一種搬運機器人的研究與開發(fā)

孫梅

摘 要：機器人的制造及應用能力，代表了一個國家的機械制造業(yè)水平，發(fā)展機器人產(chǎn)業(yè)應上升到國家戰(zhàn)略高度。通過利用一種新型綜合技術，開發(fā)了一種能實現(xiàn)在場地或車間自動避障行走、尋找貨物、裝貨、原路返回、缷貨的循環(huán)作業(yè)功能的搬運機器人。具有智能化高、成本低、故障少、適用性強的優(yōu)點，對搬運機器人研發(fā)具有一定的借鑒意義。

關鍵詞：智能小車;單片機;傳感器;機械手

中圖分類號：TP242? ? ? ? 文獻標識碼：A

0 引言

眾所周知，運貨是各個行業(yè)不可缺少的過程，人工搬運貨物與傳統(tǒng)的車輛運輸貨物的方式隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，已不能完全滿足市場的需求。特別是當今的倉儲物流搬運動作非常頻繁、行走空間狹窄，利用人工搬運生產(chǎn)成本很高，勞動強度非常大。尤其是機械加工車間將毛坯加工成零件的過程中，有一些因溫度高、濕度大、腐蝕性強、危險性大的場合，存在生產(chǎn)加工速度快、重復動作頻率高、邊角余料鋒利的問題，釆用人工搬運貨物，極易發(fā)生安全事故。因此，開發(fā)一種搬運機器人來代替人工搬運勢在必行。

1 搬運機器人的研究與總體設計

該搬運機器人利用目前成熟的節(jié)能電動車，配備相應的簡易機械手，再利用單片機、傳感器控制技術有機結合研制而成，主要由電源、智能小車、單片機控制模塊、機械手和各種傳感器等部分構成，如圖1所示。電源由充電式鋰蓄電池提供整機電量。工作時，智能小車由各種傳感器發(fā)出信號指令，通過單片機控制模塊控制智能小車，按照一定要求的行駛路線進行自動行走和尋找裝貨、缷貨的目的地。在各種傳感器的作用下，再通過單片機控制模塊發(fā)出指令給機械手，使機械手自動進行抓取貨物裝車與卸貨，從而達到機器人自動搬運貨物的目的。

智能小車由行走底盤模塊、動力驅動與制動模塊、行走與轉向控制模塊、傳感器檢測模塊四大模塊組成，智能小車的行走底盤模塊可以釆用常規(guī)的發(fā)動機驅動式和電動機驅動式兩種形式來實現(xiàn)。釆用發(fā)動機驅動式的動力驅動與制動模塊結構復雜，噪音大，環(huán)保差，總體結構尺寸也更大些。釆用電機驅動式結構簡單，且噪音小、重量輕、驅動、制動操縱方便。目前，市場上銷售的技術成熟、節(jié)能的電動四輪車，其裝載量可達300～400 kg，小巧靈活、大小適宜，很適合做倉儲、車間搬運機器人的行走底盤。本搬運機器人的智能小車釆用市場上銷售的技術成熟、節(jié)能的電動四輪車作為智能小車的行走底盤模塊。將原有的電動四輪車電子動力驅動系統(tǒng)與制動系統(tǒng)，改為由單片機控制的伺服電機控制模塊電路，單片機發(fā)出指令由伺服電機完成動力驅動系統(tǒng)中加速、減速的旋轉動作和制動系統(tǒng)中拉剎和松剎的動作;將原有的人工操縱行走轉向控制系統(tǒng)，改為由伺服電機控制的轉向機構。轉向時，由各傳感器按照一定要求的行駛路線發(fā)出信號給單片機控制模塊，由單片機控制模塊發(fā)出指令給伺服電機，再由伺服電機自動操作轉向機構完成轉向與修正行駛方向;傳感器檢測模塊由尋向避障和貨場檢測兩部分組成，尋向避障傳感器根據(jù)行駛方向中的障礙物或轉向實時發(fā)出信號給單片機控制模塊，單片機控制模塊將信號處理后發(fā)出指令給伺服電機，由伺服電機自動實時操作轉向機構修正行駛方向;貨場檢測傳感器根據(jù)檢測貨物場地的遠近距離，實時發(fā)出信號給單片機控制模塊，由單片機控制模塊信號處理后發(fā)出指令給伺服電機，伺服電機控制轉向機構及時修正行駛方向靠近貨物場地，當達到最佳貨物場地時單片機控制模塊使動力驅動系統(tǒng)斷電，行走底盤模塊平穩(wěn)停車，準備裝貨或缷貨。

