智能重物搬運機器人的設計與實現

吳軻 王凱亮 華棟 崔佩儀

摘要 為進一步提升我國工業生產效率以及重物搬運作業的安全性，本文基于ATmega16單片機設計了一個智能重物搬運機器人系統。首先對該智能重物搬運機器人系統進行總體設計，然后分硬件和軟件兩個部分進行設計和實現，確保所設計的重物搬運機器人對重復性勞動作業的工作效率的提升，同時，降低事故發生率。

【關鍵詞】ATmega16 單片機 智能重物搬運機器人 路徑識別

在我國工業生產中以及目前的一些物流搬運中，存在著很多工作崗位需要人工進行高負荷的重復性操作，比如工業生產線以及自動化倉庫等等。對于工人而言，就單一工作、單一動作進行長時間的重復往往會導致勞動效率降低或是靈敏度降低，并且還極易出現工作事故，威脅工作人員的人身安全。隨著智能化技術的不斷發展，智能搬運機器人應運而生，這一類型機器人其具有效率高、投入少等優點，能夠較好地勝任簡單重復性的工作。鑒于此，本文基于ATmega16單片機，設計了一個具有自動標識檢測、自動抓取以及搬運以及碼放貨物功能的智能重物搬運機器人，以期利用這一機器人來提高工業勞動效率和作業的安全性，以下為具體研究內容：

1 總體設計

本設計智能重物搬運機器人系統在系統硬件組成上主要包括主控制器模塊、舵機控制模塊、黑線檢測及路徑識別模塊、電機驅動模塊、穩壓模塊、下載模塊以及蜂鳴提示模塊幾個部分。在軟件部分，采用ATmega16單片機為其核心控制器，通過安裝于行動部分前段的渦流傳感器對路徑進行自動化的識別，通過安裝于機械手臂頂端以及后端的紅外傳感器對貨物位置以及倉庫位置進行探測和識別，并且將所獲得的信息及時性的傳遞至主控單位進一步對其進行處理。在完成以上步驟后，ATmega16單片機再對所獲得到的信息進行分析，然后對舵機和驅動電機進行PWM控制，完成對智能重物搬運機器人的五對自由度機械手臂以及循跡行進的精準有效控制。

2 硬件設計及實現

2.1 主控制器模塊

在智能重物搬運機器人的硬件系統部分，需要滿足對循跡及五對機械手臂的控制，也就是需要完成對五個舵機、兩個步進電機以及六個傳感器的控制。此處需要十三個I/O接口，在方便、實用以及經濟的原則下，文章選擇ATmega16單片機作為本智能重物搬運機器人系統的主控制器，其具有低功耗、高性能以及功能高度集成等諸多優點，就本智能重物搬運機器人的功能完成而言，并不需要進行進一步的功能擴展，且可以使用C語言完成編程工作。

在具體的電路設計上如圖1所示，采用PCO、PC1端口作為渦流傳感器的連接口，繼而實現對路徑信號的獲取，在經過單片機分析后，再將其輸出給PD6、PD7，繼而完成對機器人循跡運動的有效控制。再使用PD2-PD5對機器人所安裝的四個紅外傳感器信號進行檢測，并將處理后的信號分析后在輸出到PAO、PA1、PA2、PA3、PA4中，對機器人五對機械手臂上的五個舵機PWM輸出予以控制，繼而完成最后的抓貨和收臂的動作。

2.2 航機控制模塊

智能重物搬運機器人的機械手臂部分共有五對機械手臂，每個手臂設定五個舵機進行控制，包括手指、手腕、手肘、肩以及基座五個關節，在其中間連接處采用孔件完成相連，在手指模塊部分，最末端安裝紅外傳感器。通過調控的方式完成對每個舵機關節的動作控制，繼而完成對整個機械手臂的動作控制。

選擇FUTABA-S3003為本系統的舵機，通過對PWM信號脈寬占空比的調節完成對舵機的調節。由ATmega16單片機模擬產生PWM信號，通過4MHz外部晶振獲得50Hz的頻率的信號，且不出現誤差積累的情況。通過對脈沖計數進行調整的方式完成對脈寬的調整，將電脈沖信號進行轉變繼而轉變為角位移，通過脈寬決定舵機的輸出轉角，其非常便于對單片機的控制作業。

2.3 黑線檢測及路徑識別模塊

選擇LJ8A3-2-Z/AY型渦流式的傳感器兩個作為黑線檢測即路徑識別模塊的核心傳感器，于系統的全部正下方距地面1.5-2毫米完成安裝。分在在系統的手抓上以及系統的后部安裝四個反射式的紅外傳感器，完成對貨物位置以及黑線檢測的判定工作。并通過對此兩個傳感器的使用實現電路的進一步簡化，在信號的處理上更為快速且抗干擾性更高。采用錫箔紙鋪成路徑作為引導線，用黑塊完成對倉庫位置標志?；阱a箔紙所具有的金屬特性，渦流傳感器即可完成對路徑的動態監測，并實現循跡動作。在具體透過紅外傳感器完成循跡的過程中，可以將所檢測到的光信號進一步轉化為電信號，繼而完成對放貨倉庫以及取貨地位置的判斷。

