基于ARM的智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

何丙祿

摘 ? 要：文章設(shè)計(jì)的是一款以STM32微控制器為控制核心的可實(shí)現(xiàn)尋跡駕駛、避障和抓取物體功能的智能搬運(yùn)機(jī)器人，微控制器可以處理外圍的尋跡模塊和避障模塊采集到的信號(hào)，保證機(jī)器人穩(wěn)定的運(yùn)行和能做出避障動(dòng)作，并配有4個(gè)舵機(jī)構(gòu)成的四自由度機(jī)械臂，整個(gè)系統(tǒng)由鋰電池供電，保證整個(gè)系統(tǒng)供能穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：微控制器;機(jī)器臂;尋跡;避障

智能小車發(fā)展十分迅速，主流的是自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AGV），但是AGV僅有搬運(yùn)功能，本作品主要是通過識(shí)別地面上的黑線來判斷小車需要行駛的方向，通過超聲波模塊來判斷是否有障礙物，并以此做出相應(yīng)的避障動(dòng)作，是結(jié)合機(jī)械臂和搬運(yùn)車于一體的機(jī)器人，配置的機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的搬運(yùn)，加強(qiáng)工作性能[1-3]。

1 ? ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1是整個(gè)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框架，采用STM32微控制器作為設(shè)計(jì)的控制核心。整個(gè)設(shè)計(jì)主要分為運(yùn)送和抓取兩部分：（1）運(yùn)送部分，由小車構(gòu)成，車上搭載了電機(jī)驅(qū)動(dòng)、循跡模塊和避障模塊，通過循跡模塊，可以識(shí)別地面的黑線，保證小車的正常運(yùn)行。同時(shí)，為保障運(yùn)行順暢，加入了避障模塊，將循跡和避障模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過輸入/輸出（Input/Output，I/O）口發(fā)送給微控制器分析后控制驅(qū)動(dòng)，保證小車的穩(wěn)定運(yùn)行。（2）抓取部分，由一個(gè)有4個(gè)舵機(jī)的機(jī)械臂完成，通過遠(yuǎn)程手柄控制實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂抓取物體。整個(gè)系統(tǒng)由鋰電池供電，但是由于微控制器所能接收到的電壓很小，所以加入穩(wěn)壓模塊。

1.1 ?微控制器

STM32微控制器是一款32位微控制器，性價(jià)比高。STM32內(nèi)部具備調(diào)壓器、精確的RC震蕩電路、時(shí)鐘控制電路、低壓檢測(cè)等豐富的功能，時(shí)鐘頻率可倍頻值為72～180 MHz。采用ARM架構(gòu)，精簡(jiǎn)指令集，豐富外設(shè)資源，本設(shè)計(jì)主要使用了處理器的0-13號(hào)管腳，來控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行，并使用了片內(nèi)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）模塊、定時(shí)器串口等功能。

1.2 ?電機(jī)驅(qū)動(dòng)及電壓轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)IC采用的是L298N芯片，這是驅(qū)動(dòng)IC專門應(yīng)用于小功率性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其驅(qū)動(dòng)電流最大能達(dá)到2 A，平局電流能達(dá)1.5 A，使用于多數(shù)消費(fèi)型電子產(chǎn)品。內(nèi)部集成一個(gè)獨(dú)立的H橋，通過控制對(duì)應(yīng)的I/O，可以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。

本系統(tǒng)需要使用多種電源供電，所以將輸入的電壓轉(zhuǎn)變成6 V和5 V的供電電源，對(duì)應(yīng)的供給電機(jī)和微控制器使用。電源變化有多種技術(shù)，直流變換常用的就是BUCK降壓電源和現(xiàn)行電源。但現(xiàn)行電源的供電功耗大、易發(fā)燙，所以采用6 V電源直接供給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，而在微控制器的工作電流下，輸出電壓穩(wěn)定。

