一種智能式運料機器人的設計

張勇斌，劉保國

(1.鄭州鐵路技師學院，河南 鄭州 450041；2.河南工業大學機電學院，河南 鄭州 450002 )

隨著微電子技術的蓬勃發展，機器人產品不斷涌現出來，減輕了人的勞動，極大地提高了勞動生產效率。移動式運料機器人利用單片機作為控制單元實現無人操作，并具備尋跡避障、自動行駛、運料、翻斗旋轉和卸料等功能，適合短途物料運輸采用[1]。基于此目的，設計了一款智能移動式運料機器人。車完成如下動作[2]：黑白線循跡→走簡單迷宮→沿規定的軌跡自動行駛→運料→翻斗旋轉→卸料等系列動作，將工件從存儲處送到運料車上。整體的設計任務流程如圖1所示。

圖1 設計任務流程圖

1 設計任務

智能移動式運料機器人通過控制、驅動、執行、傳動、導向等部分和控制軟件共同實現智能

2 總體方案論述

采用單片機作為控制單元對電機進行控制。用4路分別放大的信號驅動四相五線的步進電機；步進電機與相應的齒輪、連桿連接起來，將螺旋運動轉化為穩定的翻轉運動。步進電機控制器采用微機或單片機作為控制部件。采用微機時，可通過 ISA 總線、并行端口、串行端口傳送數據；需設計步進電機與微機的接口電路。采用單片機時，可選用 AT89S52；需設計單片機最小系統和步進電機與單片機的接口電路。總體功能如圖2所示，方案設計如圖3所示。

圖2 總體功能圖

圖3 總體方案設計圖

3 模塊設計

3.1 行走方案的選擇和確定

關于小車的行走方案，可以采取輪子、腿和履帶3種可行的方案。綜合考慮功能要求和設計原則，采用輪子實現小車的行走， 既能很好的實現功能，成本較低，結構也簡單可靠。考慮具體的工作環境，采用3輪結構：兩個輪作為驅動輪，控制小車的前進、倒退和轉彎；一個萬向輪作為從動輪，使小車車身平穩，同時使小車保持較好的靈活度。

3.2 電機的設計

采用普通直流電機。直流電機的最大優點是調速特性，能夠實現不同速度的運行，也能快速啟動、反轉和制動。

3.3 電機驅動方案的選擇

采用H橋電路。將4個晶體管分兩組，在單片機控制下通過交替截止、導通來控制電機。晶體管相應速度快，效率高、穩定性強[3]。步進電機驅動電路的選擇如圖4所示。

圖4 L298電機驅動電路圖

3.4 供電電源方案的選擇

用一個電源。電源分兩路，一路直接控制電機，另一路經穩壓后控制電路：供電電路簡單。如圖5所示。

圖5 電源電路

3.5 路面情況檢測方案的選擇

探測路面黑線的基本原理：通過光線照射黑線和白線后，反射的光強不同，被傳感器接受后能夠判斷是黑線還是白線。采用脈沖調制的反射式紅外發射接收器[4]。一方面能大幅度減小外界自然光的干擾；另一方面瞬時電流大，對信噪比有很大提高，而且反應靈敏、電路簡單。

3.6 障礙物探測方案的設計

采用脈沖調制的反射式紅外發射接收器。

3.7 翻斗機構方案的選擇

采用四連桿機構。電機承受的力矩會比較小，運行比較平穩。機構如圖6和圖7所示。

圖6 四連桿翻斗機構圖

圖7 翻斗機構在小車上的布置

4 系統硬件設計

4.1 路面黑線檢測的設計與實現

4.1.1 黑白線探測

路面黑白線檢測主要通過黑白線檢測傳感器實現。黑白線檢測傳感器有效檢測距離達5 cm，通過調節電位器，最遠可以達到 10 cm（該距離下，檢測黑白線的精度降低）。這款黑白線傳感器可見光干擾小，輸出信號為開關量，信號處理簡單，使用非常方便，還增加了探測距離調節器，改進了探測距離，加強了探測精度。

