智能倒水機器人的設計

楊磊+徐建軒+印松+曾日潮+李星辰

摘 要 本文中詳細的闡述了一種使用在會議室的倒水式智能機器人的設計，該設計的機械系統中考慮到送杯和送水兩個功能的實現，合理可靠的設計，最終得出最可靠的方案；控制系統中選用合適的電機，通過單片機技術和多個傳感器控制整個裝置的運動。整個裝置的設計極大地保證會議的私密性，提高了服務的效率。

關鍵詞 會議 智能機器人 傳感器 單片機

中圖分類號：TP24 文獻標識碼：A

0引言

智能機器人作為先智能建筑與智慧城市進制造業中不可替代的重要裝備和手段，已成為衡量一個國家制造業水平和科技水平的重要標志。本文中智能倒水機器人是一種自動送杯并在倒滿水后運送水的裝置，當舉行會議時，它能夠取代服務員，這樣不僅能使會議流暢的進行下去，還能夠保證會議的私密性，很好的減少了人力資源，提高了服務的效率。

1裝置設計與實現

作為一個倒水裝置，最重要的兩個參數便是其運動的穩定性和功能的可靠性，如果裝置在運行過程中出現杯中的水灑出來、或者杯子未到位而水龍頭先出水的情況，說明裝置還存在一定的缺陷。本裝置中采取了兩個直流無刷電機驅動三個輪子運動（后面兩個驅動輪、前面一個從動輪）的機械結構來保持裝置的平穩運行，倒水結構采取旋轉式送杯的形式，箱頂中間部位設有環形軌道，通過支撐圓環的三個小滾輪做圓周運動。控制部分以模塊化的設計思想為主導，包括電機驅動模塊、STC89C52RC-RD單片機最小系統模塊、紅外遙控模塊、循跡傳感器模塊、送杯模塊、水泵模塊、供電電池、穩壓電源模塊等。通過機械系統和控制系統的密切配合保證了運動的穩定性和功能的可靠性。

1.1 機械系統

本設計中的機械部分包括倒水機構和行走機構，倒水機構設置于箱頂，包括出水裝置和旋轉機構，出水裝置包括水桶，水桶頂部通過水管連接至水泵，水泵通過水管連接至水龍頭，水龍頭下方和出水口處均設有光電傳感器；旋轉機構包括一步進電機，步進電機輸出軸上端連接有聯軸器，聯軸器上端連接有傳動軸，傳動軸與圓盤相連，圓盤與箱頂之間設有支撐圓環，支撐圓環包括塑料圓圈以及緊固于塑料圓圈圓周的三個小滾輪，箱頂中間部位設有環形軌道，三個小滾輪在環形軌道處做圓周運動。倒水機構下端連接有行走機構，包括一底板，底板中間部位有兩臺直流無刷電機，通過電機座固定于底板上，底板后側兩個角處均通過螺栓緊固有兩個軸承座，主動軸通過軸承固定于軸承座之間，主動軸中間部位設有主動齒輪，直流無刷電機輸出端也連接有輸出齒輪，主動齒輪與輸出齒輪通過同步帶連接，兩個主動軸一端均連接有驅動輪，底板下端前側設有從動輪（如圖1）。

1.2控制系統

本設計方案中的智能倒水機器人采用后輪驅動，后輪左右兩邊各用一個電機驅動，由單片機輸出PWM調制信號控制后面兩個輪子的轉速從而控制機器人轉向。循跡是指小車在白色的地板上循黑帶行走，本設計中的機器人循跡行走通過TRCT5000紅外對管反射式光電傳感器，小車在行駛過程中，當左、右的傳感器檢測不到到黑線時，小車直線前進，當靠左邊的傳感器檢測到黑帶時，小車向左拐；當靠右邊的傳感器檢測到黑帶時，小車向右拐。裝置采用多個紅外對管傳感器可以使小車的行駛更加靈活，拐彎時更加順暢。

當本裝置執行命令時，遙控器通過無線控制給單片機控制器一個信號，機器人行走至指定位置后，控制器給步進點擊驅動器一個脈沖，使步進電機帶動圓盤旋轉，當水龍頭下方的光電傳感器監測到有杯子時，將信號傳遞給單片機控制器，而后控制水泵使水龍頭出水一定時間，出水動作完成后，水泵停止工作，單片機控制器給轉盤控制裝置信號使圓盤旋轉，達到倒水的目的。

2使用效果與結論

2.1使用效果

從制作的樣機來看，機器人可以順暢地實現設計中的循跡、定位和倒水等功能。在此基礎上，為了使機器人更加智能化，還可以為其擴展避障、自動識別、自動報警、自動保持安全距離、車速檢測和遠程控制等功能設計（如圖2）。

2.2結論

本設計中的智能倒水機器人，采用TRCT5000紅外傳感器為循跡模塊，通過電路將紅外收發模塊、光電傳感器等數據讀入，利用嵌入式程序算法對讀入數據進行處理，并通過輸出PWM波信號控制2個電機轉動，實現循跡、定位和倒水等功能，同時使用單元化的電路設計，使得系統簡潔，響應快，性能穩定。

參考文獻

[1] 許果，王峻峰，何松齡.一種基于SCARA機器人機械結構設計[J].機械工程師，2005（4）.

[2] 吳振彪，工業機器人[M].華中科技大學出版社，2002.