吳年祥，張心全，徐傳勝

(1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安　237001；　2.安徽永成電子機(jī)械技術(shù)有限公司，安徽 六安　237161)

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搬運機(jī)器人的研究與設(shè)計

吳年祥1，張心全2，徐傳勝2

(1.安徽國防科技職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程系，安徽 六安237001；2.安徽永成電子機(jī)械技術(shù)有限公司，安徽 六安237161)

研究一種在模擬工廠場地上能夠按照規(guī)定的白色導(dǎo)引線路徑行駛的移動機(jī)器人自動化裝備。具有紅色與藍(lán)色工件的顏色識別，工件的抓取、搬運、組裝、尋跡、避障等功能。通過在模擬工廠的場地上調(diào)試，機(jī)器人能夠完成外徑在240mm，重量在4kg左右圓柱體工件的紅藍(lán)顏色識別、工件的抓取、搬運與裝配。

移動機(jī)器人；尋跡；脈沖寬度調(diào)制

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，新興產(chǎn)業(yè)的不斷涌現(xiàn)，機(jī)器人技術(shù)在機(jī)械、機(jī)電、汽車等行業(yè)發(fā)揮著重要作用。機(jī)器人的研究和應(yīng)用已成為衡量一個國家工業(yè)水平的一個標(biāo)志。[1]在柔性自動生產(chǎn)線、自動化立體倉庫與智能工廠中，機(jī)器人的行走、抓取、放置、裝配等應(yīng)用最廣泛。作為機(jī)器人的后起之秀搬運機(jī)器人，在航天、航空、物流、服務(wù)、娛樂等其他領(lǐng)域正以驚人的速度發(fā)展，在某種程度上，機(jī)器人正在逐步改變著社會生產(chǎn)的勞動結(jié)構(gòu)與生活方式。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

本研究的搬運機(jī)器人平臺是2011到2013年全國“機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)”賽項的底盤，通過開發(fā)上部結(jié)構(gòu)完成智能工廠里的巡線、定位等功能。也可以根據(jù)智能工廠裝配任務(wù)與要求，在此底盤上進(jìn)行尋跡、避障等外圍各種控制電路的設(shè)計與制作。利用此機(jī)器人平臺設(shè)計與制作主控制系統(tǒng)、尋跡處理電路、電機(jī)驅(qū)動電路以及軟件編程算法實現(xiàn)整體機(jī)器人的控制，完成模擬智能工廠工件的組裝與搬運。

智能工廠搬運機(jī)器人主要包含主控器系統(tǒng)、二排尋跡傳感器模塊以及信號處理模塊、直流減速電機(jī)驅(qū)動模塊、三坐標(biāo)軸模塊以及上部機(jī)械手等部件組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　移動機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)架圖

安裝在搬運機(jī)器人底部靠前六分之一位置的光敏電阻和高亮發(fā)光二極管組成的16路灰度巡線傳感器精準(zhǔn)的探測場地上寬為30mm的白色引導(dǎo)線。[2]而安裝在機(jī)器人底部正中間二分之一的位置16路灰度傳感器進(jìn)行二次定位和交叉線的方格數(shù)記錄。通過模糊PID尋跡算法使機(jī)器人自適應(yīng)調(diào)整預(yù)設(shè)位置、路徑或十字路口轉(zhuǎn)彎位置，然后將前后兩排16路模擬信號分別傳送至各自的信號運算電路。信號處理板對采集來的雙16路信號進(jìn)行同相比例電壓放大，將其信號與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行信號進(jìn)行比較，再通過穩(wěn)壓、反相輸出到給單片機(jī)進(jìn)行處理，同時16路發(fā)光二極管指示哪一路傳感器在白色引導(dǎo)線上。

主控制接收傳感器處理電路的高電平、低電平信號時，向主電機(jī)驅(qū)動模塊傳送左電機(jī)、右電機(jī)脈沖寬度調(diào)制控制信號與方向信號。改變兩個脈沖寬度調(diào)制信號的占空比來控制左右電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，方向信號來控制兩個主電機(jī)的順時針和逆時針，實現(xiàn)機(jī)器人的直行、左、右900和1800拐彎。[3]

當(dāng)移動機(jī)器人到達(dá)目標(biāo)裝配臺后碰撞微動開關(guān)觸碰，機(jī)器人停止前進(jìn)，通過主控制系統(tǒng)控制三坐標(biāo)軸的電機(jī)帶動滑塊導(dǎo)軌左右、上下、前后行走。當(dāng)安裝在滑塊導(dǎo)軌上的紅外對射傳感器垂直探頭尋跡到調(diào)整后規(guī)定數(shù)量的黑線時，微控制系統(tǒng)控制電磁閥的通斷，使SMC氣缸與機(jī)械手動作完成車輪外圈、內(nèi)圈與車輪軸等的夾取與放置。

