小型太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人設(shè)計(jì)

范 娟 劉永華

（四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 德陽(yáng)618000）

電商行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)我國(guó)物流行業(yè)提出了更高的要求。物流設(shè)備的智能化也成為當(dāng)今物流發(fā)展的主要趨勢(shì)。同時(shí)，環(huán)保節(jié)能是當(dāng)今社會(huì)永不改變的時(shí)尚理念。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款小型太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人，主要用于物流倉(cāng)庫(kù)內(nèi)貨物的拿取和搬運(yùn)。

1 太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)

太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人采用太陽(yáng)能作為整個(gè)系統(tǒng)的能源供給。以stc51 單片機(jī)為作為物流機(jī)器人主控核心器件，按照物流機(jī)器人所要實(shí)現(xiàn)的功能，將物流機(jī)器人設(shè)計(jì)分為7 個(gè)部分，分別為：主控模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、避障模塊、導(dǎo)航模塊、無(wú)線通信模塊、機(jī)械臂模塊和光伏充電控制模塊。具體框圖如圖1 所示。

圖1 小型太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人總體框架

2 各功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊

主控模塊的核心器件就是一塊stc 單片機(jī)，它相當(dāng)于物流機(jī)器人的大腦，獲取各功能模塊反饋回來(lái)的信息，并根據(jù)獲取的信息控制物流機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 運(yùn)動(dòng)控制模塊

物流機(jī)器人能夠靈活實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及調(diào)速等功能。本文選用兩個(gè)12v 的直流減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)輪。利用典型H 橋驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，控制所需的PWM 信號(hào)由stc 單片機(jī)產(chǎn)生。從而控制物流機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

本部分的關(guān)鍵在于H 橋的構(gòu)建和PWM 控制信號(hào)的生成。H橋基本工作原理如圖2 所示，當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q1 和Q4 同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，回路中電流從電源正極流經(jīng)Q1, 再?gòu)碾姍C(jī)左側(cè)流入右側(cè)流出，最后經(jīng)過(guò)Q4 回到電源負(fù)極，此時(shí)電機(jī)將圍繞箭頭所示方向轉(zhuǎn)動(dòng)，定義為電機(jī)正轉(zhuǎn)。如圖3 所示，控制信號(hào)使Q1、Q4 截止，Q2、Q3 導(dǎo)通，電流從電源正極經(jīng)Q3 從電機(jī)右側(cè)流入左側(cè)流出，再經(jīng)Q2 回到電源負(fù)極，此時(shí)電機(jī)將沿逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)，定義為電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)物流機(jī)器人的前進(jìn)后退。

圖2 電機(jī)正轉(zhuǎn)

圖3 電機(jī)反轉(zhuǎn)

通過(guò)調(diào)節(jié)單片機(jī)產(chǎn)生的PWM 信號(hào)占空比，來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)物流機(jī)器人運(yùn)行速度的控制。同時(shí)調(diào)節(jié)使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速不一致，就能實(shí)現(xiàn)物流機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎。

2.3 導(dǎo)航模塊

選用巡線的方式為物流機(jī)器人導(dǎo)航，到達(dá)相關(guān)指定區(qū)域。紅外傳感器（如圖4）作為巡線傳感器。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射強(qiáng)度的特點(diǎn)，在機(jī)器人行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收。如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。STC51 芯片就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和機(jī)器人的行走路線。將紅外尋線模塊安裝在物流機(jī)器人底板的幾何中心，這樣機(jī)器人就不會(huì)偏離既定線路。在倉(cāng)庫(kù)里根據(jù)需求鋪設(shè)黑色線條，機(jī)器人利用傳感器反饋的信息在預(yù)定的路線上行駛。對(duì)倉(cāng)庫(kù)每一個(gè)存儲(chǔ)位置都預(yù)先設(shè)定好相應(yīng)的行進(jìn)路徑，編寫(xiě)相應(yīng)的控制程序，機(jī)器人根據(jù)控制端輸入的地址編號(hào)，運(yùn)行相對(duì)應(yīng)的程序代碼，到達(dá)指定位置。

圖4 紅外傳感器

2.4 避障模塊

物流機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中利用紅外傳感器檢測(cè)障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，進(jìn)行急停，然后等待直到障礙物被清除，成功避開(kāi)行進(jìn)中的障礙物，較好的防止了機(jī)器人發(fā)生碰撞。

2.5 通信模塊

采用無(wú)線藍(lán)牙技術(shù)與物流機(jī)器人進(jìn)行通信。藍(lán)牙連接簡(jiǎn)單快速，價(jià)格低廉，體積較小攜帶方便藍(lán)，藍(lán)牙4.0 的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到了24 Mbps，傳輸距離達(dá)到50 米。通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙信號(hào)將倉(cāng)庫(kù)目的地路徑傳輸物流機(jī)器人。物流機(jī)器人根據(jù)藍(lán)牙模塊收到的信息，執(zhí)行相應(yīng)的路徑程序，使物流機(jī)器人準(zhǔn)確無(wú)誤的到達(dá)目的地倉(cāng)庫(kù)。藍(lán)牙模塊如圖5 所示。

圖5 藍(lán)牙模塊

2.6 機(jī)械臂及其控制

物流機(jī)器人的機(jī)械臂主要用于貨物抓取，搬移，如圖6 所示。機(jī)械臂主要由鋁合金支架，金屬舵盤(pán)，杯式軸承，合金鋁爪以及舵機(jī)構(gòu)成。共有四個(gè)舵機(jī)，其中三個(gè)舵機(jī)控制機(jī)械臂在幾何空間的X、Y、Z 軸方位的轉(zhuǎn)動(dòng)。另外一個(gè)電機(jī)控制機(jī)械爪的張開(kāi)和閉合。機(jī)械臂的4 個(gè)舵機(jī)運(yùn)行都受單片機(jī)控制，使用無(wú)線手柄發(fā)出控制信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)接收到信號(hào)控制機(jī)械臂上舵機(jī)的運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂對(duì)貨物抓取的動(dòng)作。

圖6 物流機(jī)器人機(jī)械臂實(shí)物圖

2.7 太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)室選用10W 單晶硅光伏板、12V7Ah 鉛酸蓄電池以及配套的充電控制器組建太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)。光伏板將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，通過(guò)充電控制器給蓄電池和直流電機(jī)供電。當(dāng)光照強(qiáng)度較，光伏板輸出電壓達(dá)到直流電機(jī)工作電壓時(shí)，充電控制器切換為光伏板直接給電機(jī)供電。當(dāng)光照較弱，光伏板輸出電壓低于電機(jī)工作電壓時(shí)，充電控制器切換為蓄電池供電。太陽(yáng)能充電控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)充電和儲(chǔ)能，解決了物流機(jī)器人能源動(dòng)力問(wèn)題。

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的物流機(jī)器人如圖7 所示，主要利用清潔、無(wú)污染、可再生能源，充分達(dá)到了保護(hù)環(huán)境節(jié)約能源的目的。整個(gè)物流機(jī)器人功能設(shè)計(jì)齊全，運(yùn)行靈活，易操作控制，符合當(dāng)今社會(huì)物流行業(yè)發(fā)展需求。

圖7 小型太陽(yáng)能倉(cāng)儲(chǔ)物流機(jī)器人實(shí)物圖