基于微控制器的智能搬運機器人的科技邏輯

摘要：智能搬運機器人已成為現(xiàn)代社會的重要搬運工具，本文探究了智能搬運機器人的科技邏輯。論述了微控制器在智能搬運機器人中應用的必要性，闡述了基于微控制器的智能搬運機器人軟件程序設計，以期為廣大科研人員提供參考。

關鍵詞：微控制器；智能搬運機器人；科技邏輯

一、基于微控制器的智能搬運機器人整體設計

（一）智能搬運機器人的行進機構設計

作為智能搬運機器人的核心組成部分，其行走裝置所對應的機械結構為行進機構，該機構主要職能為接收控制核心的命令，并驅動控制機器人實現(xiàn)循跡、避障、抓取等作業(yè)。對于智能搬運機器人的行進機構而言，存在兩種不同的行進設計方案，分別為輪式行走與履帶行走，雖然它們的作用機制存在差異，但兩種行進機構設計方案都可以滿足智能搬運機器人的控制需求。首先，輪式行走結構是指在智能搬運機器人的運行過程中，其自身往往需要消耗一定量的功率，用以實現(xiàn)對摩擦阻力的克服與滑轉。若智能搬運機器人機體加裝的行走機構為四輪式行走機構，則其自身的承載能力將有所提升。另外，由于這種機械結構相對簡單，因此其具有較強的可控制性與易操作性。其次，履帶行走機構的復雜度更高，其核心在于結合輪子與履帶兩個組成結構，能在更復雜的環(huán)境中發(fā)揮出優(yōu)勢與性能，以保障其正常行駛的穩(wěn)定性。不僅如此，履帶行走機構以其高穩(wěn)定性與適應性，能跨越或躲避環(huán)境中的各種障礙。由此可見，履帶行走機構是當前設計智能搬運機器人行進機構的首要選擇。

（二）智能搬運機器人的抓取機構設計

在智能搬運機器人的整體設計中，抓取機構占據(jù)著重要地位，這也是人工智能與機器人學的主要研究課題之一。作為智能搬運機器人的抓取機構，機械臂往往被固定在智能搬運機器人的基座之上，具有較強的穩(wěn)定性，但由于受到臂長、自由度等因素的限制，導致操作范圍表現(xiàn)出一定的局限性。機械臂通常包含四個舵機，可以在遠程手柄的控制下，抓取目標物體；而任意關節(jié)處均由舵機支架穩(wěn)定連接，并通過驅動向舵機供電的方式，維持機械臂的正常運行狀態(tài)。

除此之外，由于智能搬運機器人抓取機構的電力來源為鋰電池，加之微控制器可以成功接收到的電壓較小，因此在其中還需添加穩(wěn)壓模塊，用以保障其抓取工作的正常開展。在抓取作業(yè)過程中，需要保持機械臂的準確度，讓其可以在恰當?shù)奈恢门c姿態(tài)下移動和抓取，這對智能搬運機器人的自由度提出相對較高的要求。自由度是指機械臂可對相應坐標系進行獨立運動的數(shù)目，對智能搬運機器人的靈活性具有重要影響。如果機械臂的自由度數(shù)量較多，則其運動的靈活性較強，就可以憑借自身更復雜化的設計結構，發(fā)揮出更強的通用性與可靠性。在自由度數(shù)量較多的情況下，機械臂可以完成不同形式的運動，并按照其運動方向分為兩種類型，即沿坐標軸進行的平移運動與繞坐標軸進行的旋轉運動?，F(xiàn)階段，比較常見的智能搬運機器人抓取結構為六自由度鏈式關節(jié)，其自由度數(shù)量可以與既定目標任務相匹配，從而使得機械臂能到達任意位置，以更好地完成各項抓取任務。

（三）智能搬運機器人的傳感器模塊與驅動裝置設計

智能搬運機器人能高效地完成各項目標任務，主要依賴于其傳感器模塊。作為智能搬運機器人的感知結構，傳感器模塊能夠全面采集外界環(huán)境信息，并根據(jù)數(shù)學函數(shù)法轉換處理，以獲取到相應的可用信號，便于智能搬運機器人后期完成高效的自主作業(yè)。另外，在智能搬運機器人的傳感器模塊中，搭配有五種不同類型的傳感器，包括超聲波、藍牙、聲音、循跡、灰度。在安裝傳感器模塊前，需要加強調(diào)試處理，如調(diào)試聲音傳感器，能幫助智能搬運機器人在不同環(huán)境下感知到不同音量大小的聲音，以保障其作業(yè)的靈敏度。而超聲傳感器在發(fā)出超聲波的過程中，受到環(huán)境中各類雜質或分界面的干擾影響，則會出現(xiàn)相應的顯著反射現(xiàn)象，并形成一定的反射回波，在此條件下識別到環(huán)境中存在活動的物體，則會出現(xiàn)多普勒效應。由此可知，智能搬運機器人應采用一定的措施防止前述現(xiàn)象，并利用渡越時間法，躲避環(huán)境中不同障礙。