2　系統(tǒng)硬件電路與機(jī)械設(shè)計

2.1主控制系統(tǒng)設(shè)計。

微控制系統(tǒng)是移動機(jī)器人控制的核心電路板，考慮機(jī)器人三坐標(biāo)軸傳感和機(jī)械手設(shè)計等所需要的擴(kuò)展接口以及庫房現(xiàn)有器件，選用常用的51系列單片機(jī)STC12C5A60S2作為搬運機(jī)器人的微處理器，負(fù)責(zé)搬運機(jī)器人各類信息采集、接收、信號處理、電磁閥通斷、機(jī)械手動作等外部設(shè)備控制的重要任務(wù)。主控制系統(tǒng)模塊框圖如圖2所示。

主控制模塊含有十六路尋線傳感器接口、8路擴(kuò)展碰撞傳感器輸入接口，調(diào)速電機(jī)控制和不可調(diào)電機(jī)控制輸出接口，一個外圍擴(kuò)展電路的擴(kuò)展控制口。電路板內(nèi)部電路有總線復(fù)用電路、8路擴(kuò)展電路、程序下載模塊電路、通信模塊、主動輪左右電機(jī)輸出模塊、三坐標(biāo)軸非調(diào)速電機(jī)模塊等。

圖2　主控制系統(tǒng)模塊框圖

8路擴(kuò)展碰撞傳感器輸入端口可以用于機(jī)器人三坐標(biāo)軸限位開關(guān)、碰撞限位開關(guān)、二次定位光電傳感器、防止干擾避障傳感器等。非調(diào)速電機(jī)輸出端口接X、Y、Z三坐標(biāo)軸電機(jī)、電磁閥控制。采集巡線信號的同時通過單片機(jī)向電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送電機(jī)脈沖寬度調(diào)制信號和方向信號控制主動輪行走速度和方向。[4]

2.2 16路傳感器處理電路的設(shè)計。

考慮成本、基礎(chǔ)性與通用性，機(jī)器人尋跡方面采用以光敏電阻和高亮發(fā)光二極管組成的16路尋線傳感器。為了使搬運機(jī)器人在尋跡過程中更加穩(wěn)定、迅速，增強(qiáng)移動機(jī)器人的巡線能力，提高其行走速度和準(zhǔn)確性，采用主尋線傳感器與輔助傳感器配合的方式，一路負(fù)責(zé)尋跡引導(dǎo)線的高速行走的信號處理，另外一路負(fù)責(zé)定位與記錄格數(shù)信號處理。

16通道傳感器信號處理電路端口將傳感器采集的尋跡模擬電壓信號傳送同相比例電壓放大電路進(jìn)行電壓放大，并將其信號與標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)行信號進(jìn)行比較，再通過穩(wěn)壓、反相輸出到給單片機(jī)進(jìn)行處理，同時16路發(fā)光二極管指示哪一路傳感器在白色引導(dǎo)線上，如圖3所示。但系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)搬運機(jī)器人偏離引導(dǎo)線尋跡，主控制器通過PID算法優(yōu)化尋跡調(diào)整。

圖3　16路傳感器信號處理框圖

2.3主電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計。

主控制系統(tǒng)讀取傳感器處理電路高、低電平信號，分別向主電機(jī)驅(qū)動電路發(fā)送左、右電機(jī)脈沖寬度調(diào)制控制信號與方向信號。通過改變兩個脈沖寬度調(diào)制信號的占空比來控制左右電機(jī)的不同轉(zhuǎn)速，方向信號來控制兩個主電機(jī)的順時針和逆時針，實現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、拐彎，倒退等相關(guān)動作。電路框圖如圖4所示。

圖4　主動輪電機(jī)驅(qū)動電路框圖

當(dāng)主控制器接收傳感器電路處理的高低電平信號時，通過P14、P13分別向主電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送左電機(jī)、右電機(jī)的脈沖寬度調(diào)制控制信號LPWM，RPWM。左右兩路PWM信號分別通過2路可靠性很高的雙通道柵極驅(qū)動的MOS管高速功率器IR2110的單片式集成驅(qū)動模塊輸出到MOS管，MOS管的通斷直接控制左、右電機(jī)[5]

