng)穩(wěn)壓后控制電路：供電電路簡單。如圖5所示。

圖5 電源電路

3.5 路面情況檢測方案的選擇

探測路面黑線的基本原理：通過光線照射黑線和白線后，反射的光強(qiáng)不同，被傳感器接受后能夠判斷是黑線還是白線。采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器[4]。一方面能大幅度減小外界自然光的干擾；另一方面瞬時電流大，對信噪比有很大提高，而且反應(yīng)靈敏、電路簡單。

3.6 障礙物探測方案的設(shè)計

采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。

3.7 翻斗機(jī)構(gòu)方案的選擇

采用四連桿機(jī)構(gòu)。電機(jī)承受的力矩會比較小，運行比較平穩(wěn)。機(jī)構(gòu)如圖6和圖7所示。

圖6 四連桿翻斗機(jī)構(gòu)圖

圖7 翻斗機(jī)構(gòu)在小車上的布置

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 路面黑線檢測的設(shè)計與實現(xiàn)

4.1.1 黑白線探測

路面黑白線檢測主要通過黑白線檢測傳感器實現(xiàn)。黑白線檢測傳感器有效檢測距離達(dá)5 cm，通過調(diào)節(jié)電位器，最遠(yuǎn)可以達(dá)到 10 cm（該距離下，檢測黑白線的精度降低）。這款黑白線傳感器可見光干擾小，輸出信號為開關(guān)量，信號處理簡單，使用非常方便，還增加了探測距離調(diào)節(jié)器，改進(jìn)了探測距離，加強(qiáng)了探測精度。

4.1.2 黑白線循跡方案選擇

采用2個集發(fā)射與接收于一體的發(fā)光二極管分別通過AT89S52的端口P2.0和P3.5來采集地面的黑白反差變化，檢測電路如圖8所示。發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射地面，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。將2個傳感檢測器安裝于小車前端車底盤下端，左右各1只。當(dāng)小車行駛時，發(fā)射管發(fā)出紅外線照地面，光線經(jīng)過白線反射會被接收管接受到，輸出低電平信號；當(dāng)電動小車經(jīng)過黑線時，由于發(fā)出的光線被吸收，這樣接收管不能收到射線，傳感器輸出高電平信號。不論高電平還是低電平信號都是瞬時送達(dá)AT89S52單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)過處理，判斷并執(zhí)行在單片機(jī)存儲器中存儲的預(yù)先編制好的程序，從而運行小車的行駛。

圖8 黑白線檢測電路

4.2 電動機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計與實現(xiàn)

考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素，可選用集成電機(jī)驅(qū)動芯片L298。L298是雙H高電壓大電流集成電路，其輸出腳（SENSEA 和SENSEB）用來連接電流檢測電阻。表1為L298控制表[5]。Vs 為驅(qū)動電機(jī)的電源，Vss連接著邏輯控制的電源，通常為+5 V；IN1～I(xiàn)N4輸入引腳用來控制H橋的接通和斷開，采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號；ENA、ENB引腳為使能控制端，功率集成電路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封裝，15 個引腳，如圖9 所示。

圖9 Multiwatt15 引腳圖和封裝圖

表1 L298 控制表

4.3 探測物料位置的傳感器設(shè)計

采用一個集發(fā)射與接收于一體的紅外傳感器通過 AT89S52 的端口P1.0來采集前端的物料并作出相應(yīng)的反應(yīng)，檢測電路如圖10所示。工作原理為：發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射前端，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號，端口采集相應(yīng)的電平信號調(diào)用子程序作出設(shè)定的動作。將傳感檢測器安裝于小車前端車體底盤下，這樣能夠檢測前端的物料。當(dāng)正常行駛時，發(fā)射管發(fā)射紅外光照射前方，光線碰到物料則反射后被接收管接收，端口輸出低電平信號；前端有效距離內(nèi)若是無障礙，則發(fā)出的紅外線無返回，接收端接收不到反射光線，傳感器端口P1.0輸出高電平信號，若在有效距離內(nèi)探測到物料，則發(fā)出的光線反射回傳感器并被接收，傳感器端口P1.0輸出低電平信號，并將采集到的信號送AT89S52單片機(jī)處理，執(zhí)行機(jī)械手夾緊動作。

圖10 避障檢測與處理

圖11為避障處理和檢測而采用的光電傳感器。其檢測的距離大小是可以調(diào)節(jié)的，并且具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜和容易裝配的優(yōu)點。

圖11 避障檢測傳感器

5 軟件設(shè)計

迷宮避障設(shè)計流程如圖12所示，黑白尋跡流程如圖13所示。

6 結(jié)論

經(jīng)過方案論證、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試并對傳感器不斷調(diào)整、對程序不斷修正，完成了AT89S52智能車的制作。練習(xí)使用智能車系統(tǒng)的各個模塊，經(jīng)過測試，程序中寫入不同的R3、R4 值，小車速度有明顯的變化，能夠?qū)崿F(xiàn)正確的運行路線和翻斗機(jī)構(gòu)的運動，以及小車黑白線循跡和走簡單迷宮的功能。

圖13 黑白尋跡流程圖

[1] 城井田, 勝仁 編.輕輕松松制作機(jī)器人 [M].崔素蓮 譯.北京：科學(xué)出版社， 2010.

[2] 蔡自興. 機(jī)器人學(xué)[M].北京：清華大學(xué)出版. 2009.

[3] 日本機(jī)器人學(xué)會 編.新版機(jī)器人技術(shù)手冊[M].宗光華，程君實 譯.北京：科學(xué)出版社，2007.

[4] DavidCook. 機(jī)器人制作提高篇 [M].畢樹生，李大寨，高志慧 譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版. 2005.

[5] Joseph L. J. 著，機(jī)器人編程技術(shù)·基于行為的機(jī)器人實戰(zhàn)指南[M].原魁 譯.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2006.