基于Arduino的小型物品搬運機器人

陳杭龍 袁紅星 童春芽

摘 要：搬運機器人作為一種典型的工業機器人，在交通運輸、化工、食品加工、醫療等行業中具有廣泛的應用。然而，現有的搬運機器人主要針對大型物品，沒有充分考慮小型物品。針對該問題，該文設計了一款安卓手機App控制的小型搬運機器人。為能穩定抓取小型物品， 該文參照人類手臂結構，通過大擺臂控制小擺臂，以實現靈活的操作;同時在小擺臂前端安裝了可以自由開合邊緣具有嚙合齒的機械爪，在不損壞物品的前提下防止抓取物品的脫落。實驗結果表明，設計的機器人能夠牢牢抓取小型物品，并運輸到指定地點。

關鍵詞： 搬運機器人;搬運;抓取;機械臂;控制

中圖分類號：TP24? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）04-0082-02

1 引言

隨著工業自動化水平不斷提高，人們對搬運機器人的需求逐年遞增。搬運機器人可根據生產過程的要求，按一定的程序、時間、地點完成貨物的運輸和裝卸[1-5]。當前的搬運機器人研究，主要集中在車間的大型物品搬運方面[6]，對于小型物品的搬運研究較少。而小型物品搬運在家庭生活中則比較普遍。

2 硬件設計

本文設計的搬運機器人硬件部分由七個獨立的模塊組成，分別是：直流電源模塊、電壓表模塊、Arduino主控模塊、底盤運動控制模塊、機械臂模塊、藍牙控制模塊以及手機App模塊，具體如圖1所示。本文的主控模塊采用的是Arduino UNO[7-8]。下面重點敘述機械臂的設計思路。

本文將驅動電機安裝在機器人底座下方。底座可由電機從0°開始驅動旋轉到180°。另一部分是上臂和下臂，安裝在底座上方，這一部分稱為大擺臂。采用兩臺電機對大擺臂進行控制。正常工作時，電機齒輪可以從0°開始至180°轉動，即大擺臂可以從上到下順利擺動。在大擺臂安裝完成后進行小擺臂的安裝，將可連接三個連桿的小關節安裝在機械手的兩個關節的不同側處，從而能夠利用大擺臂控制小擺臂的各種動作，保證擺臂的靈活性。在小擺臂的前端安裝了可自由開合的機械爪，該機械爪的邊緣有嚙合齒，可保證貨物在搬運時不會掉落。同時，利用電機驅動為機械爪的開、閉提供動力。機械爪電機齒輪的轉動幅度為0°順時針轉到90°，因此機械爪的開閉范圍為0°～180°。機械爪后端的嚙合齒輔助開啟，嚙合齒的最大擺動范圍為90°，因此機械爪的設計最大開閉范圍為180°。

機械臂模塊設計圖如圖2所示。

3 軟件設計

主控板根據藍牙接收器接收到的數據對智能車進行控制。手機App通過函數定義的F（前進），B（后退），R（右轉），L（左轉）將指令通過藍牙模塊傳送給Arduino主板，主板根據指令更新電機當前的狀態，實現機器人的前進后退右轉左轉的功能。

機械臂部分分為上臂、下臂、底座及機械爪，每個小部分都由一個單獨的舵機進行控制。機械爪舵機由myservo1.write函數進行打開閉合的定義，上臂舵機由myservo2.write函數進行向上向下的角度定義，下臂舵機由myservo3.write函數進行上升下降角度的定義，底座舵機由myservo4.write函數進行轉動角度定義。機械臂驅動子程序的流程圖如圖3所示。

4 系統測試

對設計實物進行測試，控制機器人在貨架上夾取小型物品，其中一個測試結果如圖4所示。測試結果表明設計的機器人可實現機械臂上下臂擺動、底座左右旋轉、機械爪打開閉合、無線藍牙遙控等功能。

5 結論

基于Arduino開發的面向小型物品抓取、搬運的機器人。為實現小型物品的抓取，模擬人的手臂結構，設計了具有上下臂的機械結構，并采用邊緣具有嚙合齒的機械爪防止抓取物品的滑落。實驗結果表明，本文設計的系統在手機App的控制下能夠完成小型物品的抓取及運輸工作。

參考文獻：

[1] 孫亞星，王宇鵬，黃帥銘，等.基于機器視覺的搬運機器人教學實驗平臺設計[J].自動化技術與應用，2020，39（1）：93-96.

[2] 周子楊.倉儲搬運機器人路徑規劃仿真研究[D].西安：西安理工大學，2020.

[3] 魏哲，焦航.紗筒搬運機器人的設計[J].機械與電子，2020，38（8）：76-80.

[4] Hawley L，Suleiman W.Control framework for cooperative object transportation by two humanoid robots[J].Robotics and Autonomous Systems，2019，115：1-16.

[5] Zhang Y，Tian G H，Lu J X，et al.Efficient dynamic object search in home environment by mobile robot：A priori knowledge-based approach[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology，2019，68（10）：9466-9477.

[6] 丁云鵬，朱學軍，陳晉生，等.重載搬運機器人的動力學仿真及控制系統設計[J].機械設計與研究，2020，36（1）：38-43，48.

[7] 王剛.基于Arduino Uno平臺的跌倒檢測報警系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2015，15（7）：49-52.

[8] 譚笑玥，張鵬飛.基于Arduino UNO的智能插座設計[J].電子技術與軟件工程，2016（19）：103.

收稿日期：2021-09-15

基金項目：國家級大學生創新訓練項目（201911058004）;寧波市自然科學基金項目（2019A610106）

作者簡介：陳杭龍（2000—），男，浙江臺州人，本科生，主要研究方向為機器人控制;袁紅星，教授，博士;童春芽，副教授，博士。