劉少軍，王瑜瑜

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

智能搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)

劉少軍，王瑜瑜

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西西安 710089）

0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，為了改善工人的勞動條件，提高勞動生產(chǎn)率，加快實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)機械化和自動化的步伐。需要一種能夠進行簡單重復(fù)性勞作、花費少、效率高的機械設(shè)備，尤其是在高溫、高壓、粉塵、噪音以及帶有放射性和污染的場合這種需求更為迫切。因此，搬運機器人應(yīng)運而生。搬運機器人在實際的工作中就是一個機械手，它的快速發(fā)展正是因為其積極作用和影響日漸被人們意識到。首先，它在很多場合能夠替代人工作業(yè)；其次，它能夠嚴格按照預(yù)先設(shè)定的程序，快速準確地完成工件的拆裝及運輸；再次，它能操作必要的機具進行焊接和裝配，因而，受到很多國家的重視，投入大量的人力物力來研究和應(yīng)用。所設(shè)計的搬運機器人能夠自行判斷物體的位置，并實現(xiàn)自動抓取、運送及放置的功能，實用價值較高。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

機器人平臺控制系統(tǒng)包括16路巡線傳感器、傳感器信號處理板、主控制板、電機驅(qū)動板和其他待開發(fā)擴展部件組成。

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機為控制中心，8通道傳感器輸入接口用于連接光電、接近傳感器或者超聲傳感器等，充分利用各種傳感器探測外部信息，并在自動機器人平臺底部安裝了16路巡線傳感器，可以可靠地探測到地面白條以及白條的十字交叉點。上述信號經(jīng)由單片機分析處理后，通過調(diào)速電機驅(qū)動板對可調(diào)速電機實現(xiàn)進行PWM控制［1］，最終完成相應(yīng)的工作任務(wù)。

2 機械設(shè)計

2.1 平臺的機械部分

機器人平臺的總體構(gòu)成如圖1所示。平臺的機械部分是指機器人完成相應(yīng)功能時所需的機械部件，主要包含主動輪、從動輪、直流電機、鋁合金框架、鋁板等。

圖1 自動機器人平臺的總體構(gòu)成

2.2 上部機構(gòu)

機器人的上部機構(gòu)部分是指機械手，機械手有空間直角坐標X，Y，Z軸3個方向，它能實現(xiàn)按一定程序去運動，完成指定的任務(wù)。每個軸上都裝有定位傳感器，控制機械手臂在合適的位置動作；還裝有光電傳感器用來識別工件顏色的，機器人裝有兩路光電傳感器，一路是抓取工件時檢測存儲臺工件顏色的（本課題以紅色為例），另一路是放置工件時檢測存儲臺工件顏色的，以保證正確放置工件。機械手的主要任務(wù)即就是將物體從1號存儲臺準確地運送至2號存儲臺相應(yīng)的位置。

3 電氣設(shè)計

3.1 主控制板

主控制板是機器人的大腦，承擔著信息接收、處理、外部設(shè)備控制的重要任務(wù)，主控制板中處理器選用了STC12C5A60S2芯片為主控芯片，控制板支持2大類輸入，即16通道專用巡線傳感器輸入和8通道傳感器輸入；輸出也是支持2大類，即可調(diào)速行走電機控制輸出和不可調(diào)速行走電機控制輸出；并具有一個可擴展接口［2］。

3.1.1 8通道傳感器輸入接口

8通道傳感器輸入接口用于連接光電、接近傳感器或者超聲傳感器等，充分利用各種傳感器探測外部信息。

輸入信號使用了單片機的P0.0- P0.3口，插座J8- J11分別接4個不同傳感器，傳感器直接使用市場現(xiàn)有的成熟產(chǎn)品，主要有紅外傳感器、接近傳感器或超聲傳感器，在機器人中，主要用來探測四周是否存在障礙或者是否到達預(yù)定w位置。傳感器上有3根引線，分別接J8- J11的3個引腳。需要注意的是，使用的傳感器必須是NPN型，工作電壓在6～36 V之間。電路均為低電平有效，即傳感器探測到目標時，反相器輸出端即單片機的P0.0 -P0.3腳為低電平信號，否則為高電平。

3.1.2 非調(diào)速電機輸出接口

電路板上設(shè)置了8個非調(diào)速電機輸出接口，可以用來控制4個正反轉(zhuǎn)直流電機或者8個單向運轉(zhuǎn)直流電機。P16，P17，P32- P37為8個控制信號，使用了單片機的P1.6，P1.7和P3.2- P3.7口，這些信號均是低電平有效。

3.2 巡線傳感器

自動機器人平臺底部安裝了16路巡線傳感器，可以可靠地探測到地面白條以及白條的十字交叉點。巡線傳感器主要有光源發(fā)射部分、接受部分及輸出插座3部分構(gòu)成。其中，光源發(fā)射部分由16個高亮度的LED發(fā)射管組成；接受收部分由16個光敏電阻組成，它們能夠接受地面反射回來的光線并最終將光信號轉(zhuǎn)化成電信號；輸出插座用來連接傳感器信號處理板的巡線傳感器輸入接口。