1.抓爪模塊 2.支臂模塊 3.主臂模塊

4.伺服電機 5.蝸輪蝸桿 6.伺服電機

為滿足電動四輪車300～400 kg的裝載量，本機械手一次抓取量理論設計為10 kg左右。該機械手的組成主要由抓爪模塊、支臂模塊、主臂模塊組成三關節(jié)的簡易機械手，如圖2所示。主臂模塊由伺服電機、齒輪和位置檢測傳感器組成，利用位置檢測傳感器檢測信號與伺服電機驅動，使主臂可作360°方位的旋轉完成對應方位的運動;支臂模塊由伺服電機蝸桿蝸輪和位置檢測傳感器組成，利用位置檢測傳感器檢測信號和電機蝸輪蝸桿驅動裝置使支臂作上下擺動，完成上下位置的調整;抓爪模塊由另一個伺服電機和四桿機構組成，利用伺服電機的旋轉帶動四桿機構運動，去完成抓爪抓物與松開物體的動作。各位置檢測傳感器信號傳遞給單片機控制模塊，由單片機控制模塊進行協(xié)調處理，并發(fā)出相應指令給各執(zhí)行機構去完成上述貨物的裝車或缷車的對應動作。

4 單片機控制模塊的研究與設計

單片機控制模塊由89C52RC集成塊芯片作為本搬運機器人的控制模塊，其電路連接如圖3所示。通過89C52RC集成塊中的I/O接口，分別連接著智能小車行走控制模塊電路、機械手操作模塊控制電路、各種傳感器模塊電路和電源電路。所配置的各種傳感器為89C52RC集成塊提供行走狀態(tài)和裝貨、缷貨電信號。再由89C52RC集成塊內(nèi)部的微處理、數(shù)據(jù)寄存器、程序寄存器、并行I/O口、串行口、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、保護系統(tǒng)及特殊功能寄存器等，對智能小車的行走、避障、轉向、停車與制動、掉頭返回的控制和對機械手的主臂旋轉、支臂上下擺動、抓爪的抓物與松放、裝車與缷貨等動作進行控制，其控制流程圖如圖4所示。

1.模塊電路 2.單片機電路 3.電源電路 4.控制模塊電路

5.機械手操作模塊控制電路

5 結論

通過對搬運機器人的試制與試驗，實現(xiàn)了搬運機器人的前進、后退、左右轉向、停車與制動，以及尋找貨物場地、機械手抓取10 kg以下的單一貨物這些最基本的功能。但在搬運機器人避障行進方面、適應不同的路況方面、適應不同的貨物抓取、抓取不同貨物重量的適應性還有待改進。目前，人們都在研究各種機器人，對于倉儲、車間、物流擁有搬運機器人，將不再是科幻。雖然現(xiàn)在還很難設計出一個全智能的搬運機器人來代替人工搬運， 但至少可以實現(xiàn)將一些簡單、輕載貨物搬運到指定的倉儲、指定位置的要求。隨著我國經(jīng)濟市場的不斷發(fā)展與需求增加，發(fā)展智能化、高可靠性、低成本和易于集成的搬運機器人技術的研究與開發(fā)，將是機器人項目研究的永久課題。

參考文獻：

[1] 梁森，王侃夫，黃杭美.自動檢測與轉換技術[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2] 何為民， 單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京：航天航空大學出版社.

[3] 顧震宇.全球工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與趨勢[J].機電一體化，2006，12（2）：6-9.

[4] 李桂杰，楊青彩，郭翠榮.淺談對機器人的發(fā)展和應用的認識[J].中國科技博覽，2012（27）：419.