◎ 張陽(yáng)利

（鄭州鐵路技師學(xué)院，河南 鄭州 450041）

隨著電子科技的發(fā)展，新的自動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)品不斷生產(chǎn)，極大地提高了勞動(dòng)生產(chǎn)效率，減輕了工人的勞動(dòng)。在食品的工業(yè)化規(guī)模化生產(chǎn)中，會(huì)涉及大量的原材料，如果能實(shí)現(xiàn)原材料的自動(dòng)運(yùn)料，將大大縮短生產(chǎn)周期，解放更多的勞動(dòng)力，降低生產(chǎn)成本?；诖四康?，設(shè)計(jì)了一種智能式運(yùn)料機(jī)器人，此機(jī)器人運(yùn)用AT89S52單片機(jī)控制。本文將對(duì)運(yùn)料機(jī)器人的任務(wù)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)5個(gè)階段進(jìn)行簡(jiǎn)要的分析介紹[1-2]。

1 設(shè)計(jì)任務(wù)

智能運(yùn)料機(jī)器人是根據(jù)光電傳感器檢測(cè)周圍環(huán)境，通過(guò)驅(qū)動(dòng)、傳動(dòng)和導(dǎo)向執(zhí)行元件配合，從而實(shí)現(xiàn)從啟動(dòng)小車→黑白尋跡→進(jìn)入迷宮和避障→按規(guī)定路線行駛→運(yùn)料→運(yùn)動(dòng)翻轉(zhuǎn)作業(yè)→卸料的自動(dòng)化。

2 總體方案設(shè)計(jì)

圖1 總體設(shè)計(jì)方案功能圖

采用AT89S52單片機(jī)作為控制單元，AT89S52是一種低功耗、高性能的微控制器，在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活、有效的解決方案?？蓪?duì)以下幾個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制：尋跡避障系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、儀表顯示、電源控制、速度控制和信號(hào)的轉(zhuǎn)換等[3]?？傮w方案功能如圖1所示?？傮w方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 總體方案設(shè)計(jì)圖

3 模塊設(shè)計(jì)

3.1 行走方案確定

小車的行走可以采用履帶式小車、輪子式小車或支腿式小車。考慮設(shè)計(jì)原則和功能，采用輪子式小車為行走方案比較合理。既可以有很好的轉(zhuǎn)向，其結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單。根據(jù)環(huán)境特點(diǎn)，需要采用3輪結(jié)構(gòu)，一個(gè)萬(wàn)向輪做從動(dòng)輪，其余兩個(gè)并排的輪做驅(qū)動(dòng)輪，以實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向。

3.2 電機(jī)的設(shè)計(jì)

電機(jī)可以采用直流電機(jī)，也可以采用同步交流電機(jī)。根據(jù)電源配置，選用普通直流電機(jī)較為合適，直流電機(jī)能實(shí)現(xiàn)直流電能和機(jī)械能互相轉(zhuǎn)換，具備良好的調(diào)速性能，利于運(yùn)料機(jī)器人的啟動(dòng)和制動(dòng)[4]。

3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的選擇

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用橋式電路。單片機(jī)很好控制晶體管的截止和導(dǎo)通，以選擇接通電機(jī)電路，實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。步進(jìn)電機(jī)控制電路如圖3所示。

3.4 供電電源方案的確定

供電電源可以采用兩個(gè)電源，一路是給電機(jī)直接供電，另一路是給控制電路供電。也可以用一個(gè)電源，分為兩路分別給電機(jī)和控制電路供電。為了減輕智能機(jī)器人的質(zhì)量，本設(shè)計(jì)采用一個(gè)電源。

3.5 路面情況檢測(cè)方案的確定

圖3 L298電機(jī)控制電路圖

路面的檢測(cè)可以采用兩種傳感器。一種是聲波傳感器，采用雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)聲波信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。另一種是光電傳感器，采用發(fā)光二極管做光源，光敏二極管接受信號(hào)。前一種會(huì)影響接受速度，也有自然光的干擾。因此本設(shè)計(jì)采用光電式傳感器，發(fā)射和接收紅外射線，這種傳感器的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)靈敏且干擾小，電路簡(jiǎn)單[5]。