而傳感器中超聲傳感器模塊的工作方式可歸納為三大模塊，即超聲模塊、單片機、實物工作模塊，其中，超聲模塊包含超聲波接收裝置與發(fā)送裝置，能向實物工作模塊發(fā)送相應的任務指令；在實物工作模塊中，主要由信號波作用于相應的收發(fā)裝置，并向單片機發(fā)送判定指令；在單片機工作過程中，首先需要精確測定機器人與物體之間的距離，隨后判斷該距離是否小于規(guī)定距離，如果小于，則搬運機器人只能繼續(xù)前進并完成作業(yè)；反之則后退并右轉完成相應作業(yè)。智能搬運機器人中，通常需要搭載一個傾角傳感器，用以實現(xiàn)對機器人自身狀態(tài)的實時檢測，進而采取調(diào)控措施達到側翻恢復的目的。

對于智能搬運機器人的驅動裝置而言，通常為步進電機驅動裝置，其關鍵組成部件為高精度的數(shù)字舵機，能更好地應對智能搬運機器人在作業(yè)中的各種突發(fā)情況。而驅動裝置感知與采集所處環(huán)境中的相關信息時，需要經(jīng)過一定處理后，將環(huán)境信息轉化為相應的工作指令，再下發(fā)至各級執(zhí)行機構。如果智能搬運機器人采集環(huán)境信息后，識別到其自身行進過程中出現(xiàn)堵轉現(xiàn)象，則舵機內(nèi)部將會自發(fā)啟動保護措施，并調(diào)控履帶后續(xù)的行進路線與方式。

（四）智能搬運機器人的循跡模塊與避障模塊設計

在智能搬運機器人的硬件系統(tǒng)框架中，循跡模塊與避障模塊能為機器人執(zhí)行相應的搬運任務提供輔助調(diào)控作用。為了讓智能搬運機器人保持正常運行狀態(tài)，其中的兩個循跡模塊始終要參與檢測作業(yè)，且與黑線無任何接觸。若在作業(yè)過程中，智能搬運機器人檢測到黑線，則其中的傳感器會處理電平調(diào)變，且微控制器會做出及時的反應，即控制機器人沿左側或右側兩個不同的方向行駛。通過微控制器的持續(xù)作用，有利于調(diào)整智能搬運機器人的行駛方向，使其整體保持直線狀態(tài)行駛，從而達到有效循跡的目標。而在智能搬運機器人轉向的過程中，需要控制其輪子的轉速，確保差異性，如此一來，才能針對不同彎道的情況調(diào)整行駛狀態(tài)。在智能搬運機器人的工作電路中，包括傳感器與調(diào)理電路兩個部分，其中，前者可以在紅外發(fā)射管的作用下，通過發(fā)出紅外線的方式檢測外界環(huán)境，若得到返回信號，則表明地面中具有黑線；后者采用電壓比較器對比外界環(huán)境中的兩路電壓。

要想實現(xiàn)避障模塊，主要依賴于超聲傳感器的測距功能，該模塊可以在智能搬運機器人的行進過程中持續(xù)發(fā)出超聲波，若前方存在障礙物，則超聲波將會立即返回；隨后避障模塊即可判斷返回的超聲波，并計算獲取到與前方障礙物的距離，進而預設出一個恰當?shù)呐R界范圍。如果智能搬運機器人未在規(guī)定閾值范圍內(nèi)檢測到障礙物，則可以繼續(xù)行進并執(zhí)行任務。此次課題中，避障模塊設計所采用的是hc-sr04型超聲波，其供電電壓設定為5V，包括四個不同的引腳，并與微控制器的I/O接口相連。

二、基于微控制器的智能搬運機器人軟件程序設計

（一）智能搬運機器人的工作流程

智能搬運機器人將STM32微控制器作為控制核心，首先定義一個固態(tài)函數(shù)庫，隨后將編譯的所有工作任務程序存儲其中。而編寫不同器件的驅動程序，都需要在微控制器中完成。在程序的驅動作用下，STM32微控制器可以實現(xiàn)對智能搬運機器人系統(tǒng)的初始化處理，并應用符合工業(yè)標準的異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設備與串口，處理數(shù)據(jù)交換。在此處理模式下，智能搬運機器人可以對自身的運行模式實時檢測，并高效完成正常行進、超聲避障、準確抓取等各項工作任務。此外，智能搬運機器人應用模塊化編程處理方式，能更好地控制程序，進而成功獲取到相應的若干個子程序，然后分別實現(xiàn)行進、識別、循跡、抓取、跟隨等各項任務。