4.1.2 黑白線循跡方案選擇

采用2個集發射與接收于一體的發光二極管分別通過AT89S52的端口P2.0和P3.5來采集地面的黑白反差變化，檢測電路如圖8所示。發光二極管發射一定強度的紅外線照射地面，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發出一個電平跳變信號。將2個傳感檢測器安裝于小車前端車底盤下端，左右各1只。當小車行駛時，發射管發出紅外線照地面，光線經過白線反射會被接收管接受到，輸出低電平信號；當電動小車經過黑線時，由于發出的光線被吸收，這樣接收管不能收到射線，傳感器輸出高電平信號。不論高電平還是低電平信號都是瞬時送達AT89S52單片機。單片機經過處理，判斷并執行在單片機存儲器中存儲的預先編制好的程序，從而運行小車的行駛。

圖8 黑白線檢測電路

4.2 電動機驅動電路設計與實現

考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素，可選用集成電機驅動芯片L298。L298是雙H高電壓大電流集成電路，其輸出腳（SENSEA 和SENSEB）用來連接電流檢測電阻。表1為L298控制表[5]。Vs 為驅動電機的電源，Vss連接著邏輯控制的電源，通常為+5 V；IN1～IN4輸入引腳用來控制H橋的接通和斷開，采用標準TTL邏輯電平信號；ENA、ENB引腳為使能控制端，功率集成電路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封裝，15 個引腳，如圖9 所示。

圖9 Multiwatt15 引腳圖和封裝圖

表1 L298 控制表

4.3 探測物料位置的傳感器設計

采用一個集發射與接收于一體的紅外傳感器通過 AT89S52 的端口P1.0來采集前端的物料并作出相應的反應，檢測電路如圖10所示。工作原理為：發光二極管發射一定強度的紅外線照射前端，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發出一個電平跳變信號，端口采集相應的電平信號調用子程序作出設定的動作。將傳感檢測器安裝于小車前端車體底盤下，這樣能夠檢測前端的物料。當正常行駛時，發射管發射紅外光照射前方，光線碰到物料則反射后被接收管接收，端口輸出低電平信號；前端有效距離內若是無障礙，則發出的紅外線無返回，接收端接收不到反射光線，傳感器端口P1.0輸出高電平信號，若在有效距離內探測到物料，則發出的光線反射回傳感器并被接收，傳感器端口P1.0輸出低電平信號，并將采集到的信號送AT89S52單片機處理，執行機械手夾緊動作。

圖10 避障檢測與處理

圖11為避障處理和檢測而采用的光電傳感器。其檢測的距離大小是可以調節的，并且具有結構簡單、價格便宜和容易裝配的優點。

圖11 避障檢測傳感器

5 軟件設計

迷宮避障設計流程如圖12所示，黑白尋跡流程如圖13所示。

6 結論

經過方案論證、硬件設計、軟件設計和現場調試并對傳感器不斷調整、對程序不斷修正，完成了AT89S52智能車的制作。練習使用智能車系統的各個模塊，經過測試，程序中寫入不同的R3、R4 值，小車速度有明顯的變化，能夠實現正確的運行路線和翻斗機構的運動，以及小車黑白線循跡和走簡單迷宮的功能。

圖13 黑白尋跡流程圖

[1] 城井田, 勝仁 編.輕輕松松制作機器人 [M].崔素蓮 譯.北京：科學出版社， 2010.

[2] 蔡自興. 機器人學[M].北京：清華大學出版. 2009.

[3] 日本機器人學會 編.新版機器人技術手冊[M].宗光華，程君實 譯.北京：科學出版社，2007.

[4] DavidCook. 機器人制作提高篇 [M].畢樹生，李大寨，高志慧 譯.北京：北京航空航天大學出版. 2005.

[5] Joseph L. J. 著，機器人編程技術·基于行為的機器人實戰指南[M].原魁 譯.北京：機械工業出版社， 2006.