基于Arduino起重運(yùn)輸機(jī)器人的設(shè)計(jì)*

楊得勝，程嘉豪，呂婷婷，譚偉俊，蔡瓊儀，何偉鋒

(東莞理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著現(xiàn)代化工業(yè)制造技術(shù)的快速發(fā)展,智能制造已經(jīng)成為了現(xiàn)階段的主流趨勢(shì)[1,2]。而物流產(chǎn)業(yè)也在日漸發(fā)展,貨物的存儲(chǔ)、搬移、運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的自動(dòng)化程度也越來越高[3],自動(dòng)化生產(chǎn)已成為工業(yè)流程中的重要組成部分。采用自動(dòng)化物流搬運(yùn),能提高產(chǎn)品的運(yùn)輸效率、降低用工成本、提升企業(yè)的自動(dòng)化水平和競(jìng)爭力,保證生產(chǎn)過程的安全性和可開發(fā)性。因此,自動(dòng)化運(yùn)輸已成為現(xiàn)代化智能工業(yè)制造中不可或缺的一環(huán)。如何提高物品運(yùn)輸機(jī)器人的靈活度、保證工業(yè)生產(chǎn)的高效率和低成本,實(shí)現(xiàn)更為高速的運(yùn)行、精確的識(shí)別和搬移運(yùn)輸,已是目前起重運(yùn)輸機(jī)器人研發(fā)的熱點(diǎn)。因此,在滿足以上條件下實(shí)現(xiàn)物品的自動(dòng)化運(yùn)輸是當(dāng)前亟待解決的主要問題。

針對(duì)以上問題,自動(dòng)化起重運(yùn)輸機(jī)器人被提出并得到了相關(guān)應(yīng)用。該機(jī)器人主要以嵌入式系統(tǒng)和自主控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)輸,其具備搬移載物、自動(dòng)循跡避障、自動(dòng)裝夾等功能,故其設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過程涉及多個(gè)領(lǐng)域的技術(shù)運(yùn)用[4]。對(duì)此,本文旨在設(shè)計(jì)一款基于Arduino Mega2560和Arduino Uno單片機(jī),結(jié)合步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、超聲波模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等硬件的新式起重運(yùn)輸機(jī)器人。該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)信息的讀取和處理、路線循跡、主動(dòng)避障、物品識(shí)別和抓取擺放、任務(wù)完成反饋等功能。通過軟件編程和多次測(cè)試,該機(jī)器人系統(tǒng)穩(wěn)定,搬運(yùn)效率和完成度較高,實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化物流搬運(yùn)的目的,提高了作業(yè)的效率和安全性,滿足了現(xiàn)代社會(huì)智能自動(dòng)化作業(yè)的需求。

1 起重運(yùn)輸機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)化起重運(yùn)輸機(jī)器人以Arduino作為檢測(cè)抓取和移動(dòng)控制核心,完成識(shí)別、路徑循跡追蹤、物品抓取運(yùn)輸?shù)裙δ?機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1-麥克納姆輪;2-行走驅(qū)動(dòng)組件;3-機(jī)器人車架;4-滑移抓取組件;5-滑移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu);6-前側(cè)龍門架;7-后側(cè)龍門架;8-活動(dòng)升降架;9-升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu); 10-灰度巡線傳感器;11-行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)

該機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)較重物品的搬移運(yùn)輸工作,在機(jī)器人車架上端緊固安裝有鋁合金材質(zhì)的前側(cè)龍門架、后側(cè)龍門架,前側(cè)龍門架位于后側(cè)龍門架的前端側(cè)且前側(cè)龍門架與后側(cè)龍門架前后對(duì)齊間隔布置。在機(jī)器人車架的下端裝設(shè)有行走驅(qū)動(dòng)組件,四個(gè)呈矩形分布的行走驅(qū)動(dòng)安裝架分別螺裝緊固于機(jī)器人車架底座上,安裝架上裝有4個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)并連接4個(gè)麥克納姆輪[5],該設(shè)計(jì)能保證運(yùn)輸過程中機(jī)器人的平衡行駛和物品抓取的牢固度。同時(shí)在車架底座安裝有灰度巡線傳感器進(jìn)行巡線定位,以使得機(jī)器人能精確到達(dá)物品的取件位置以及放置位置,更好地完成物品運(yùn)輸任務(wù)。

