楊華++吳敏

摘要：設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能搬運(yùn)機(jī)器人，可類人站立，選擇雙輪自平衡方案，由于兩輪共軸、獨(dú)立驅(qū)動(dòng)、車身重心位于車輪軸上方，通過(guò)運(yùn)動(dòng)保持平衡，可以直立運(yùn)動(dòng)，對(duì)于地形的變化也有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，有著良好的運(yùn)動(dòng)性能，因此選擇用來(lái)做搬運(yùn)機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)最合適，而且便與收納并支持藍(lán)牙控制。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；藍(lán)牙；自平衡

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）02-0004-02

1 引言

現(xiàn)實(shí)生活中，搬運(yùn)機(jī)器人節(jié)省我們?nèi)祟悇趧?dòng)力是個(gè)遠(yuǎn)大的理想，采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)自平衡巧妙地利用地心引力使其自身保持平衡，并將自身重力轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，便于移動(dòng)，具有環(huán)保的特點(diǎn)。另外搬運(yùn)機(jī)器人小巧，轉(zhuǎn)彎靈活，可以在狹窄、大轉(zhuǎn)角的工作場(chǎng)合作業(yè)，也可以在陸地上快速移動(dòng)并進(jìn)行物品的搬運(yùn)，我們可以通過(guò)手機(jī)APP進(jìn)行操作控制，指引機(jī)器人向目的地前進(jìn)，可以在工廠、學(xué)校、餐廳、家庭中廣泛使用。另外搬運(yùn)機(jī)器人有個(gè)顯著的特點(diǎn)在于，單個(gè)搬運(yùn)數(shù)量并不多，但是當(dāng)機(jī)器人數(shù)量越多則搬運(yùn)貨物體積越大，數(shù)量也越多，比如搬運(yùn)集裝箱，底下可以放置很多個(gè)機(jī)器人一起行動(dòng)。這類體積小巧的機(jī)器人便于收納，完全彌補(bǔ)生產(chǎn)產(chǎn)線需要設(shè)計(jì)高成本產(chǎn)線設(shè)備的缺點(diǎn)，隨時(shí)可以取出應(yīng)用。

2 整體功能

本設(shè)計(jì)的控制驅(qū)動(dòng)電路板是整個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人組成的核心，根據(jù)查閱資料搜索雙輪自平衡的功能特點(diǎn)，選擇MPU-6050這款6軸運(yùn)動(dòng)處理傳感器采集車體的狀態(tài)信息；選擇TB6612這款直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)；選擇光電編碼器采集車體速度信息；選擇370金屬齒輪直流減速電機(jī)；控制器采用STM32單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集與處理、車體狀態(tài)信息判斷、直流減速電機(jī)控制及藍(lán)牙與手機(jī)APP通訊控制等功能。具體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主控芯片

選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6作為主控芯片，該芯片集成的I2C總線模塊對(duì)于傳感器MPU-6050的控制較為方便。對(duì)傳感器MPU-6050輸出的加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行采集；對(duì)加速度信號(hào)和陀螺儀信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，計(jì)算出車體即時(shí)的傾斜角度；對(duì)于兩個(gè)車輪上安裝的光柵編碼器，由于其輸出兩路AB相信號(hào)，進(jìn)行采集之后得到小車運(yùn)動(dòng)速度及方向信息；利用數(shù)字PID算法得出PWM信號(hào)來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)小車行進(jìn)中傾斜角進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)小車的自平衡控制。

3.2 6軸運(yùn)動(dòng)傳感器

MPU-6050是6軸運(yùn)動(dòng)傳感器，擁有3軸MEMS陀螺儀、3軸MEMS加速度計(jì)和一個(gè)可擴(kuò)展的運(yùn)動(dòng)數(shù)字處理器（DPM），其內(nèi)部對(duì)陀螺儀和加速度計(jì)分別使用3個(gè)16位ADC，檢測(cè)輸出的16位數(shù)字量，通過(guò)I2C總線接口輸出，能精確跟蹤快速和慢速運(yùn)動(dòng)，還能設(shè)定陀螺儀和加速度傳感器的測(cè)量范圍。

3.3 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

TB6612FNG是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，能獨(dú)立控制2個(gè)直流電機(jī)，具有集成度高、輸出驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，每通道輸出最高1.2A的連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)峰值電流達(dá)2A/3.2A，有正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)/制動(dòng)/停止4種電機(jī)控制模式，PWM支持頻率高達(dá)100kHz，在集成化、小型化的電機(jī)控制系統(tǒng)中，是一種理想的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器件。

