葛云濤

(1. 天津市源峰科技發(fā)展有限責(zé)任公司 天津300222；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津300222)

應(yīng)用技術(shù)

小型辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

葛云濤1,2

(1. 天津市源峰科技發(fā)展有限責(zé)任公司 天津300222；2. 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津300222)

當(dāng)前競(jìng)爭(zhēng)激烈的社會(huì)環(huán)境下，怎樣更合理地運(yùn)用時(shí)間、有效利用人力資源已經(jīng)成為企業(yè)、機(jī)關(guān)甚至一個(gè)國(guó)家在競(jìng)爭(zhēng)中取得優(yōu)勢(shì)的必要條件?；诖?，開發(fā)了辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人。該設(shè)備以AVR單片機(jī)為核心，通過人機(jī)界面發(fā)給無線數(shù)傳模塊的指令要求以及傳感器自身對(duì)軌跡和障礙物的檢測(cè)自動(dòng)調(diào)整位置，完成沿軌跡行走，準(zhǔn)確到達(dá)呼叫地、目的地，從而達(dá)到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸物品的目的。辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人主要包括便攜式電源、AVR單片機(jī)、無線數(shù)傳模塊、光電傳感器、直流電動(dòng)機(jī)等。

服務(wù)機(jī)器人 硬件設(shè)計(jì) AVR單片機(jī) 無線數(shù)傳模塊

當(dāng)今社會(huì)，工作族的一天內(nèi)有1/3甚至更多的時(shí)間是在辦公室度過的。根據(jù)社會(huì)調(diào)查，人們每天在辦公室要浪費(fèi)很多時(shí)間，其中在傳遞資料、工具等物品上浪費(fèi)的時(shí)間尤為突出。盡管互聯(lián)網(wǎng)節(jié)省了文件傳輸?shù)臅r(shí)間，但出于網(wǎng)絡(luò)安全問題以及某些文件無法通過網(wǎng)絡(luò)傳遞的性質(zhì)，辦公室內(nèi)部或是辦公室之間資料、工具等物品的傳遞還沒有很好的解決方案。此次研究開發(fā)小型辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人可以為該問題提供一種解決方案，也希望為在同等領(lǐng)域內(nèi)研究的工作者提供一些啟示，共同為機(jī)器人研究和經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 基本組成部分

設(shè)計(jì)機(jī)器人就是希望其能代替人類做一些危險(xiǎn)的或是繁瑣的事務(wù)性工作，所以要求機(jī)器人一定能夠具有類似于人的功能，也應(yīng)具有相應(yīng)的智能。辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)由機(jī)器人的機(jī)構(gòu)執(zhí)行部分、傳感器、控制部分、無線傳輸模塊組成(見圖1)，它們分別相當(dāng)于人類的腳、感覺器官、腦等。盡管外形與人類不同，但它具有類似人的一些智能，如發(fā)現(xiàn)前方有障礙可以自行躲避等。

圖1 辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)組成框圖Fig.1 Block diagram of the structure of office goods transport service robot

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)

1.2.1 底座的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人和其他移動(dòng)式機(jī)器人一樣，行走功能是其最基本的也是最重要的功能。歷經(jīng)多年來的發(fā)展研究與實(shí)踐，現(xiàn)在機(jī)器人應(yīng)用中最常見的行走方式有輪式行走、履帶式行走和多足式行走等幾種。[1]結(jié)合此次設(shè)計(jì)的使用背景和實(shí)現(xiàn)要求，辦公室物品傳輸機(jī)器人在行走方面最重要的是平穩(wěn)，而大多數(shù)辦公室的地面是平坦且較為寬闊的，所以履帶式和多足式機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在辦公室內(nèi)體現(xiàn)不多，而且履帶式和多足式在設(shè)計(jì)上較輪式更加復(fù)雜，所以該機(jī)器人采用輪式行走方式。

1.2.2 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的機(jī)器人名稱為辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人，顧名思義機(jī)器人的功能就是載著文件或工具等物品移動(dòng)到指定地點(diǎn)，所以機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)是模仿物品存儲(chǔ)柜的外形設(shè)計(jì)的，其目的就是能夠利用機(jī)器人有限的空間更多更好地放置物品。在機(jī)器人的頂面上有一組可供人設(shè)置信息的控制盤，由鍵盤和數(shù)碼顯示管組成，使用者可以通過鍵盤和數(shù)碼管的顯示輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。在機(jī)器人的正面，有兩個(gè)或多個(gè)大小不一的凹格，這樣設(shè)計(jì)的目的就是可以根據(jù)大小和種類來分別放置不同物品。機(jī)器人的外殼由鋼化玻璃板制作，這使得機(jī)器人的整體感觀效果更具觀賞性。[2]

