侯蕊 劉賽軒

摘要：設(shè)計了一種基于單片機的智能搬運機器人，該機器人具有循跡功能、避障功能、通過電機驅(qū)動實現(xiàn)小車的行駛。通過二維碼識別和機械臂操作實現(xiàn)貨物的搬運。

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于通信和物聯(lián)網(wǎng)的自動識別技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點。二維碼識別技術(shù)是一種全新的信息存儲、傳遞和識別技術(shù)，已經(jīng)迅速地融入到了社會和人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。基于二維碼支付、二維碼電子憑證、二維碼加密發(fā)票的各種二維碼應(yīng)用技術(shù)讓商業(yè)和生活體驗變得更有活力。二維碼與工業(yè)智能、機電一體化的結(jié)合大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力，也在很大程度上減輕了人類的體力勞動。將給商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新帶來新的活力，為傳統(tǒng)企業(yè)優(yōu)化轉(zhuǎn)型、信息化建設(shè)帶來巨大附加價值。

對于倉儲物流行業(yè)來說，需要將各種物品搬運到目標(biāo)位置，而搬運機器人則是實現(xiàn)物流自動化中必不可少的一個環(huán)節(jié)。 搬運機器人在物流倉儲行業(yè)中的應(yīng)用，不僅能夠提高其生產(chǎn)水平，以實現(xiàn)高效運轉(zhuǎn)。在某些對人體有危害的環(huán)境中，搬運機器人應(yīng)用能夠使得人體免受危害，同時還能達(dá)到減輕人工勞動力，降低生產(chǎn)成本的效果。倉儲機器人的使用能極大地提升倉儲物流行業(yè)的工作效率，提升倉儲物流行業(yè)的效率和速度。智能小車系統(tǒng)可以作為搬運機器人的基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，其行進(jìn)功能、自動避障功能、通信控制功能都是搬運機器人不可或缺的功能，這些功能對提升搬運機器人的工作效率有十分巨大的意義。

一、硬件設(shè)計部分

小車采用比較先進(jìn)的單片機 IAP15W4K58S4 為控制核心，他具有磁導(dǎo)航循跡功能，超聲波避障功能，RFID 識別貨架位置功能，電機驅(qū)動功能來實現(xiàn)控制小車的行駛路徑，并將小車采集到的信息傳送到單片機上，以實現(xiàn)對小車的智能控制。小車主體由機械臂，二維碼識別模塊組成通過單片機控制小車機械臂完成挪動物體的操作，二維碼識別模塊用于掃描帶二維碼的物體。

二、基于IAP15W4K58S4單片機及其外設(shè)

智能小車的核心驅(qū)動模塊是單片機，他包括磁導(dǎo)航尋跡模塊、超聲波避障模塊、電機驅(qū)動模塊、RFID貨架識別模塊。

1.IAP15W4K58S4單片機

IAP15W4K58S4 單片機是 STC 公司生產(chǎn)的單時鐘/機器周期（1T）的單片機，是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強干擾的新一代MCU。使用 STC 公司最新的方法進(jìn)行處理，處理后的程序在一般情況下是不能破解的開發(fā)人員編寫的程序能較好地兼容傳統(tǒng)的 MCU，且速度還比傳統(tǒng)的MCU快8-12倍。STC15 系列單片機內(nèi)部機集成高精度 R/C 時鐘，可配置時鐘的范圍5-30 MHz，同時STC15系列單片機內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此 IAP15 最小系統(tǒng)是徹底省掉了昂貴的外部晶振和時鐘電路。IAP15W4K58S4 具有8路 CCP/PWM/PCA，8路 10位高速 A/D，內(nèi)置4 KB大容量SRAM，4組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口 SPI，并且它的供電電壓很寬，在 2.5～5.5V之間都能正常工作。

2.磁導(dǎo)航尋跡模塊

磁導(dǎo)航傳感器技術(shù)利用集磁道釘?shù)拇艌鎏匦匝芯看判盘枡z測、車輛與磁道釘之間相對運動于一體的試驗平臺。在此平臺上模擬實地的車輛磁道釘導(dǎo)航自動駕駛設(shè)計車輛的直線運動、S形運動以及加速等運動模式，并編寫軟件程序?qū)崿F(xiàn)功能需求。

3.超聲波避障模塊

超聲波傳感器主要由發(fā)送器部分、接收器部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。發(fā)送超聲波由發(fā)送器部分完成，主要利用振子的振動產(chǎn)生并向空中輻射超聲波;接收超聲波由接收器部分完成，主要接受由發(fā)送器輻射出的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為電能輸出;除此之外，發(fā)送器與接收器的動作都受控制部分控制，如控制發(fā)送器發(fā)出超聲波的脈沖連頻率、占空比、探測距離等等;整體系統(tǒng)的工作也需能量的提供，由電源部分完成。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，通過發(fā)送器發(fā)送超聲波與接收器接收超聲波便可完成超聲波傳感器所需完成的功能。

4.電機驅(qū)動模塊

直流伺服電機包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機轉(zhuǎn)軸、伺服電機繞組換向器、伺服電機繞組、測速電機繞組、測速電機換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。伺服主要靠脈沖來定位，伺服電機接收到 1個脈沖，就會旋轉(zhuǎn) 1個脈沖對應(yīng)的角度，從而實現(xiàn)位移。因為，電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機每旋轉(zhuǎn)一個角度，都會發(fā)出對應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣和伺服電機接受的脈沖形成了呼應(yīng)，如此一來，系統(tǒng)就會知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機，同時又收了多少脈沖回來，這樣就能夠很精確的控制電機的轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到 0.001mm。

5.RFID 貨架識別模塊

RFID（Radio Frequency Identification） 射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù)，它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，射頻識別系統(tǒng)的組成 RFID 系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件，管理收集而來的數(shù)據(jù);讀寫器（reader），掃描及讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù);標(biāo)簽（tag），也就是射頻卡，里面含有數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件可以是各種數(shù)據(jù)庫軟件或供應(yīng)鏈、物流系統(tǒng)。甚至可以將 RFID 系統(tǒng)融入整個企業(yè)資源計劃的一部分。讀寫器從標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)并上傳給應(yīng)用軟件，或?qū)⒂嘘P(guān)信息寫入標(biāo)簽的裝置。電子標(biāo)簽是一個小容量的可存儲微芯片，其中存儲可以識別的電子數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽可以是只讀的，也可是讀/寫方式，依據(jù)應(yīng)用需求決定。系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構(gòu)動作。

三、智能搬運機器人的軟件設(shè)計

在進(jìn)行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，除了硬件設(shè)計，大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。本軟件設(shè)計主要采用模塊化設(shè)計的方法，對于一定功能，進(jìn)行獨立程序段設(shè)計。程序設(shè)計流程圖如下圖所示。

綜上所述，此搬運機器人可保證抓取穩(wěn)定的同時，可以擁有較高的工作效率，循跡過程總可以通過二維碼掃描識別貨物，總體來說滿足現(xiàn)代物料搬運機器人的需求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，成本低廉。

作者簡介：侯蕊，秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系教師，研究方向電子電路。

河北省科技廳《大中學(xué)生科技創(chuàng)新能力培育》專項項目，項目名稱：智能搬運機器人設(shè)計，項目編號：2021H030405.