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        一種智能式運料機器人的設(shè)計

        2018-06-11 03:52:46張勇斌劉保國
        關(guān)鍵詞:運料端口小車

        張勇斌,劉保國

        (1.鄭州鐵路技師學(xué)院,河南 鄭州 450041;2.河南工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院,河南 鄭州 450002 )

        隨著微電子技術(shù)的蓬勃發(fā)展,機器人產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)出來,減輕了人的勞動,極大地提高了勞動生產(chǎn)效率。移動式運料機器人利用單片機作為控制單元實現(xiàn)無人操作,并具備尋跡避障、自動行駛、運料、翻斗旋轉(zhuǎn)和卸料等功能,適合短途物料運輸采用[1]。基于此目的,設(shè)計了一款智能移動式運料機器人。車完成如下動作[2]:黑白線循跡→走簡單迷宮→沿規(guī)定的軌跡自動行駛→運料→翻斗旋轉(zhuǎn)→卸料等系列動作,將工件從存儲處送到運料車上。整體的設(shè)計任務(wù)流程如圖1所示。

        圖1 設(shè)計任務(wù)流程圖

        1 設(shè)計任務(wù)

        智能移動式運料機器人通過控制、驅(qū)動、執(zhí)行、傳動、導(dǎo)向等部分和控制軟件共同實現(xiàn)智能

        2 總體方案論述

        采用單片機作為控制單元對電機進行控制。用4路分別放大的信號驅(qū)動四相五線的步進電機;步進電機與相應(yīng)的齒輪、連桿連接起來,將螺旋運動轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的翻轉(zhuǎn)運動。步進電機控制器采用微機或單片機作為控制部件。采用微機時,可通過 ISA 總線、并行端口、串行端口傳送數(shù)據(jù);需設(shè)計步進電機與微機的接口電路。采用單片機時,可選用 AT89S52;需設(shè)計單片機最小系統(tǒng)和步進電機與單片機的接口電路??傮w功能如圖2所示,方案設(shè)計如圖3所示。

        圖2 總體功能圖

        圖3 總體方案設(shè)計圖

        3 模塊設(shè)計

        3.1 行走方案的選擇和確定

        關(guān)于小車的行走方案,可以采取輪子、腿和履帶3種可行的方案。綜合考慮功能要求和設(shè)計原則,采用輪子實現(xiàn)小車的行走, 既能很好的實現(xiàn)功能,成本較低,結(jié)構(gòu)也簡單可靠。考慮具體的工作環(huán)境,采用3輪結(jié)構(gòu):兩個輪作為驅(qū)動輪,控制小車的前進、倒退和轉(zhuǎn)彎;一個萬向輪作為從動輪,使小車車身平穩(wěn),同時使小車保持較好的靈活度。

        3.2 電機的設(shè)計

        采用普通直流電機。直流電機的最大優(yōu)點是調(diào)速特性,能夠?qū)崿F(xiàn)不同速度的運行,也能快速啟動、反轉(zhuǎn)和制動。

        3.3 電機驅(qū)動方案的選擇

        采用H橋電路。將4個晶體管分兩組,在單片機控制下通過交替截止、導(dǎo)通來控制電機。晶體管相應(yīng)速度快,效率高、穩(wěn)定性強[3]。步進電機驅(qū)動電路的選擇如圖4所示。

        圖4 L298電機驅(qū)動電路圖

        3.4 供電電源方案的選擇

        用一個電源。電源分兩路,一路直接控制電機,另一路經(jīng)穩(wěn)壓后控制電路:供電電路簡單。如圖5所示。

        圖5 電源電路

        3.5 路面情況檢測方案的選擇

        探測路面黑線的基本原理:通過光線照射黑線和白線后,反射的光強不同,被傳感器接受后能夠判斷是黑線還是白線。采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器[4]。一方面能大幅度減小外界自然光的干擾;另一方面瞬時電流大,對信噪比有很大提高,而且反應(yīng)靈敏、電路簡單。

        3.6 障礙物探測方案的設(shè)計

        采用脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射接收器。

        3.7 翻斗機構(gòu)方案的選擇

        采用四連桿機構(gòu)。電機承受的力矩會比較小,運行比較平穩(wěn)。機構(gòu)如圖6和圖7所示。

        圖6 四連桿翻斗機構(gòu)圖

        圖7 翻斗機構(gòu)在小車上的布置

        4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

        4.1 路面黑線檢測的設(shè)計與實現(xiàn)

        4.1.1 黑白線探測

        路面黑白線檢測主要通過黑白線檢測傳感器實現(xiàn)。黑白線檢測傳感器有效檢測距離達5 cm,通過調(diào)節(jié)電位器,最遠可以達到 10 cm(該距離下,檢測黑白線的精度降低)。這款黑白線傳感器可見光干擾小,輸出信號為開關(guān)量,信號處理簡單,使用非常方便,還增加了探測距離調(diào)節(jié)器,改進了探測距離,加強了探測精度。