2.4 電機驅動模塊

采用兩個PARAL-LAX步進電機作為智能重物搬運機器人的驅動部分，安裝于兩側的履帶之上。其優點在于可以不為旋轉角度所束縛，可以在反轉和正轉上均實現無限制的運動，且在驅動力上有保障，非常適合作為車體的驅動電機。在具體的控制方式也和舵機基本一致，對于電力的正反轉控制均是采用PWM信號予以完成。為了進一步提升工作效率，在單片機部分，采用分時驅動控制的模式，即在不允許同一個時間周期內多個元器件同時運作?？稍诙虝r間內對左右兩個電機交替進行脈沖的輸入，但因速率極快繼而可以讓履帶看起來像同時運動一樣。

3 軟件設計及實現

3.1 控制計算

如圖2所示為本設計智能重物搬運機器人系統主程序的設計流程圖。在整個智能重物搬運機器人系統中一共采用了6個傳感器對機器人的實際使用過程中所產生的路況信息予以獲取。在行動部分由渦流傳感器負責，在機械手臂取貨放貨部分由紅外傳感器負責。在整個系統內一共包括防火子程序、取貨子程序以及循跡子程序三者。在系統的具體運作上，循跡子程序首先運作，控制機器人前往貨物的存放地，然后在一黑線被紅外傳感器檢測到作為觸發點，執行相應放貨或是取貨的操作，然后再向前一小段的距離完成對黑線的躲避，繼續就循跡操作予以執行，一直到兩個傳感器同時都對黑線檢測到，即結束信號被檢測到為止。

3.2 行動部分控制

在智能重物搬運機器人系統行動部分的控制上采用兩個渦流傳感器就所鋪設的錫箔紙位置予以獲取，并且就機器人的前進方向及時進行修正。因為兩個渦流傳感器在間距上要略微大于錫箔紙的寬度。因此，在機器人行進過程中可以嚴格依照在系統設計中已經設計好的預定路徑行駛，繼而完成對智能重物搬運機器人的行動控制。

3.3 機械手臂控制

為了保障智能重物搬運機器人可以精準的將貨物送到指定位置，便需要就其機械手臂部分進行有效的控制，同時這也是整個智能重物搬運機器人軟件設計部分最為精密的部分。通過上文的分析和介紹己知，在本設計所設計的智能重物搬運機器人系統中，對于每一對機械手而言，都設計了五個舵機，而采用坐標的變化關系的形式便可以將五個舵機各自轉動的角度、最終位置以及手抓的運動軌跡進行確定。

從上文已經介紹過的智能重物搬運機器人系統機械手臂的結構可知，對于肩部舵機和轉動基座而言，其只能在水平面上進行運動，對于手腕處和手肘出的舵機則是只能在垂直平面上進行運動，繼而可以將兩者放在數學領域內，將此兩者之間的動作轉化為對兩個自由度機械連桿機構的數學分析。使用1₁、1₂、l₃、1₄分別表示機械手臂中四根連桿的長度，使用θ1、θ2、θ3以及θ4分別表示四個舵機的轉動角度，手抓位置使用p（x，y）進行代替。在其垂直面上，便可以通過對l₃、l₄的計算，就θ3以及θ4的數字予以求出。

在具體的設計中，通過對以上所介紹的一系列公式的套入計算，在靜坐標系中則可以求得θ1、θ2。在動坐標系中則可以求得θ3、θ4，在此情況下，便可以將機械手臂使用過程中的貨物位置信息作為各個脫機轉角確定的依據信息，基于這一套程序便可以很好的完成機械手臂的收臂和放臂的動作。

4 結束語

綜上所述，在我國的工業生產中，經常會出現一些需要重復性進行重物搬運的工作崗位，這些工作崗位對于知識文化水平的要求很低，但是在危險性上則是很高，因此適于使用智能重物搬運機器人來擔任這一工作崗位。本文在高效、簡單以及安全的基本原則下，基于ATmega16單片機設計了一個智能重物搬運機器人系統。在智能重物搬運機器人的具體運作中，采用干電池供電的形式，繼而可以很好的擺脫電源的限制，并且在物理力學和運動學的分析基礎上，建立了其運動的數學模型，實現了對整個機械手臂的精確性控制，值得在我國的一些工業領域崗位上大力推廣使用，降低勞動工作危險性并提升勞動效率。

參考文獻

[1]蘇品剛，尚麗，胡志峰.基于單片機的智能分揀搬運機器人的設計與實現[J].蘇州市職業大學學報，2016，27 （03）：16-20.

[2]李慶，李路，智能搬運機器人控制系統的設計與實現[J]，宜春學院學報，2014，36 （06）： 50-53.

[3]葛琳琳，張威，基于ARM的危險品搬運機器人的設計與實現[J].電子設計工程，2014， 22 （20）：178-180.

[4]顏建美.智能物料裝配及搬運系統的設計與實現[D].江蘇大學，2013.