由于搬運機(jī)器人在實際工作時存在反復(fù)正反轉(zhuǎn)和啟停，考慮機(jī)器人穩(wěn)定和可靠性，電路當(dāng)中使用繼電器控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。主控制系統(tǒng)通過單片機(jī)P15、P12口分別向主電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送左電機(jī)、右電機(jī)的方向控制信號LDIR，RDIR。當(dāng)左電機(jī)方向信號LDIR通過三極管Q1構(gòu)成的大功率達(dá)林管推動繼電器線圈是否通電，當(dāng)LDIR為“L”時，Q1、Q3組成的復(fù)合管處在截止?fàn)顟B(tài)SDR12DC固態(tài)繼電器常開觸點狀態(tài)不變，LO1與LO2形成正向電流使左邊電機(jī)處于正轉(zhuǎn)。當(dāng)LDIR為“H”時，Q1、Q3組成的復(fù)合管處在飽和導(dǎo)通狀態(tài)固態(tài)繼電器常開觸點動作，LO1與LO2形成反向電流，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.4上部機(jī)構(gòu)與機(jī)械手的設(shè)計。

當(dāng)移動機(jī)器人按照規(guī)劃的路線尋跡到達(dá)目標(biāo)裝配臺后，主控制系統(tǒng)通過4路繼電器驅(qū)動電機(jī)控制X、Y、Z三坐標(biāo)電機(jī)帶動滑塊導(dǎo)軌按照左右、上下、前后順序移動。當(dāng)安裝在滑塊導(dǎo)軌上的紅外對射傳感器垂直探頭尋跡到調(diào)試后規(guī)定數(shù)量的黑線定位標(biāo)志時，X、Y、Z三軸電機(jī)停止。主控制系統(tǒng)通過繼電器控制電磁閥的通斷，使氣缸與機(jī)械手共同作用將車輪軸搬運到車輪外圈里面、車輪內(nèi)圈搬運到車輪軸上，再將整個車輪搬運到成品存貯臺上，依次完成工件抓取、搬運、放置、組裝任務(wù)。

裝置中設(shè)計的機(jī)械手可以抓取圓弧形軸承外圈和內(nèi)圈以及車輪軸，相比常用的一個機(jī)構(gòu)手只能抓取同一種類的工件，提高了機(jī)械手抓取工件的效率，搬運機(jī)器人的機(jī)械手爪如圖5所示，包括滑道(1)、兩個氣缸(2)兩個滾動鋼輥(2、3)、兩個滾動鋼輥(4)、兩個固定板(5)、各兩個內(nèi)外夾緊件(6、7)、聯(lián)結(jié)件(8)、兩個固定連接板(9)、夾緊皮墊(10、12)、4040鋁角件(11)。

圖5　搬運機(jī)器人外部機(jī)械手的示意圖

3　系統(tǒng)軟件研究與設(shè)計

安裝在搬運機(jī)器人底部的前后二排16路巡線傳感器采集尋跡信號，單片機(jī)的PWM信號控制左右輪調(diào)速電機(jī)運行，使機(jī)器人沿著規(guī)劃的引導(dǎo)線巡線運行，到達(dá)設(shè)定數(shù)量的白色引導(dǎo)線交叉點后進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、停止、倒退等動作。主控制器查詢機(jī)器人前端2個碰撞限位傳感器信號來判斷機(jī)器人到達(dá)工件存貯臺或裝配柱；再通過控制擴(kuò)展電路板給X、Y、Z軸電機(jī)提供三自由度運動信號(垂直方向升降運動，水平面內(nèi)左、右運動，水平面內(nèi)前后伸縮運動)來實現(xiàn)二次定位。當(dāng)每個運動方向的絕對位置信息確定后，系統(tǒng)三坐標(biāo)軸的位移使用紅外對射傳感器進(jìn)行定位。定位時按照先X軸左右平移方向位移再Z軸升降高度，最后確定Y軸前后伸縮量。

當(dāng)機(jī)械手到達(dá)可以抓取工件的預(yù)設(shè)位置，對車輪等工件進(jìn)行藍(lán)色和紅色的顏色識別，最后單片機(jī)給電磁閥通電信號，讓氣缸帶動相關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行工件的抓取、搬運與裝配，若沒有完成任務(wù)繼續(xù)巡跡，直到裝配完畢。搬運機(jī)器人程序流程圖，如圖6所示。

圖6　主程序設(shè)計流程圖

4　系統(tǒng)測試與總結(jié)