        4.1.2 黑白線循跡方案選擇

        采用2個集發(fā)射與接收于一體的發(fā)光二極管分別通過AT89S52的端口P2.0和P3.5來采集地面的黑白反差變化,檢測電路如圖8所示。發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射地面,紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通,發(fā)出一個電平跳變信號。將2個傳感檢測器安裝于小車前端車底盤下端,左右各1只。當(dāng)小車行駛時,發(fā)射管發(fā)出紅外線照地面,光線經(jīng)過白線反射會被接收管接受到,輸出低電平信號;當(dāng)電動小車經(jīng)過黑線時,由于發(fā)出的光線被吸收,這樣接收管不能收到射線,傳感器輸出高電平信號。不論高電平還是低電平信號都是瞬時送達AT89S52單片機。單片機經(jīng)過處理,判斷并執(zhí)行在單片機存儲器中存儲的預(yù)先編制好的程序,從而運行小車的行駛。

        圖8 黑白線檢測電路

        4.2 電動機驅(qū)動電路設(shè)計與實現(xiàn)

        考慮到電壓、電流的等級及尺寸、外觀等因素,可選用集成電機驅(qū)動芯片L298。L298是雙H高電壓大電流集成電路,其輸出腳(SENSEA 和SENSEB)用來連接電流檢測電阻。表1為L298控制表[5]。Vs 為驅(qū)動電機的電源,Vss連接著邏輯控制的電源,通常為+5 V;IN1~IN4輸入引腳用來控制H橋的接通和斷開,采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號;ENA、ENB引腳為使能控制端,功率集成電路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封裝,15 個引腳,如圖9 所示。

        圖9 Multiwatt15 引腳圖和封裝圖

        表1 L298 控制表

        4.3 探測物料位置的傳感器設(shè)計

        采用一個集發(fā)射與接收于一體的紅外傳感器通過 AT89S52 的端口P1.0來采集前端的物料并作出相應(yīng)的反應(yīng),檢測電路如圖10所示。工作原理為:發(fā)光二極管發(fā)射一定強度的紅外線照射前端,紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導(dǎo)通,發(fā)出一個電平跳變信號,端口采集相應(yīng)的電平信號調(diào)用子程序作出設(shè)定的動作。將傳感檢測器安裝于小車前端車體底盤下,這樣能夠檢測前端的物料。當(dāng)正常行駛時,發(fā)射管發(fā)射紅外光照射前方,光線碰到物料則反射后被接收管接收,端口輸出低電平信號;前端有效距離內(nèi)若是無障礙,則發(fā)出的紅外線無返回,接收端接收不到反射光線,傳感器端口P1.0輸出高電平信號,若在有效距離內(nèi)探測到物料,則發(fā)出的光線反射回傳感器并被接收,傳感器端口P1.0輸出低電平信號,并將采集到的信號送AT89S52單片機處理,執(zhí)行機械手夾緊動作。

        圖10 避障檢測與處理

        圖11為避障處理和檢測而采用的光電傳感器。其檢測的距離大小是可以調(diào)節(jié)的,并且具有結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜和容易裝配的優(yōu)點。

        圖11 避障檢測傳感器

        5 軟件設(shè)計

        迷宮避障設(shè)計流程如圖12所示,黑白尋跡流程如圖13所示。

        6 結(jié)論

        經(jīng)過方案論證、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和現(xiàn)場調(diào)試并對傳感器不斷調(diào)整、對程序不斷修正,完成了AT89S52智能車的制作。練習(xí)使用智能車系統(tǒng)的各個模塊,經(jīng)過測試,程序中寫入不同的R3、R4 值,小車速度有明顯的變化,能夠?qū)崿F(xiàn)正確的運行路線和翻斗機構(gòu)的運動,以及小車黑白線循跡和走簡單迷宮的功能。

        圖13 黑白尋跡流程圖

        [1] 城井田, 勝仁 編.輕輕松松制作機器人 [M].崔素蓮 譯.北京:科學(xué)出版社, 2010.

        [2] 蔡自興. 機器人學(xué)[M].北京:清華大學(xué)出版. 2009.

        [3] 日本機器人學(xué)會 編.新版機器人技術(shù)手冊[M].宗光華,程君實 譯.北京:科學(xué)出版社,2007.

        [4] DavidCook. 機器人制作提高篇 [M].畢樹生,李大寨,高志慧 譯.北京:北京航空航天大學(xué)出版. 2005.

        [5] Joseph L. J. 著,機器人編程技術(shù)·基于行為的機器人實戰(zhàn)指南[M].原魁 譯.北京:機械工業(yè)出版社, 2006.

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