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型方案

2.1 電機(jī)的選擇

對(duì)此次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易移動(dòng)式機(jī)器人而言，驅(qū)動(dòng)裝置需要具有控制簡(jiǎn)單方便、價(jià)格便宜、重量和體積小、速度調(diào)節(jié)快速平滑等特點(diǎn)，而對(duì)其控制精度要求不高，所以采用普通小型直流電動(dòng)機(jī)SGMADA(TG-38123000-30,K)。[3]

2.2 傳感器的選擇

此次設(shè)計(jì)對(duì)傳感器的要求主要是起到判斷和識(shí)別的作用。作為機(jī)器人的感官器件，其抗干擾能力要強(qiáng)，檢測(cè)范圍要寬，考慮到實(shí)際需要，選用檢測(cè)距離在5～20,cm之間的短距離光電傳感器(檢測(cè)黑色色帶)和檢測(cè)距離在150,cm左右的長(zhǎng)距離光電傳感器(檢測(cè)障礙物)。

2.3 無線數(shù)傳模塊的使用

根據(jù)辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人設(shè)計(jì)的需要和應(yīng)用場(chǎng)地的條件，加上對(duì)各種產(chǎn)品性能和價(jià)格的比較，采用微功率無線數(shù)傳模塊。

微功率無線數(shù)傳模塊提供標(biāo)準(zhǔn)RS-232/TTL/RS-485 三種接口方式，可直接與計(jì)算機(jī)、RS-485設(shè)備、單片機(jī)或其他器件連接使用。本設(shè)計(jì)中，用單片機(jī)來控制無線數(shù)傳模塊，所以最適合采用的就是TTL接口方式，因?yàn)樗梢灾苯优c單片機(jī)連接使用，RS-232/RS-485則都需要其他設(shè)備配合才能和單片機(jī)連接使用。無線數(shù)傳模塊應(yīng)用原理圖如圖2所示：

圖2 無線數(shù)傳模塊應(yīng)用原理圖Fig.2Principle diagram of the wireless data transmission module application

2.4 CUP控制器的選型

控制器是機(jī)器人的“大腦”，是機(jī)器人的核心部分，其主要功能包括：①設(shè)定機(jī)器人行動(dòng)的規(guī)劃，使機(jī)器人有序工作；②了解辦公室工作環(huán)境，采集和存儲(chǔ)來自辦公室工作現(xiàn)場(chǎng)的信息，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的判斷和分析；③與外界進(jìn)行信息的交互。

為完成上述功能，控制器必須具備一定的智能，能夠接收傳感器采集的信息以及無線數(shù)傳模塊的信息，并進(jìn)行必要的數(shù)字計(jì)算，給出判斷結(jié)果，對(duì)各種機(jī)械裝置發(fā)出控制信號(hào)，同時(shí)能與外界進(jìn)行交互通訊。

此次設(shè)計(jì)核心控制器采用的是ATMEL公司推出的嵌入式微處理器AVR-ATmega8和AVRATmega16單片機(jī)，它們都是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。

2.5 驅(qū)動(dòng)電路方案的選擇

此次選用芯片L298來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)SGMADA (TG-38123000-30,K)。驅(qū)動(dòng)芯片L298是驅(qū)動(dòng)二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，利用它內(nèi)部的H橋式電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)：每一組PWM波用來控制一個(gè)電機(jī)的速度，而另外兩個(gè)I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡(jiǎn)單；電路也很簡(jiǎn)單，一個(gè)芯片內(nèi)包含有8個(gè)功率管，這樣就簡(jiǎn)化了電路。如圖3所示，A路PWM從PB1輸出接L298的IN1，同時(shí)經(jīng)反向器接IN2；B路從PB2輸出接L298的IN3，同時(shí)經(jīng)反向器接IN4。L298的輸出OUT 1、OUT 2接一個(gè)電機(jī)，OUT 3、OUT 4接一個(gè)直流電極，PWM波經(jīng)L298放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。[4]

圖3 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 L298 motor’s drive circuit

3 硬件設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)方案

機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)包括主控制器的各項(xiàng)功能(電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速部分、CPU控制模塊部分、傳感器檢測(cè)和輸出指示部分、電源模塊部分、無線數(shù)傳模塊部分、鍵盤和數(shù)碼管顯示模塊部分)、電氣原理圖設(shè)計(jì)和PCB板的制作。

3.1 硬件總體設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)共用到3塊PCB板，每塊PCB板子上有1塊單片機(jī)(ATmega8或ATmega16)。在辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人下部的PCB板上主要包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊、電源模塊、傳感器檢測(cè)和輸出指示部分以及1塊ATmega8單片機(jī)。辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人上部的PCB上板包括鍵盤輸入和數(shù)碼管顯示模塊、1塊ATmega16單片機(jī)、1塊負(fù)責(zé)接收信息的無線數(shù)傳模塊。還有1塊在總服務(wù)臺(tái)上，其上有1塊ATmega8單片機(jī)和1塊負(fù)責(zé)發(fā)送信息的無線數(shù)傳模塊。

