劉建興

（青島工學(xué)院 266300）

1 搬運(yùn)機(jī)器人總體設(shè)計(jì)分析

智能倉庫是物流過程中的一個(gè)環(huán)節(jié)，智能倉庫的應(yīng)用，使我們物流環(huán)節(jié)的速度大大加快，在企業(yè)生產(chǎn)管理中起重要性作用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是一個(gè)小型的輪胎搬運(yùn)機(jī)器人，模擬人類辨別貨物和搬運(yùn)入庫的能力。搬運(yùn)機(jī)器人將不同顏色的貨物分類之后運(yùn)送到設(shè)定的貨區(qū)，搬運(yùn)完后自主回到待命區(qū)。

根據(jù)機(jī)器人入庫分類系統(tǒng)使得搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行以下工作：搬運(yùn)機(jī)器人從待命區(qū)出發(fā)，在未分類的貨物放置區(qū)里自動(dòng)抓取帶顏色的貨物，判別貨物顏色，根據(jù)貨物顏色選擇貨區(qū)路徑，然后按照路徑將抓取到的貨物放置到其對(duì)應(yīng)顏色的貨區(qū)上。比如抓取了紅色貨物后，搬運(yùn)機(jī)器人直走至拐彎處，拐彎下行至路徑選擇點(diǎn)，根據(jù)所判斷的貨物顏色選擇路徑，將貨物搬入紅色貨區(qū)。搬運(yùn)機(jī)器人在運(yùn)輸?shù)倪^程中，按照擺放順序依次抓取一個(gè)貨物，判別顏色后，依次送入對(duì)應(yīng)顏色的貨區(qū)，直到倉庫上沒有貨物之后，搬運(yùn)機(jī)器人自動(dòng)回到啟動(dòng)區(qū)上小車區(qū)。

2 搬運(yùn)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)分析

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人選用三個(gè)輪胎的結(jié)構(gòu)，車體前方的兩個(gè)輪胎分別配用一個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體后邊的一個(gè)后輪使用的是隨動(dòng)萬向輪，不必配用電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，就可達(dá)到靈活轉(zhuǎn)向，且起到了平衡作用。運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇直流電機(jī)，具有簡(jiǎn)單且調(diào)速方便的優(yōu)勢(shì)。

根據(jù)搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)目標(biāo)，選用舵機(jī)配合機(jī)械手來對(duì)貨物的進(jìn)行抓取動(dòng)作。建議使用Arduino 1 自由度機(jī)械手臂。

當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人前進(jìn)時(shí)，利用紅外測(cè)距傳感器探測(cè)貨物是否進(jìn)入其機(jī)械手夾取范圍內(nèi)。

該系統(tǒng)采用了 LED 白光燈提供照射光源。要實(shí)現(xiàn)將紅、黃、藍(lán)這 3 種不同顏色貨物放到對(duì)應(yīng)顏色的貨區(qū)的功能，重點(diǎn)就是能夠辨別貨物的顏色的三基色的值。設(shè)計(jì)采用了 TCS3200D 顏色傳感器，工作原理是貨物顏色通過調(diào)節(jié)濾波器濾出該貨物顏色的原色，進(jìn)一步檢測(cè)濾出的原色中 R、G、B 的成分。

人為規(guī)定A、B、C 3個(gè)倉庫的到達(dá)路徑以及取貨路徑。若是未檢測(cè)到貨物，則原路返回。當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)軸以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出行走路程的脈沖數(shù)，即可確定搬運(yùn)機(jī)器人行走的距離。

設(shè)計(jì)選擇了以STC12C5A60S2作為搬運(yùn)機(jī)器人的微控制器的增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)。