3.3 傳感器信號處理板

傳感器信號處理板電路原理框圖如圖2所示。16路巡線傳感器將采集到的地面白條信息送入本電路板，對于采集的信息先進行放大處理，放大后的信號跟標準電壓比較，保留白條反射的有效信號，過濾掉地面背景反射信號，有效信號再通過穩(wěn)壓、反向、放大處理后送入單片機控制板，同時用發(fā)光二極管的亮暗指示當前某路傳感器是否在地面白條上。巡線傳感器輸入接口連接安裝在機器人平臺底部的16路巡線傳感器；信號輸出接口連接單片機控制板，插座JP接12 V電源［3］。

圖2 傳感器信號處理板電路原理

3.4 顏色識別

3.4.1 檢測傳感器

檢測工件采用一種集發(fā)射和接受于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件3部分組成。光電檢測方法不僅精度高，反應(yīng)靈敏，而且可測參數(shù)多，結(jié)構(gòu)簡單，檢測距離遠，成本低，便于安裝。因此，在控制和檢測領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。

3.4.2 檢測原理

光電傳感器主要由2部分構(gòu)成，它們分別是投光部（發(fā)射光線）和受光部（接受光線）。所采用的傳感器為擴散反射型。當投光部發(fā)射的光線照射到被測物體時，反射回來的光線首先由接收電路的光敏三極管接受，將光信號變換為相應(yīng)的電流信號，再經(jīng)放大器放大和同步選通整型，然后用數(shù)字積分或RC積分方式排除干擾，觸發(fā)驅(qū)動器輸出光電開關(guān)控制信號。機器人一共裝了2個光電傳感器，一個是用來抓取時檢測工件的位置，以便于準確取貨；另外一個是放工件時檢測存儲臺上的工件是否與機械手上的顏色一致，檢測到工件時信號燈亮，否則不亮。

3.5 機械手的定位

3.5.1 定位傳感器

機械手的定位是靠灰度傳感器來實現(xiàn)的，灰度傳感器有一只紅外發(fā)射二極管和一只紅外接收二極管，安裝在同一面上。當灰度傳感器工作時，首先由紅外發(fā)射二極管發(fā)出白光并照射在檢測面上，緊接著接收二極管會接收檢測面的反射光線，并將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)電信號，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。灰度傳感器上有信號指示燈（白色燈亮黑色燈滅），還配有檢測顏色返回模擬量大小調(diào)節(jié)器。欲使檢測給定的顏色時，可以將發(fā)射／接收頭置于給定顏色處，配合調(diào)節(jié)器即可調(diào)出合適的返回模擬量［4］。將調(diào)節(jié)器逆時針方向旋轉(zhuǎn)，返回模擬量變大；將調(diào)節(jié)器順時針方向旋轉(zhuǎn)，返回模擬量變小。

3.5.2 機械手的定位方式

機械手臂上都貼有事先定好的位置，X，Y，Z軸上分別都有0，1，2號位置，0號位置為復(fù)位位置（裝有限位開關(guān)），1，2號位置是黑色，其他部分都是白色，根據(jù)任務(wù)要求，機械手會按照寫入的程序運動。

機械手復(fù)位時都處于空間坐標（0，0，0）位置，置位時機械手處于（0，1，0）位置，在左邊檢測工件時機械手處于（1，0，0）位置，在右邊檢測時機械手處于（1，2，0）位置，夾住工件時機械手處于（0，0，1）位置［5］。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

4.1 搬運機器人庫函數(shù)

機器人庫函數(shù)件文件包含了大量的標準C語言的接口函數(shù)，它們?nèi)疾坷们度胧紺語言開發(fā)完成，為用戶實行二次開發(fā)提供了便利。開發(fā)的庫函數(shù)主要有：

a.Void Init ADC（）。初始STC12C5A60S2所帶的ADC模塊的寄存器。

b.Unsigned int Light（unsigned char ch）。獲取某個A／D通道的轉(zhuǎn)換結(jié)果。入口參數(shù)為所要獲取的A／D通道，0- 7。出口參數(shù)為所選擇的A／D通道測得的轉(zhuǎn)換結(jié)果。

c.void Serve Moto（unsigned int par）。舵機控制函數(shù)，控制舵機轉(zhuǎn)過一定角度從而控制機械手的動作。入口參數(shù)Par取值范圍為5～25，其中5～15時對應(yīng)舵機反傳，15～25時舵機正傳。

d.void Moto（unsigned char Moto Type，int Speed Par）電機控制函數(shù)，其中Moto Type取值為1時表示對左輪發(fā)送運動命令，取值為0時表示對右輪電機發(fā)送控制命令。后面的Speed Par參數(shù)決定電機的轉(zhuǎn)動速度。