將搬運機(jī)器人平臺、三坐標(biāo)軸、機(jī)械手等部件組裝完成，在機(jī)器人硬件和軟件調(diào)試完畢狀態(tài)下，選擇搬運機(jī)器人按如圖7所示的一條黃色規(guī)劃的路線進(jìn)行，將1號存貯臺上的紅色車輪軸搬運到3號存貯臺上的紅色車輪外圈內(nèi)，再通過前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎，校正等措施準(zhǔn)確尋線，將2號存貯臺上的紅色車輪內(nèi)圈搬運到放在3號存貯臺上的紅色車輪軸上，最后將組裝完成的車輪外圈，內(nèi)圈，車輪軸一起搬運到4號紅色成品存貯臺，順序的完成抓取、搬運、放置、組裝任務(wù)。

圖7　搬運機(jī)器人測試路徑與實物

經(jīng)過反復(fù)的現(xiàn)場調(diào)試與程序修正，整機(jī)調(diào)試結(jié)果與問題分析如下。

(1)搬運機(jī)器人在多層板組成的模擬場地的引導(dǎo)線上，尋線電路板能指示哪一路尋跡傳感器在白色導(dǎo)引線上。若不能指示，調(diào)節(jié)16傳感器信號處理電路板上的電位器RW1，直到相關(guān)LED能指示哪一路尋跡傳感器在底盤下的白色導(dǎo)引線上。

(2)搬運機(jī)器從藍(lán)色出發(fā)區(qū)到2號存貯臺之前，有時候偏離彎曲的白色導(dǎo)引線，原因是由于電機(jī)的速度設(shè)置過快造成的。通過軟件當(dāng)中PWM調(diào)整函數(shù)參數(shù)以及PID控制參數(shù)，即前排巡線輸入函數(shù)和后排輔助巡線傳感器輸入函數(shù)內(nèi)的中線偏差數(shù)據(jù)，使機(jī)器人在彎曲更穩(wěn)定。

(3)當(dāng)搬運機(jī)器人到達(dá)1號，2號，3號等存貯臺后，有時存在定位不準(zhǔn)確導(dǎo)致三坐標(biāo)軸機(jī)械手不能準(zhǔn)確抓取車輪軸，將車輪軸放到車輪外圈上等問題。原因是機(jī)器人底盤前端抱閘限位開關(guān)出現(xiàn)松動或三坐標(biāo)軸直線導(dǎo)軌側(cè)面黑色定位標(biāo)志出現(xiàn)脫落，解決問題后，定位精確，成功率高。

經(jīng)過以上實驗結(jié)果與分析，最終搬運機(jī)器人能夠按照預(yù)先設(shè)置好的路徑巡線，完成工件紅色和藍(lán)色的識別,實現(xiàn)工件的抓取與搬運、并將工件成功分類裝配完成,最終搬運到4號目標(biāo)存貯臺。由于該搬運機(jī)器人還處于研究當(dāng)中，其穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高，尤其在尋跡程序方面和硬件定位方面要進(jìn)一步研究與實踐。

[1]吳晨晨.一種智能移動機(jī)器人通用控制系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué)，2012.

[2]梁明亮，孫逸潔.競賽機(jī)器人的設(shè)計與制作[J].電子制作，2011，210(9)：62-67.

[3]邊述華,吳年祥.基于智能機(jī)器人的運動軌跡實驗綜述[J].安慶師范學(xué)院,2013,19(2):57-60.

[4]何峰.六輪腿移動機(jī)器人運動分析及控制系統(tǒng)的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[5]顏增顯.基于單片機(jī)STC89C52智能小車設(shè)計[J].火力與指揮控制，2011，36(12)：198-201.

Class No.:TP24Document Mark：A

(責(zé)任編輯：蔡雪嵐)

On Design of Transfer Robot

Wu Nianxiang1, Zhang Xinquan2，Xu Chuansheng2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui National Defense Vocational College，Lu’an，Anhui 237001,China;2.Anhui Yongcheng Electronic and Mechanical Technology Co．，Ltd，Lu’an，Anhui 237161，China)

This paper discussed a kind of mobile robot automation equipment which can be driven on the simulation plant site in accordance with the provisions of the white guide wire.The robot has the function of red and blue color recognition, the work of the grab, handling, assembly, search, avoid obstacles and other. By testing the site in the simulation factory, the robot can finish the outer diameter of the 240mm, the weight of the red and blue color recognition, the work piece of the grab, handling and assembly of the 4kg left and right cylinders.

mobile robot; tracing; PWM

吳年祥，碩士,實驗師，安徽國防科技職業(yè)學(xué)院。研究方向:機(jī)器人智能檢測與控制技術(shù)。

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點項目“基于雙目視覺的無人引導(dǎo)運輸裝置的研究”(編號：KJ2015A448)，“基于嵌入式與zigBee技術(shù)的智能家居控制系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)”(編號：KJ2015A438)。

1672-6758(2016)06-0042-4

TP24

A