物品抓取工作由活動(dòng)升降架及滑移抓取組件聯(lián)合完成。升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可保證活動(dòng)平臺(tái)能在絲桿的帶動(dòng)下流暢運(yùn)動(dòng),并確?；顒?dòng)平臺(tái)在承受足夠重量的同時(shí)保持平衡[6]。升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括有緊固安裝于車架底座的絲桿步進(jìn)電機(jī),絲桿步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)絲桿上端部通過軸承座安裝于前側(cè)龍門架和后側(cè)龍門架上?；顒?dòng)升降架活動(dòng)方式為:步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),帶動(dòng)絲桿結(jié)構(gòu)上的升降驅(qū)動(dòng)塊。絲桿步進(jìn)電機(jī)與活動(dòng)升降架連接,聯(lián)合超聲波模塊確定活動(dòng)升降架的活動(dòng)距離并完成升降工作。同時(shí),活動(dòng)升降架上設(shè)置有沿著前后方向水平延伸的懸吊滑軌,懸吊滑軌從前至后依次穿過前側(cè)龍門架、后側(cè)龍門架,形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。懸吊滑軌裝設(shè)有滑移抓取組件,由滑移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、兩個(gè)舵機(jī)與機(jī)械手爪組合完成,實(shí)現(xiàn)物品的抓取并正確實(shí)現(xiàn)物品擺放的方向及位置。

滑移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括有位于懸吊滑軌下方的滑移活動(dòng)架,懸吊滑軌開設(shè)有朝兩側(cè)開口且沿著前后方向延伸的左、右側(cè)滑槽,滑移活動(dòng)架裝設(shè)有伸入至兩側(cè)滑槽內(nèi)且沿著滑槽滾動(dòng)的左、右側(cè)懸吊輪,左側(cè)滑槽內(nèi)裝設(shè)有沿著左側(cè)滑槽延伸的同步帶,同步帶的前端部、后端部分別緊固于懸吊滑軌相應(yīng)的前端部、后端部,同步帶的左側(cè)面為非齒面、右側(cè)面為齒面。此外,滑移活動(dòng)架裝設(shè)有滑移驅(qū)動(dòng)電機(jī),滑移驅(qū)動(dòng)電機(jī)的動(dòng)力輸出軸裝設(shè)有位于兩個(gè)左側(cè)懸吊輪之間的同步帶輪,同步帶輪與同步帶的齒面相貼合,同步帶的非齒面分別與兩個(gè)左側(cè)懸吊輪相貼合。機(jī)械手爪安裝在滑移活動(dòng)架的下端部,方便對(duì)物品的抓取和擺放。

該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎,且能夠?qū)崿F(xiàn)懸吊起重運(yùn)輸,尤其適用于較重物品搬移運(yùn)輸。

2 電路硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

該機(jī)器人的電路硬件系統(tǒng)主要由超聲波模塊、直線絲桿步進(jìn)電機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、循跡模塊、穩(wěn)壓模塊等組成,其系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖2所示。

圖2 起重運(yùn)輸機(jī)器人的電路硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架

2.1 超聲波模塊

HC-SR04是一款超聲波測(cè)距模塊,常用于測(cè)量距離和檢測(cè)障礙物。發(fā)射器發(fā)射超聲波信號(hào),信號(hào)經(jīng)過空氣中的傳播到達(dá)目標(biāo)物體并被反射回來,接收器接收到反射回來的超聲波信號(hào)并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào),模塊將接收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào),并將其輸出到控制器中,根據(jù)聲速在空氣中的傳播速度和信號(hào)來回的時(shí)間差,控制器通過計(jì)算進(jìn)而可以得到發(fā)射器與障礙物的距離[7]。在本裝置中超聲波模塊用來測(cè)量升降架與所需夾取物品之間的距離,判斷在此位置是否能夠夾取物品。

2.2 直線絲桿步進(jìn)電機(jī)

直線絲桿步進(jìn)電機(jī)是一種將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)的裝置,其基本結(jié)構(gòu)包括步進(jìn)電機(jī)、絲桿和螺母。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),絲桿與螺母配合使螺母沿著絲桿軸向移動(dòng)。42步進(jìn)電機(jī)是指外徑為42 mm的一類步進(jìn)電機(jī),通常采用兩相四線式接線,驅(qū)動(dòng)電壓為24 V,具有精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)器人采用螺紋絲桿步進(jìn)電機(jī),其優(yōu)點(diǎn)在于它可以精確地控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度和速度,并且不需要外部的傳感器或反饋控制系統(tǒng)即可帶動(dòng)升降架平穩(wěn)上升或下降。

2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

該機(jī)器人采用了完全適配Arduino Uno單片機(jī)的4路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板,其能夠執(zhí)行按方向運(yùn)行指令、四輪差速運(yùn)行指令、停止運(yùn)行指令,同樣兼容常規(guī)的距離控制和速度控制指令,可以精確控制麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)距離和運(yùn)動(dòng)速度,實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高精度運(yùn)動(dòng)。采用的4路步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板包括4個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片和若干控制邏輯電路。每個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器芯片可以單獨(dú)控制步進(jìn)電機(jī),通過調(diào)節(jié)輸入的脈沖信號(hào)和方向信號(hào)即可控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和步數(shù),其具有高精度、高可靠性、小體積、低噪聲等特點(diǎn)。