e.void InitPWM（）。對STC12C5A60S2的PCA模塊進行初始化，使其工作在PWM模式，并對于PWM進行初始化。

f.void UartInit（void）。串口初始化函數(shù)，初始化串口1，方便通過串口調(diào)試搬運機器人。

g.void GetColor（unsigned int Color［］）。進行一次顏色采集，將目標物料的各顏色分量和總量值存于Color［］數(shù)組中，其中Color［0］對應(yīng)紅色分量，Color［1］對應(yīng)藍色分量，Color［2］對應(yīng)顏色總量。

h.void SysInit（）。搬運機器人工作初始化函數(shù)，其中包含各模塊的初始化函數(shù)，例如電機初始化，定時器初始化等。

4.2 系統(tǒng)的流程

系統(tǒng)的子程序模塊主要包含搬運貨物子程序和機械手運動子程序2部分［6］。其中搬運貨物的流程圖如圖3所示，搬運機器人按提前設(shè)定的路徑前進，直至到達指定的地點。對貨物顏色進行判斷后將其放入指定的區(qū)域，當運送完所有的貨物后任務(wù)

圖3 搬運貨物流程

5 結(jié)束語

設(shè)計的基于STC12C5A60S2單片機控制的智能搬運機器人，軟硬件設(shè)計合理，擴展性強，采用通用的軟件開發(fā)平臺Keil u Vision3進行開發(fā)。該搬運機器人包含的檢測存儲模式，使得機器人能夠?qū)龅丨h(huán)境進行實時檢測，從而提高了機器人的抗干擾能力及穩(wěn)定性，具有較高的實用價值。當然系統(tǒng)還存在不足之處，有待進一步的完善發(fā)展。如缺少對避障策略環(huán)節(jié)的研究。若搬運機器人在運行過程中遇到障礙物時，無法繞過障礙到達目的地，而只能將貨物置于臨時存放區(qū)，再執(zhí)行下一步動作。

圖4 機械手運動流程

［1］ 王文憑，李天培.一種智能搬運機器人的設(shè)計與實現(xiàn)完成。機械手運動流程如圖4所示。［J］.計算機測量與控制，2011，19（2）：395- 397.

［2］ 杜樹青.基于Proteus和Keil C51的單片機設(shè)計與仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［3］ 李艷春.競賽機器人性能測試平臺的研究與設(shè)計［D］.西安：西安科技大學(xué)，2011.

［4］ 曾國強，葛良全.機器人比賽中直流電機驅(qū)動電路的設(shè)計［J］.微計算機信息，2008（14）：236- 238.

［5］ 李雷.基于MCS- 51控制的軍用自動倉儲搬運機器人設(shè)計實現(xiàn)［J］.系統(tǒng)仿真技術(shù)，2011，7（2）：100- 103.

［6］ 王文斌，陳偉.基于AVR的比賽機器人控制系統(tǒng)研究［J］.電氣傳動，2010，40（7）：7- 9.

Design and Implementation of Intelligent Handling Robot

LIU Shaojun，WANG Yuyu
（Xi’an Aeronautical Polytechnic Institute，Xi’an，710089，China）

為了提高生產(chǎn)效率，研究設(shè)計了一種基于STC12C5A60S2單片機控制的的智能搬運機器人。機械部分主要介紹了機器人的手抓、手臂的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計；控制部分系統(tǒng)利用兩路光電傳感器分別在抓取和放置工件時識別其顏色，通過主控制板輸出的PWM信號控制可調(diào)速電機按預(yù)先設(shè)定的路徑運行，能夠自行判斷貨物的方位并最終運送到指定位置。并利用ISP下載模塊來實現(xiàn)PC機與主控板的程序下載通信。實驗證明，設(shè)計的智能搬運機器人設(shè)計合理，能夠?qū)崿F(xiàn)自動搬運貨物的目的。

STC12C5A60S2；光電傳感器；PWM；ISP模塊

In order to improve production efficiency，this paper designed an intelligent handling robot based on the STC12C5A60S2 single- chip microcomputer.The mechanical part mainly introduces the design of mechanical structure of robot hand and robot arm.The control system uses the two photoelectric sensors for fetching and placing the product，respectively，so that colors can be identified during fetching and placing.The main control board outputs a PWM signal which controls the adjustable speed motor according to the pre- determined path and can automatically judge the orientation of the goods and ultimately deliver the goods to the specified location.The system uses an ISP download module to download program communication between the PC machine and the main control board.The experiment shows that the intelligent handling robot designed in this paper is appropriate for the task，and can achieve the goal of automatic handling of goods.

STC12C5A60S2；photoelectric sensors；PWM；ISP download module

TE937

A

1001- 2257（2015）08- 0077- 04

劉少軍（1982－），男，陜西西安人，實驗師，研究方向為測控技術(shù)與儀器及電子技術(shù)。王瑜瑜（1983－），女，山東煙臺人，碩士研究生，研究方向為計算機控制和自動化理論。

2015- 01- 21