3.4 電機(jī)及編碼器模塊

選用370電機(jī)，該電機(jī)自帶編碼器，由于編碼器采用集電極開(kāi)路輸出，輸出波形為矩形波，因此編碼器外圍電路較簡(jiǎn)單。使用時(shí)在信號(hào)輸出端需要接入一個(gè)上拉電阻，即可將信號(hào)提供給單片機(jī)進(jìn)行采集數(shù)據(jù)。我們?cè)O(shè)PULSE引腳為編碼器A相，接單片機(jī)的脈沖計(jì)數(shù)口，通過(guò)單片機(jī)的PACNT模塊對(duì)輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)從而獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速。DIR為編碼器B相輸出，接單片機(jī)I/O口，通過(guò)A、B相位差進(jìn)行軟件鑒相，從而判斷電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向。

3.5 藍(lán)牙控制模塊

系統(tǒng)采用無(wú)線（藍(lán)牙）模塊，實(shí)現(xiàn)雙向通訊傳輸，擁有2.4G無(wú)線通信接口，與手機(jī)進(jìn)行通信，并通過(guò)手機(jī)來(lái)進(jìn)行控制，藍(lán)牙模塊是現(xiàn)成的藍(lán)牙串口模塊，開(kāi)發(fā)方便，具有強(qiáng)抗干擾能力，發(fā)射功率微小。完全符合輻射和距離要求。藍(lán)牙模塊是自動(dòng)連接的，可用手機(jī)藍(lán)牙控制。

3.6 供電電路

本設(shè)計(jì)使用3節(jié)18650鋰電池供電，供電電壓約12V，供電電路將電源電壓轉(zhuǎn)換成3.3V供主控芯片和傳感器電路使用。由于電機(jī)的功耗較大，起制動(dòng)時(shí)會(huì)引起電源電壓的波動(dòng)，所以電路設(shè)計(jì)濾波電路穩(wěn)定電壓輸出。

4 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)是作品設(shè)計(jì)的核心部分，系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化的程序設(shè)計(jì)方法，主要包括6軸運(yùn)動(dòng)傳感器MPU-6050、TB6612FNG直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、藍(lán)牙模塊、卡爾曼濾波器控制等主控程序，手機(jī)APP控制兩大部分。程序主要包含有無(wú)線藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收、加速、減速、平衡數(shù)據(jù)處理等。為了保證系統(tǒng)的可靠性及安全性還需對(duì)電路過(guò)流、發(fā)送/接收地址數(shù)據(jù)不匹配等進(jìn)行相應(yīng)的處理?，F(xiàn)畫(huà)出系統(tǒng)主程序流程圖（見(jiàn)圖2）和角度、角速度處理函數(shù)流程圖（見(jiàn)圖3）。

5 結(jié)語(yǔ)

企業(yè)工廠在產(chǎn)品流水線最后一道關(guān)卡，當(dāng)產(chǎn)品制作完成需要進(jìn)行運(yùn)輸包裝時(shí)，常見(jiàn)的無(wú)非是人工搬運(yùn)、大型生產(chǎn)自動(dòng)線的傳送，對(duì)于人工搬運(yùn)，生產(chǎn)效率會(huì)降低，若專門請(qǐng)人搬運(yùn)，又占用一個(gè)工作崗位；對(duì)于大型生產(chǎn)線的使用，又需要考慮設(shè)備成本及人工操作，而且設(shè)備必然占用地方空間，因此，體積小巧的搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生，在地面上靈活機(jī)動(dòng)、成本低廉、可以批量使用，類似螞蟻搬運(yùn)，一個(gè)搬運(yùn)機(jī)器人的力量是渺小的，一群搬運(yùn)機(jī)器人的力量是強(qiáng)大的，使用完后搬運(yùn)機(jī)器人還能隨時(shí)進(jìn)行收納以備下次繼續(xù)使用，不占用場(chǎng)地空間。

不僅僅在工廠中使用，在學(xué)校、餐廳、家庭中均可以被廣泛使用，在學(xué)?？梢宰鳛榘徇\(yùn)快遞機(jī)器人使用，在餐廳可以作為傳菜員使用，家庭中同樣可以傳遞物品，最重要的是小朋友喜歡。

由于市面上除了見(jiàn)到機(jī)器人餐廳，使用的是巡線機(jī)器人托盤運(yùn)動(dòng)，其他工廠企業(yè)、學(xué)校并不看見(jiàn)這類搬運(yùn)機(jī)器人，因此市場(chǎng)前景較為可觀。

參考文獻(xiàn)

[1]肖成.基于S3C2440的嵌入式智能小車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件開(kāi)發(fā)與設(shè)計(jì)，2011（5）.