3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

該機(jī)器人的首要功能是能夠移動(dòng)，所以說其設(shè)計(jì)的成功與否首先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。移動(dòng)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動(dòng)機(jī)3個(gè)主要部分組成。移動(dòng)式機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)不但要求電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠性等特點(diǎn)，而且因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功率的影響，要求驅(qū)動(dòng)具有盡可能寬的高效率區(qū)。平常我們所使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)，這是因?yàn)槠淇刂坪?jiǎn)單，性能出眾，直流電源也容易實(shí)現(xiàn)。此次設(shè)計(jì)使用的是SGMADA(TG-38123000-30K)型直流電機(jī)，電源要求是DC 12,V，驅(qū)動(dòng)控制選用L298芯片。

3.3 傳感器檢測(cè)和輸出指示模塊

由于采用的傳感器信號(hào)低電平有效，所以單片機(jī)在初始程序時(shí)，設(shè)置與傳感器連接引腳為高電平。當(dāng)傳感器有信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)引腳為低電平，傳感器采集到相應(yīng)信號(hào)，做出判斷并給執(zhí)行器發(fā)出指令，執(zhí)行響應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)傳感器也應(yīng)有相應(yīng)的指示電路，方便傳感器的調(diào)試。[5]

在設(shè)計(jì)中，傳感器主要起到兩個(gè)作用：①用長(zhǎng)距離傳感器檢測(cè)前方障礙物，以免辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人和障礙物相撞；②用短距離傳感器檢測(cè)機(jī)器人行走軌道(黑色線帶)，以使辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人能夠沿軌道行走。

3.4 電源模塊的實(shí)現(xiàn)

考慮到本機(jī)器人的電源應(yīng)用：電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要+12,V直流電源供電、單片機(jī)及傳感器模塊需要+5,V直流電源供電，若對(duì)它們分別提供兩種不同的電池供電，那么在實(shí)際應(yīng)用中必然會(huì)加大機(jī)器人的負(fù)載以及設(shè)計(jì)成本，大大降低車體運(yùn)動(dòng)的速度。故此次設(shè)計(jì)采用直接由＋12,V電源經(jīng)過LM7805進(jìn)行穩(wěn)壓變換得到＋5,V直流電源，來實(shí)現(xiàn)電源供電。

3.5 CPU控制模塊的實(shí)現(xiàn)

此次設(shè)計(jì)共用到了2塊ATmega8單片機(jī)和1塊ATmega16單片機(jī)。其中的1塊ATmega8單片機(jī)主要負(fù)責(zé)通過PWM控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)和接收傳感器的信號(hào)使機(jī)器人能夠沿軌跡行走；另1塊ATmega8單片機(jī)負(fù)責(zé)將遠(yuǎn)程控制的鍵盤信號(hào)通過無線數(shù)字傳輸模塊發(fā)送到機(jī)器人主機(jī)，以便完成任務(wù)。ATmega16單片機(jī)負(fù)責(zé)鍵盤輸入任務(wù)和接收無線數(shù)傳模塊發(fā)送的任務(wù)并將任務(wù)傳送給ATmega8單片機(jī)來控制機(jī)器人完成任務(wù)。[6]

3.6 鍵盤及數(shù)碼管顯示模塊的實(shí)現(xiàn)

3.6.1 鍵盤設(shè)計(jì)

選用4*1鍵盤，它的位置在辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人的頂部，作用是使用者可以通過它讓辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人到達(dá)指定位置。[7]

圖4為機(jī)器人鍵盤的設(shè)計(jì)電路圖，圖中，S0為SET鍵，S1為數(shù)字＋1，S2為數(shù)字－1，S3為Enter鍵。當(dāng)有命令給辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人時(shí)，先按下S0鍵才表明可以下達(dá)命令，然后通過按S1鍵和S2鍵確定要下達(dá)的命令值，最后按下S3鍵確定要機(jī)器人執(zhí)行命令。

圖4 機(jī)器人鍵盤設(shè)計(jì)電路圖Fig.4 Robot keyboard design circuit diagram

3.6.2 遠(yuǎn)程遙控辦公桌上的控制按鍵設(shè)計(jì)辦公桌上的控制按鍵是使用者用來召喚辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人到達(dá)辦公桌的控制裝置。它所發(fā)出的命令通過無線數(shù)傳模塊傳遞給機(jī)器人控制器，使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確到達(dá)呼叫桌前并完成任務(wù)。