步進(jìn)電機(jī)也叫步進(jìn)器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。我們將步進(jìn)電機(jī)與單片機(jī)相連并給予電源，在系統(tǒng)識(shí)別出小球的顏色以后，單片機(jī)給步進(jìn)電機(jī)一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)這個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)的角度，使小球進(jìn)入到與它顏色相對(duì)應(yīng)的位置，完成顏色的分揀。步進(jìn)電機(jī)作為一個(gè)軸，軸上面是一個(gè)特制原板，原板上面有個(gè)圓弧放置小球。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)擋板可以來控制小球的方向。我們還要給步進(jìn)電機(jī)加一個(gè)驅(qū)動(dòng)源來驅(qū)動(dòng)它。通過控制步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)可以控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的度數(shù)，360°是397步。當(dāng)識(shí)別為紅色時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)60°，紅色小球進(jìn)入藍(lán)色洞中；當(dāng)識(shí)別為綠色時(shí)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)120°，綠色小球進(jìn)入綠色洞中；當(dāng)識(shí)別為藍(lán)色時(shí)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)180°，藍(lán)色小球進(jìn)入藍(lán)色洞中。單片機(jī)P1.0口接電動(dòng)機(jī)1B端口， p1.1口接電動(dòng)機(jī)2B接口，p1.2接電動(dòng)機(jī)3B接口。

3 搬運(yùn)機(jī)器人的電路設(shè)計(jì)分析

該系統(tǒng)中的搬運(yùn)機(jī)器人采用了L298作為其直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)核心，用 1個(gè)L298芯片能夠同一時(shí)間驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電動(dòng)機(jī)。STC12C5A60S2 單片機(jī)自己帶的 PWM 波來控制 ENB、ENA 的占空比，能進(jìn)一步控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。L298N 的 IN2 和 IN1 兩個(gè)引腳分別與 8051 單片機(jī)的 P4.4、P4.5 相連接，用以控制電機(jī)A正反轉(zhuǎn)；IN3、IN4 兩個(gè)引腳分別與P4.3、P4.2 相連接，用來控制電機(jī)B正反轉(zhuǎn)；OUT1和OUT2接電機(jī)A，OUT3和OUT4接電機(jī)B； ENB、ENA 兩個(gè)控制使能端分別與 P4.0、P4.1 相連接，用以對(duì)電機(jī)的進(jìn)行控制。舵機(jī)與STC12C5A60S2 的 P2.4 口相連接，其工作原理為單片機(jī)產(chǎn)生的周期信號(hào)用以通過控制高脈沖的寬度實(shí)現(xiàn)舵機(jī)正反轉(zhuǎn)的功能，進(jìn)一步帶動(dòng)機(jī)械手臂抓取和歸放貨物。

STC12C5A60S2 芯片的 P1.4口與紅外測(cè)距傳感器的模擬輸出口相連，其工作原理為單片機(jī)將紅外測(cè)距傳感器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，然后根據(jù)數(shù)字電壓的大小與預(yù)定的閾值相比較，判別出機(jī)械手的探測(cè)范圍內(nèi)是否有貨物。

TCS3200D 顏色傳感器與單片機(jī)連接，以STC12C5A60S2為微控制器的8051單片機(jī)的P2.0、P2.1分別連接S2、S3兩個(gè)端口，用以選擇所需要的二極管類型。

TCS3200D顏色傳感器的使能端口 OE 連接低電平，S0、 S1 兩個(gè)引腳都連接高電平，輸出比例因子是100%，輸出引腳連接到以 STC12C5A60S2為微控制器的8051單片機(jī)的定時(shí)器輸入端T1上。TCS3200D顏色傳感器的工作原理是用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 T1 對(duì)顏色傳感器輸出的脈沖數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，用所計(jì)數(shù)值來確定貨物顏色的原色的R、G、B三值，以此來判斷貨物顏色。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)是采用以STC12C5A60S2的微控制器為核心硬件的增強(qiáng)型8051單片機(jī)，利用顏色傳感器TCS3200D判斷識(shí)別貨物的顏色；利用紅外測(cè)距傳感器探測(cè)機(jī)械手附近環(huán)境是否存在貨物，用以探測(cè)貨物所在方位；利用霍爾傳感器CS3020測(cè)量搬運(yùn)機(jī)器人行走距離，用以測(cè)量路徑；應(yīng)用PWM波技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動(dòng)方向；本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人控制系統(tǒng)是在keil uvision3軟件上編輯程序來設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎以及自動(dòng)分揀等精準(zhǔn)控制。