1.3 ?尋跡模塊

機(jī)器人正常運(yùn)行方式是兩個(gè)尋跡模塊都沒有接觸到黑線，但始終保持檢測(cè)。在整個(gè)過程中，如果1號(hào)和2號(hào)傳感器檢測(cè)到黑線，那么這兩個(gè)傳感器就會(huì)電平調(diào)變，此時(shí)微控制器做出反應(yīng)，控制驅(qū)動(dòng)使小車向左側(cè)行駛;同理，如果右側(cè)的3號(hào)、4號(hào)傳感器檢測(cè)到有黑線，那么就向右側(cè)行駛;這樣就能不斷調(diào)整方向，使小車保持直線狀態(tài)。轉(zhuǎn)向是通過4個(gè)輪子的差速完成的，對(duì)于不同的彎道調(diào)整轉(zhuǎn)速和方向。電路包括傳感器和調(diào)理電路兩個(gè)部分，傳感器部分有紅外發(fā)射管，主動(dòng)發(fā)出紅外線，若有信號(hào)返回，接收管接收，證明地面有黑線;調(diào)理部分采用的是lm393型電壓比較器，內(nèi)部有兩路電壓比較器，可同時(shí)比較兩路電壓。

1.4 ?避障模塊

超聲模塊有測(cè)距功能，利用該功能進(jìn)行避障。模塊發(fā)出超聲波，遇到遮擋物返回聲波，對(duì)于返回的超聲波做出判斷，檢測(cè)并計(jì)算與前方的距離，程序預(yù)設(shè)一個(gè)臨界范圍，若在規(guī)定閾值內(nèi)沒有檢測(cè)出障礙物，則機(jī)器人可以運(yùn)行。該設(shè)計(jì)采用的是hc-sr04型超聲波，模塊上有VCC，GND、發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)4個(gè)引腳，供電電壓為5 V，信號(hào)管腳連接到微控制器的I/O口上。

1.5 ?機(jī)械臂及遙控模塊

機(jī)械臂是由4個(gè)舵機(jī)組成的四自由度機(jī)械手爪，每一個(gè)關(guān)節(jié)處都是由舵機(jī)支架連接在一起的，通過驅(qū)動(dòng)給舵機(jī)供電，保證其運(yùn)行。通過微控制器編寫的程序?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程的遙控控制，這樣保證其工作的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。

按鍵模塊主要包括以下幾個(gè)部分：（1）整個(gè)系統(tǒng)的供電開關(guān)，采用自鎖式開關(guān)。（2）復(fù)位按鍵，在系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)，保證系統(tǒng)不被損害，設(shè)置復(fù)位按鍵。由于考慮按鍵的誤動(dòng)作，常用軟件程序削抖，采用延時(shí)檢測(cè)的方法，延時(shí)5～10 ms再次判斷按鍵的按下情況，避免誤動(dòng)作的發(fā)生。（3）遙控部分，使用PS2搖桿模塊，有發(fā)射端和接收端，分別在遠(yuǎn)程操作者和機(jī)器人端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)接，完成遙控執(zhí)行任務(wù)。

2 ? ?工作流程

程序開始對(duì)處理器進(jìn)行初始化，初始化分為硬件模塊初始化和微控制器兩部分。內(nèi)部為硬件模塊初始化，包括超聲波模塊初始化和循跡模塊初始化。內(nèi)部配置包括微控制器的時(shí)鐘配置，輸出模式及管腳配置。之后進(jìn)行尋跡模塊和超聲模塊數(shù)據(jù)采集，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。判斷傳感器是否有識(shí)別到黑線，如果有則沿線行駛，如果未找到，則保持直行。判斷采集到的超聲數(shù)據(jù)是否有障礙物，如果有，則避開障礙物，如果未掃描到障礙物，則保持直行狀態(tài)。系統(tǒng)主流程如圖2所示。

3 ? ?結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)，使智能搬運(yùn)機(jī)器人工作正常，可以實(shí)現(xiàn)智能的尋跡駕駛和避障行為，同時(shí)，遠(yuǎn)程可以操控舵機(jī)機(jī)械臂搬運(yùn)物體。整個(gè)作品的完成過程，積累了很多的知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，將理論的知識(shí)和實(shí)際中的硬件設(shè)備結(jié)合在一起，更加理解智能產(chǎn)品的工作原理，受益匪淺。

[參考文獻(xiàn)]

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