該機(jī)器人還采用了Emm_42V4.x步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器,這是一種高性能閉環(huán)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器,可以用于控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn),其通過閉環(huán)控制技術(shù)來提高電機(jī)精度和響應(yīng)速度。該驅(qū)動(dòng)器具有多種保護(hù)功能,如過流、過壓、過熱等保護(hù),可保護(hù)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器免受損壞,并且能夠?qū)崿F(xiàn)位置、速度和力矩控制等功能,在運(yùn)行時(shí)不容易出現(xiàn)丟步。

2.4 循跡模塊

為完成物品的搬運(yùn),機(jī)器人將按照規(guī)劃好的灰度路線行走,采用五路灰度傳感器(配有定制的遮光屏蔽罩)根據(jù)指定的路線完成任務(wù)。五路灰度傳感器是一種電子元件,一般用于識(shí)別黑線,檢測(cè)面上光的反射程度與所識(shí)別的顏色有關(guān),顏色不同則反射程度也有所不同。利用灰度接收管對(duì)被探測(cè)面顏色光反射強(qiáng)弱進(jìn)行采值,探測(cè)到的不同顏色對(duì)應(yīng)不同的電壓值信號(hào),最后將電信號(hào)傳送到Arduino單片機(jī)中進(jìn)行處理。在一定的距離范圍內(nèi),高亮聚光LED照射在檢測(cè)面上,光線被反射面反射,通過灰度接收管檢測(cè)光的強(qiáng)度之后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧衃8]。通過分析以上數(shù)據(jù),機(jī)器人可以自動(dòng)根據(jù)預(yù)定路線行駛,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡線功能。

2.5 穩(wěn)壓模塊

DC-DC降壓穩(wěn)壓電源模塊是一種電子元器件,用于將輸入電壓降低到相對(duì)較低的輸出電壓,并保持輸出電壓穩(wěn)定。穩(wěn)壓電源模塊通常由一個(gè)開關(guān)電源和一個(gè)穩(wěn)壓器組成,開關(guān)電源將輸入電壓轉(zhuǎn)換為高頻脈沖信號(hào),穩(wěn)壓器則將這些脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的輸出電壓。DC-DC降壓穩(wěn)壓電源模塊具有高效率、小尺寸、低成本和高可靠性等優(yōu)點(diǎn),它能為Arduino單片機(jī)模塊提供穩(wěn)定的小額電壓,防止其燒壞。

3 軟件系統(tǒng)分析

起重運(yùn)輸機(jī)器人采用Arduino編程軟件,選型為Arduino Mega2560,其根據(jù)Emm_42V4.x步進(jìn)閉環(huán)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)起重運(yùn)輸機(jī)器人輪子的控制,進(jìn)而完成機(jī)器人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向功能[9]。在此基礎(chǔ)上,機(jī)器人需要完成自動(dòng)化搬運(yùn)任務(wù)[10]。

在該軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,起重機(jī)需要依次完成多項(xiàng)任務(wù):調(diào)用巡線避障模塊,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣、自動(dòng)計(jì)算灰度平均值,并將所獲取的灰度值與灰度平均值進(jìn)行比較,輸出控制信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的循跡路線和接受特定灰度條件下的對(duì)應(yīng)指令;運(yùn)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制麥克納姆輪的多方位運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的平衡行駛;啟動(dòng)超聲波模塊,通過時(shí)間差和聲音傳播速度,計(jì)算出升降架與物品之間的距離,從而判斷出在合適的位置夾取物品,發(fā)出控制活動(dòng)升降架升降運(yùn)動(dòng)的指令[11];調(diào)用絲桿步進(jìn)電機(jī)控制升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),完成活動(dòng)升降架的升降工作,從而達(dá)到指定高度;通過滑移驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手爪的移動(dòng);通過一個(gè)舵機(jī)控制機(jī)械手爪的張開和閉合[12],抓取物品;達(dá)到指定位置后,運(yùn)用另一個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)將物品放入預(yù)定的位置;重復(fù)以上任務(wù),直至完成搬運(yùn)任務(wù)。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

