基于單片機(jī)的遙控搬運(yùn)機(jī)器人

耿銀淼 李先豪 王玉芳

摘要：通過單片機(jī)編寫操控程序，再通過手機(jī)進(jìn)行操控，方便快捷，可以減少老人的體力，利用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自由旋轉(zhuǎn)，以及通過電磁閥操控氣缸，來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平方向以及垂直方向的移動和機(jī)械手的吸取。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；手機(jī)遙控；搬運(yùn)機(jī)器人；氣動

1引言

當(dāng)前中國正處于一個飛速發(fā)展的時期，尤其是經(jīng)濟(jì)方面，人們出于對美好生活的向往尤其是對于大城市的向往使得我國城市化進(jìn)程的加快，進(jìn)而使農(nóng)村中的青壯勞動力數(shù)量不斷減少城市中年輕人數(shù)量增多。雖然大量青年的注入使得各大城市發(fā)展加快但卻不可避免的造成了農(nóng)村出現(xiàn)大量留守的孤寡老人，極大地削弱了農(nóng)村的勞動力，更使得城市與村莊之間的經(jīng)濟(jì)拉開了差距，尤其是那種偏遠(yuǎn)貧瘠的山區(qū)。

雖然“望子成龍，望女成鳳”是每個家長的心愿，家長們都希望兒女在外闖出一片天，但是大量青壯勞動力的流失就使得農(nóng)村的留守老人面臨日常中的會有一些比較重的東西搬不動卻又不得不去搬，而如果強(qiáng)行搬運(yùn)的話會對身體損傷的問題。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)初衷就是為了解決留守的孤寡老人在此方面的困擾，其次也是一次將機(jī)器人推廣并深入到我們生活中的一次機(jī)會。

2研究目的

基于上述情況我們選擇了遙控搬運(yùn)機(jī)器人來進(jìn)行研究，一方面也是為了解決農(nóng)村勞動力日益減少的問題，另一方面是為了使機(jī)器人的使用推廣并深入到人群中。

當(dāng)然，此種類型的機(jī)器如用于快遞搬運(yùn)的智能分揀機(jī)器人，便可以將快遞取出并根據(jù)設(shè)定好的程序算法掃描然后將快遞帶到指定位置。再如，武警部隊(duì)中的拆彈機(jī)器人，通過電腦控制機(jī)器人去拆除炸彈。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)精密，可通過電腦遠(yuǎn)程操控，亦可搬運(yùn)一些小型物體。然而這兩種種機(jī)器人卻并不適用于農(nóng)村，也不適合推廣深入到人們的日常生活中。二者各有利弊，前者成本低適用范圍廣泛但作用單一，后者成本高結(jié)構(gòu)精密但可以應(yīng)用的范圍廣泛。

本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人通過單片機(jī)編寫操控程序，再通過手機(jī)進(jìn)行操控，方便快捷，可以解放老人的勞動力。利用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自由旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)在水平方向移動；通過電磁閥控制氣缸與真空吸盤是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)垂直方向的移動和吸取的動作。

3遙控搬運(yùn)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)構(gòu)思

本機(jī)器人包含電動、氣動，并將電動與氣動結(jié)合為一體，通過APC220模塊[1]接受手機(jī)信號并傳輸至STC89C52單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)分為供給模塊、行進(jìn)模塊、執(zhí)行模塊、控制模塊四個模塊。以控制模塊為技術(shù)核心，其余三個模塊為輔，采用機(jī)電一體化技術(shù)通過控制模塊接受手機(jī)信號支配其余三個輔助模塊實(shí)現(xiàn)需要完成的運(yùn)動。

出于本機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷，即為了更好的解放農(nóng)村孤寡老人的勞動力與在人群中更好更深入的推廣應(yīng)用機(jī)器人，所以本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人各部分零件會盡量采用通用型的，以便于維修與更換同時也可以降低制作成本。

采用智能手機(jī)藍(lán)牙控制而不采用遙控器的原因：現(xiàn)代社會智能手機(jī)幾乎人手一部，而且使用遙控器需要額外的給遙控器加裝電源，而且無形中增加了成本與耗材，再者遙控器一旦損壞不易維修。相反采用智能手機(jī)藍(lán)牙控制則沒有這方面的顧慮，不需要特地的制作遙控器的硬件與編程，只需要開發(fā)相應(yīng)的手機(jī)控制軟件就可以，甚至可以通過其他類似的軟件進(jìn)行兼容。

