摘要：智能搬運(yùn)機(jī)器人已成為現(xiàn)代社會(huì)的重要搬運(yùn)工具，本文探究了智能搬運(yùn)機(jī)器人的科技邏輯。論述了微控制器在智能搬運(yùn)機(jī)器人中應(yīng)用的必要性，闡述了基于微控制器的智能搬運(yùn)機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)，以期為廣大科研人員提供參考。

關(guān)鍵詞：微控制器；智能搬運(yùn)機(jī)器人；科技邏輯

一、基于微控制器的智能搬運(yùn)機(jī)器人整體設(shè)計(jì)

（一）智能搬運(yùn)機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

作為智能搬運(yùn)機(jī)器人的核心組成部分，其行走裝置所對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)為行進(jìn)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)主要職能為接收控制核心的命令，并驅(qū)動(dòng)控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)循跡、避障、抓取等作業(yè)。對(duì)于智能搬運(yùn)機(jī)器人的行進(jìn)機(jī)構(gòu)而言，存在兩種不同的行進(jìn)設(shè)計(jì)方案，分別為輪式行走與履帶行走，雖然它們的作用機(jī)制存在差異，但兩種行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案都可以滿足智能搬運(yùn)機(jī)器人的控制需求。首先，輪式行走結(jié)構(gòu)是指在智能搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)行過程中，其自身往往需要消耗一定量的功率，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦阻力的克服與滑轉(zhuǎn)。若智能搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)體加裝的行走機(jī)構(gòu)為四輪式行走機(jī)構(gòu)，則其自身的承載能力將有所提升。另外，由于這種機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此其具有較強(qiáng)的可控制性與易操作性。其次，履帶行走機(jī)構(gòu)的復(fù)雜度更高，其核心在于結(jié)合輪子與履帶兩個(gè)組成結(jié)構(gòu)，能在更復(fù)雜的環(huán)境中發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)與性能，以保障其正常行駛的穩(wěn)定性。不僅如此，履帶行走機(jī)構(gòu)以其高穩(wěn)定性與適應(yīng)性，能跨越或躲避環(huán)境中的各種障礙。由此可見，履帶行走機(jī)構(gòu)是當(dāng)前設(shè)計(jì)智能搬運(yùn)機(jī)器人行進(jìn)機(jī)構(gòu)的首要選擇。

（二）智能搬運(yùn)機(jī)器人的抓取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在智能搬運(yùn)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)中，抓取機(jī)構(gòu)占據(jù)著重要地位，這也是人工智能與機(jī)器人學(xué)的主要研究課題之一。作為智能搬運(yùn)機(jī)器人的抓取機(jī)構(gòu)，機(jī)械臂往往被固定在智能搬運(yùn)機(jī)器人的基座之上，具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，但由于受到臂長(zhǎng)、自由度等因素的限制，導(dǎo)致操作范圍表現(xiàn)出一定的局限性。機(jī)械臂通常包含四個(gè)舵機(jī)，可以在遠(yuǎn)程手柄的控制下，抓取目標(biāo)物體；而任意關(guān)節(jié)處均由舵機(jī)支架穩(wěn)定連接，并通過驅(qū)動(dòng)向舵機(jī)供電的方式，維持機(jī)械臂的正常運(yùn)行狀態(tài)。