3.6 障礙物探測(cè)方案的設(shè)計(jì)

采用紅外線發(fā)射接收裝置。紅外線發(fā)射裝置是一種遙控設(shè)備，具有遙控功能，它通過(guò)紅外線發(fā)射管在一定范圍內(nèi)向外發(fā)射光線，從而達(dá)到控制信號(hào)的作用。

3.7 運(yùn)料作業(yè)機(jī)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)

采用偏心輪四桿機(jī)構(gòu)。電機(jī)力矩較大，具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、過(guò)載能力強(qiáng)、響應(yīng)快、特性線性度好以及力矩波動(dòng)小等特點(diǎn)，且易于控制。運(yùn)料機(jī)構(gòu)如圖4和圖5所示。

圖4 四連桿翻斗機(jī)構(gòu)圖

圖5 運(yùn)斗機(jī)構(gòu)在小車上的布置圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 路面黑線檢測(cè)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1.1 黑白線探測(cè)

路面的檢測(cè)通過(guò)光電傳感器實(shí)現(xiàn)。黑白線傳感器的有效檢測(cè)距離為5～10 cm。具有自然光干擾小，信號(hào)處理簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。另外可以增加調(diào)節(jié)距離的裝置，提高測(cè)量精度。

4.1.2 黑白線循跡方案

在AT89S52單片機(jī)上連接P3.5和P2.0兩個(gè)端口，并分別連接一個(gè)發(fā)光二極管。兩個(gè)發(fā)光二極管布置在運(yùn)料小車的底盤下端，左右各一個(gè)，呈一定角度分開(kāi)。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出紅外線后，照射到白線后會(huì)被反射回來(lái)，被光敏二極管接收到，輸出一個(gè)低電平信號(hào)。同樣當(dāng)紅外線照射到黑線后，由于光線被黑線吸收不能返回，接收管不能收到信號(hào)，于是輸入一個(gè)高電平。經(jīng)過(guò)AT89S52單片機(jī)的信息處理，使運(yùn)料小車沿規(guī)定路線行駛。

4.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用集成電路芯片L298。

L298的控制：VS作為電源輸入，VSS為控制電源信號(hào)輸入，為+5 V電壓，IN1-IN4四個(gè)引腳控制H橋的通斷，采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)。集成電路采用塑料封裝，SGB公司制造。表1為L(zhǎng)298控制表。Multiwatt15如圖6所示。

圖6 Multiwatt15引腳圖和封裝圖

表1 L298控制表

5 軟件設(shè)計(jì)

迷宮避障設(shè)計(jì)的控制如圖7所示，黑白尋跡控制如圖8所示。

圖7 迷宮避障流程圖

圖8 黑白尋跡流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

按照設(shè)計(jì)思路，經(jīng)過(guò)任務(wù)設(shè)計(jì)、方案設(shè)計(jì)、模塊設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)以及購(gòu)買零部件組裝等一系列工序，完成了AT89S52單片機(jī)控制的智能式機(jī)器人的制作。對(duì)智能機(jī)器人的功能進(jìn)行測(cè)試，均能正常運(yùn)行，改變程序中的電阻值大小，可以改變小車運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)料機(jī)器人在正確路線上的運(yùn)輸行駛和翻斗卸料作業(yè)。

當(dāng)前使用機(jī)器人代替人力已成為生產(chǎn)趨勢(shì)，相比人力，機(jī)器人能提高生產(chǎn)效率，運(yùn)料機(jī)器人將在制造業(yè)的生產(chǎn)線中大顯身手，高效、準(zhǔn)確、靈活地完成物料的搬運(yùn)。因?yàn)榘徇\(yùn)機(jī)器人的并行作業(yè)、自動(dòng)化、智能化和柔性化的特性能夠很好地滿足一般場(chǎng)合的搬運(yùn)要求，相信以后會(huì)得到大范圍推廣。