由于考慮到機(jī)器人未來主要應(yīng)用的人群與場景多位老人現(xiàn)場通過手機(jī)來操縱，所以在機(jī)器人前面加裝攝像頭便顯得有些雞肋了，更會使制作成本與難度增加，所以本機(jī)器人并沒有加裝攝像頭。

4硬件設(shè)計(jì)

4.1供給模塊

供給模塊，它又分為分為電源和氣源。

電源我們采用48V（3*16V或4*12V）20A的電池，為節(jié)省成本我們采用傳統(tǒng)的性價(jià)比高的鉛酸蓄電電池，并且由于鉛酸電池重量較大可加大機(jī)器人基座自重，能夠有效防止機(jī)器人搬運(yùn)重物時失重倒地。再者由于48V20A鉛酸電池多用于普通電動車三輪車，所以不需要專門去配充電器，非常適用于農(nóng)村。且電源不僅要提供機(jī)器人前進(jìn)的動力還要提供氣泵所需動力。

氣源我們采用DC24V小型空壓機(jī)，因?yàn)榭諌簷C(jī)主要為氣爪夾持物體提供動力，這就使得對空壓機(jī)壓力要求變低，意味著空壓機(jī)的體積、重量并不是特別大。機(jī)器人整體的體積與重量也就減少了很多。

4.2行進(jìn)模塊

行進(jìn)模塊采用2個24V直流驅(qū)動電機(jī)，置于前兩個輪，后兩個車輪采用萬向輪。我們通過L293D芯片控制驅(qū)動電動機(jī)，該芯片驅(qū)動方式比較簡單，由美國德州儀器（Texas Instruments）生產(chǎn)的微型電機(jī)驅(qū)動集成電路芯片，支持Vcc 4.5～36V，最大輸出電流為1A[2]，正好適用于我們24V直流驅(qū)動電機(jī)直接驅(qū)動兩個前輪連接的兩個直流電機(jī)。為適應(yīng)農(nóng)村地形，所以需要對車輪加裝履帶以加大摩擦力，防止車輪與地面產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。

4.3執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由機(jī)械臂和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)置于機(jī)械臂下方一個步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。其次它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動化控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)主要用于連接底座并控制機(jī)械臂的方向，通過邏輯門電路給步進(jìn)電機(jī)提供電子脈沖。

機(jī)械臂上通過雙作用單出桿活塞式氣缸來調(diào)節(jié)機(jī)械臂的伸縮。由于電動抓取物體不能很好的掌控力度，也不能抓取不規(guī)則形狀的物體如雞蛋、玻璃杯等，所以這款機(jī)器人的機(jī)械爪采用多個真空吸盤組合。

5軟件設(shè)計(jì)（控制模塊）

控制模塊通過單片機(jī)接受手機(jī)控制平臺發(fā)出的前進(jìn)、后退左右轉(zhuǎn)向、機(jī)械臂伸縮及抓取物體的信號并傳輸至STC89C52單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制?？刂齐娐?、氣路及各元件完成相應(yīng)動作以達(dá)到我們所需要機(jī)器人完成的一個個具體的動作。

手機(jī)控制平臺是開發(fā)該控制系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，手機(jī)與機(jī)器人的信息傳遞通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)?？刂颇K以89C52RC單片機(jī)為控制核心STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52

6結(jié)語

本文介紹的遙控搬運(yùn)機(jī)器人主要針對的是農(nóng)村勞動力日益減少這一問題，相比于普通的快遞行業(yè)中的智能分揀機(jī)器人適用范圍更為廣泛，比拆彈機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡單，更易于操作，成本更低。本機(jī)器人甚至不僅僅局限于農(nóng)村幫助老弱，還適用于其他地方。再者采用真空吸盤抓取物體更能有效避免純電動機(jī)械手抓取易碎物體時的失誤，更為安全可靠，結(jié)構(gòu)為更為簡單。并且零件的通用性使得其便于維修與更換零件。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：山東英才學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院）