起重運(yùn)輸機(jī)器人組裝完成后,開始進(jìn)行代碼調(diào)試和結(jié)構(gòu)可行性分析測(cè)試,系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程如圖3所示。起重運(yùn)輸機(jī)器人從起始區(qū)域出發(fā),分多個(gè)部分進(jìn)行調(diào)試,判斷代碼邏輯是否合理:起重運(yùn)輸機(jī)器人從起始區(qū)域出發(fā)到達(dá)取物區(qū);運(yùn)用灰度傳感器進(jìn)行巡線直到遇到停止線,開啟超聲波模塊,進(jìn)行物品識(shí)別工作;起重運(yùn)輸機(jī)器人從取物區(qū),運(yùn)用絲桿步進(jìn)電機(jī)控制活動(dòng)升降架實(shí)現(xiàn)機(jī)械手爪的升降,完成對(duì)物品的抓取;機(jī)器人行進(jìn)過程中通過自主路徑規(guī)劃實(shí)現(xiàn)避障,到達(dá)堆碼區(qū),再次運(yùn)用灰度傳感器巡線,開啟超聲波模塊識(shí)別是否有物品擺放;確定好擺放位置后,啟動(dòng)絲桿步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)高度,控制機(jī)械手爪完成物品按規(guī)定方式擺放;重復(fù)以上流程,直至完成所有搬運(yùn)任務(wù),機(jī)器人回到起始區(qū)域,視為完成任務(wù)。在整個(gè)任務(wù)過程中,調(diào)試的重心放在灰度巡線以及升降架與抓取模塊設(shè)計(jì)。

圖3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

灰度巡線:起重運(yùn)輸機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)全程依靠灰度傳感器的巡線來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位,通過對(duì)賽道上的黑線進(jìn)行感應(yīng)來判斷機(jī)器人是否偏移路徑,以保證能精確到達(dá)各個(gè)區(qū)域,同時(shí),灰度傳感器體積小、重量輕且方便安裝[13]。機(jī)器人車架底座安裝有3個(gè)五路灰度傳感器,中間的LED信號(hào)指示燈檢測(cè)到黑線就會(huì)熄滅,保證機(jī)器人直行;左側(cè)或右側(cè)的LED信號(hào)指示燈檢測(cè)到黑線就會(huì)熄滅,證明機(jī)器人向左或右偏移,需將整體往右或左側(cè)行駛,才能回到正確行駛路線上;當(dāng)所有的LED信號(hào)指示燈都熄滅時(shí)機(jī)器人停止。

升降架與抓取模塊設(shè)計(jì):活動(dòng)升降架和絲桿步進(jìn)電機(jī)緊固連接,由升降驅(qū)動(dòng)塊和驅(qū)動(dòng)絲桿配合完成活動(dòng)升降架的升降工作。同時(shí),活動(dòng)升降架上裝設(shè)懸吊滑軌,懸吊滑軌上設(shè)有滑移抓取組件,由滑移驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械手爪組合完成,機(jī)械手爪采用兩個(gè)自由度,其末端由兩個(gè)完全相同的齒輪機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn),從而使得手爪在張合時(shí)能實(shí)現(xiàn)左、右結(jié)構(gòu)對(duì)稱,對(duì)所夾物件產(chǎn)生大小相同的夾持力[14]。此處主要調(diào)試舵機(jī)參數(shù),在調(diào)試過程中出現(xiàn)手爪在抓取物品的過程中提前松開導(dǎo)致物品放置不穩(wěn)定的情況。經(jīng)多次檢測(cè),發(fā)現(xiàn)問題出自于代碼程序,修改參數(shù)后能精確實(shí)現(xiàn)物品的抓取與放置[15]。

5 結(jié)束語

本文以提高作業(yè)運(yùn)輸?shù)母咝屎偷统杀緸槌霭l(fā)點(diǎn),設(shè)計(jì)了一款以編程開發(fā)控制程序的新式起重運(yùn)輸機(jī)器人。在結(jié)構(gòu)上,該機(jī)器人以鋁合金材質(zhì)為框架,車架下端安裝有行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)和麥克納姆輪,實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng);車架底座裝設(shè)有灰度巡線傳感器來進(jìn)行巡線定位,使機(jī)器人能精確完成物品的取件擺放,更好地實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸工作;底座上端安裝有活動(dòng)升降架,活動(dòng)升降架上設(shè)有懸吊滑軌,懸吊滑軌上裝設(shè)的滑移抓取組件能更好地實(shí)現(xiàn)懸吊起重運(yùn)輸。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)新穎、智能化水平高。

嵌入式系統(tǒng)是核心的控制系統(tǒng),在多種硬件和軟件的組成配合下實(shí)現(xiàn)了物品運(yùn)輸過程中的實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。自主控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自主導(dǎo)航、路線循跡和避障等功能,提高了機(jī)器人的靈活性、高速度和高效率。機(jī)器人結(jié)合了Arduino嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具,高質(zhì)量地保證了物品運(yùn)輸過程中各項(xiàng)功能的實(shí)現(xiàn)。

該新式起重運(yùn)輸機(jī)器人可保證在穩(wěn)定抓取放置物品的同時(shí)擁有較高的運(yùn)行效率,投入成本低,能滿足現(xiàn)代制造行業(yè)的需求,達(dá)到了自動(dòng)化物流搬運(yùn)的目的,為智能工廠的柔性化生產(chǎn)提供了解決方案。