圖5 辦公桌按鍵設(shè)計(jì)電路圖Fig.5 Design circuit diagram of desk button

如圖5所示，假設(shè)辦公室有6張辦公桌，每張辦公桌上都安裝1個(gè)按鍵(S0～S6)，如按下按鍵S0，則辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人將到達(dá)按鍵S0所在辦公桌前等待呼叫者使用。

3.6.3 數(shù)碼管顯示模塊設(shè)計(jì)(見圖6)

圖6 數(shù)碼管顯示電路圖Fig.6 Digital tube display circuit diagram

數(shù)碼顯示管在辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人的上方，隨著使用者對(duì)鍵盤的使用，數(shù)碼管將顯示不同的信息，它的主要作用是讓使用者更直觀、準(zhǔn)確地給出命令。

3.7 無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)(見圖7)

圖7 無線數(shù)傳模塊連線圖Fig.7 Wireless data transmission module chart

此次設(shè)計(jì)用到了2塊無線數(shù)傳模塊，它們分別起接收和發(fā)射信息作用。其中1塊無線數(shù)傳模塊與ATmega8連接，作用是把由ATmega8獲得的辦公桌按鍵信息發(fā)射給另1塊和ATmega16連接的無線數(shù)傳模塊，之后通過ATmega16和控制驅(qū)動(dòng)電路的ATmega8通訊讓機(jī)器人根據(jù)接收到的信息執(zhí)行動(dòng)作。

3.8 可靠性措施與抗干擾技術(shù)

在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，電路的可靠性能是非常重要的。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)經(jīng)常出現(xiàn)電源接反的現(xiàn)象，所以在電源模塊中增加了1個(gè)二極管串接在主電源回路中，如果輸入端電源方向接對(duì)，則系統(tǒng)能正常工作，否則主電源將被截?cái)唷＿@樣就對(duì)系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、CPU模塊以及其他電路起到了很好的保護(hù)作用。而干擾也是對(duì)于設(shè)計(jì)最不利的因素之一，在本設(shè)計(jì)中電機(jī)的起停將對(duì)機(jī)器人的整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的干擾，所以采用PCB板而不是普通的導(dǎo)線來連接。同時(shí)，在電路中加一些抗干擾電容以及其他的一些如PCB布線，減小干擾措施等，起到了較好的抗干擾作用。[8-9]

4 結(jié) 語

經(jīng)過實(shí)際調(diào)試運(yùn)行，上述機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計(jì)基本符合控制要求，并能較好地完成預(yù)定的各項(xiàng)控制功能，解決了辦公室物品傳輸過程的時(shí)間浪費(fèi)問題，相信經(jīng)過進(jìn)一步的智能化和工業(yè)化設(shè)計(jì)，辦公室物品傳輸服務(wù)機(jī)器人能夠規(guī)?；癁樯鐣?huì)服務(wù)，成為人們辦公的得力助手。

［1］ 費(fèi)仁元，張慧慧. 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)和分析[M]. 北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，1998：5-85.

［2］ 城井田勝仁. 機(jī)器人組裝大全[M]. 北京：科學(xué)出版社，2002：20-78.

［3］ 王曉明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002：1-97.

［4］ 爾桂花，竇日軒. 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2002：88-93.

［5］ 黃繼昌，徐巧魚. 傳感器工作原理及應(yīng)用實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社，1998.

［6］ 王允上. 學(xué)用單片機(jī)制作機(jī)器人[M]. 北京：科學(xué)出版社，2012.

［7］ Parasuraman S，Ganapathy V，Shirinzadeh B. Fuzzy decision mechanism combined with neuro-fuzzy controller for behavior based robot navigation[A]. IECON’O3 [C]，2003.

［8］ Nefti S，Oussalah M，Djouani K，et al. Intelligent adaptive mobile robot navigation[J]. Journal of Intelligent and Robotics Systems，2001，30(4)：311-329.

［9］ 麥庫(kù)姆. 小型智能機(jī)器人制作全攻略[M]. 4版，北京：人民郵電出版社，2013.

Hardware Design of a Mini Type Service Robot for Office Goods Delivery

GE Yuntao1,2
(1.Tianjin Yuanfeng SCI&TECH Development Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

Facing severe social competitions，how to make use of time and workforce more effectively is becoming necessary for enterprises，government departments and even a nation.A service robot for office goods delivery is just designed to resolve these problems.The service robot takes AVR as the core and sends requests via the interface of man and machine to the wireless digital communication module and the test of sensor itself to track any obstacle and makes the robot adjust its position automatically，go along with the track and accurately arrive at the destination，thus attain the purpose of delivering goods from point to point.The robot mainly includes a portable power supply，AVR，wireless digital communication module，photo electricity sensor，DC electromotor and etc.

service robot；hardware design；AVR；wireless digital communication module

TP242

：A

：1006-8945(2016)09-0037-05

2016-08-01