在程序執(zhí)行開始，首先要對處理器初始化處理，該處理過程主要分為兩個部分，即微控制器與硬件模塊初始化，后者包括超聲波模塊與循跡模塊的初始化步驟。智能搬運機器人的內(nèi)部配置相對完善，具有微控制器的管腳配置、輸出模式、時鐘配置等，管腳配置與輸出模式的作用在于采集遙控數(shù)據(jù)，時鐘配置的作用是完成對定時器時間的設置，二者共同作用于機械臂，有利于精準抓取目標物體。同時，循跡模塊與超聲波模塊在采集數(shù)據(jù)信息的過程中，需要判斷外界環(huán)境中是否存在黑線，若檢測識別到黑線，則智能搬運機器人需要沿著一定的線路行駛；若未檢測識別到任何黑線，則機器人需要保持直行狀態(tài)。當然，各模塊還需要采集和判斷外界環(huán)境中是否存在障礙物體，若存在障礙物，智能搬運機器人需要改變行進路線以躲避障礙物；若檢測到外界環(huán)境中無障礙物，則機器人只需要保持直行狀態(tài)即可。

（二）智能搬運機器人機械臂中的視覺模塊設計

對于智能搬運機器人機械臂中的視覺模塊而言，首先需要對感光元件初始化處理；隨后應對相機模塊默認的像素模式調(diào)整與設置，在常用的圖像處理方法中，主要包括兩種不同的像素模式，即色彩模式與灰度模式。相較于色彩模式而言，灰度模式具有更高的運行效率，但這種模式無法識別目標物體的顏色，所以，為了保障智能搬運機器人的實用性，通常選擇色彩模式處理圖像。對于設置相機模塊的分辨率，可以選擇分辨率種類具有極強的多樣性；采用穩(wěn)定模式處理視覺圖像，能夠過濾由于相機設置不穩(wěn)定而產(chǎn)生的低質量圖像；關閉相機模塊的自動白平衡功能，有利于防止圖像不穩(wěn)定。在智能搬運機器人機械臂的視覺模塊中，還設置有二維碼識別功能，能幫助機器人在掃描目標物體圖像的同時，獲取到準確的任務信息。相機模塊中還具備鏡頭畸變矯正功能，能去除鏡頭造成的圖像魚眼效果，以保證圖像的真實性與可靠性，并在提高相機模塊識別效率的基礎上，最大化消除Oggtjdf3JcrWrMDtITty6wcfVVHpaP4MiMKnC9H2Aog=圖像的變形現(xiàn)象。

（三）智能搬運機器人的循跡與定距抓取子程序

當外界環(huán)境處于相對穩(wěn)定狀態(tài)時，其空間結構的變化幾乎可以忽略不計，在此條件下，智能搬運機器人單片機可以及時處理傳感器傳輸?shù)乃行盘?，并以此完成循跡與避障任務。當超聲波傳感器檢測識別到障礙物時，智能搬運機器人會在指令輸送的作用下，即刻采取減速處理，并保持緩慢行駛的狀態(tài)；紅外模塊在檢測識別到障礙物時，將即刻反饋低電平信號，讓智能搬運機器人迅速停止直行，并在轉換方向后繼續(xù)行駛。而設計循跡子程序的目的在于實現(xiàn)對智能搬運機器人行進方向的精準調(diào)節(jié)與控制，從而合理規(guī)劃和設計行進路徑。

基于微控制器的智能搬運機器人中還包括定距抓取子程序，該程序的設計目的是保證機器人可以在最佳位置區(qū)域內(nèi)抓取目標，使抓取作業(yè)的效率與精度得以提升。當單片機接收到相應模塊的控制信號時，機器人將會鎖定目標抓取物體，并開始移動；當機器人自身行進至最佳位置點時，定距抓取子程序將會輸出相應的信號，令機器人即刻停止移動并保持靜止穩(wěn)定狀態(tài)；最終由舵機控制具有高自由度的機械臂開始作業(yè)，以高效率完成目標物體抓取工作。

三、結束語

綜上所述，隨著科技的迅速發(fā)展，智能化發(fā)展已成為各行各業(yè)的熱點。智能技術能降低人們的勞動力付出比例，使得企業(yè)生產(chǎn)更自動化，且生產(chǎn)效率也得到提升。

作者單位：沙印 陳虎威 江陰職業(yè)技術學院/機車輪轂電機智能驅動工程技術中心 2023年度江蘇高等職業(yè)院校工程技術研究開發(fā)中心 “智能網(wǎng)聯(lián)工業(yè)電機驅動”工程技術研究開發(fā)中心

基金項目：2023年度省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊：“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電驅系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”科創(chuàng)團隊。

沙?。?980.09-），女，漢族，江蘇江陰，碩士，副教授，研究方向：機電工程、電氣工程；

陳虎威（1985.04），男，漢族，江蘇靖江，博士，助教，研究方向：智能電網(wǎng)、車載通信、電機及其驅動系統(tǒng)等方面研究。

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