除此之外，由于智能搬運(yùn)機(jī)器人抓取機(jī)構(gòu)的電力來源為鋰電池，加之微控制器可以成功接收到的電壓較小，因此在其中還需添加穩(wěn)壓模塊，用以保障其抓取工作的正常開展。在抓取作業(yè)過程中，需要保持機(jī)械臂的準(zhǔn)確度，讓其可以在恰當(dāng)?shù)奈恢门c姿態(tài)下移動(dòng)和抓取，這對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)器人的自由度提出相對(duì)較高的要求。自由度是指機(jī)械臂可對(duì)相應(yīng)坐標(biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目，對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)器人的靈活性具有重要影響。如果機(jī)械臂的自由度數(shù)量較多，則其運(yùn)動(dòng)的靈活性較強(qiáng)，就可以憑借自身更復(fù)雜化的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，發(fā)揮出更強(qiáng)的通用性與可靠性。在自由度數(shù)量較多的情況下，機(jī)械臂可以完成不同形式的運(yùn)動(dòng)，并按照其運(yùn)動(dòng)方向分為兩種類型，即沿坐標(biāo)軸進(jìn)行的平移運(yùn)動(dòng)與繞坐標(biāo)軸進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)階段，比較常見的智能搬運(yùn)機(jī)器人抓取結(jié)構(gòu)為六自由度鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)，其自由度數(shù)量可以與既定目標(biāo)任務(wù)相匹配，從而使得機(jī)械臂能到達(dá)任意位置，以更好地完成各項(xiàng)抓取任務(wù)。

（三）智能搬運(yùn)機(jī)器人的傳感器模塊與驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)機(jī)器人能高效地完成各項(xiàng)目標(biāo)任務(wù)，主要依賴于其傳感器模塊。作為智能搬運(yùn)機(jī)器人的感知結(jié)構(gòu)，傳感器模塊能夠全面采集外界環(huán)境信息，并根據(jù)數(shù)學(xué)函數(shù)法轉(zhuǎn)換處理，以獲取到相應(yīng)的可用信號(hào)，便于智能搬運(yùn)機(jī)器人后期完成高效的自主作業(yè)。另外，在智能搬運(yùn)機(jī)器人的傳感器模塊中，搭配有五種不同類型的傳感器，包括超聲波、藍(lán)牙、聲音、循跡、灰度。在安裝傳感器模塊前，需要加強(qiáng)調(diào)試處理，如調(diào)試聲音傳感器，能幫助智能搬運(yùn)機(jī)器人在不同環(huán)境下感知到不同音量大小的聲音，以保障其作業(yè)的靈敏度。而超聲傳感器在發(fā)出超聲波的過程中，受到環(huán)境中各類雜質(zhì)或分界面的干擾影響，則會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的顯著反射現(xiàn)象，并形成一定的反射回波，在此條件下識(shí)別到環(huán)境中存在活動(dòng)的物體，則會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)。由此可知，智能搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)采用一定的措施防止前述現(xiàn)象，并利用渡越時(shí)間法，躲避環(huán)境中不同障礙。

而傳感器中超聲傳感器模塊的工作方式可歸納為三大模塊，即超聲模塊、單片機(jī)、實(shí)物工作模塊，其中，超聲模塊包含超聲波接收裝置與發(fā)送裝置，能向?qū)嵨锕ぷ髂K發(fā)送相應(yīng)的任務(wù)指令；在實(shí)物工作模塊中，主要由信號(hào)波作用于相應(yīng)的收發(fā)裝置，并向單片機(jī)發(fā)送判定指令；在單片機(jī)工作過程中，首先需要精確測(cè)定機(jī)器人與物體之間的距離，隨后判斷該距離是否小于規(guī)定距離，如果小于，則搬運(yùn)機(jī)器人只能繼續(xù)前進(jìn)并完成作業(yè)；反之則后退并右轉(zhuǎn)完成相應(yīng)作業(yè)。智能搬運(yùn)機(jī)器人中，通常需要搭載一個(gè)傾角傳感器，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人自身狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而采取調(diào)控措施達(dá)到側(cè)翻恢復(fù)的目的。

對(duì)于智能搬運(yùn)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置而言，通常為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置，其關(guān)鍵組成部件為高精度的數(shù)字舵機(jī)，能更好地應(yīng)對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)中的各種突發(fā)情況。而驅(qū)動(dòng)裝置感知與采集所處環(huán)境中的相關(guān)信息時(shí)，需要經(jīng)過一定處理后，將環(huán)境信息轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工作指令，再下發(fā)至各級(jí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。如果智能搬運(yùn)機(jī)器人采集環(huán)境信息后，識(shí)別到其自身行進(jìn)過程中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，則舵機(jī)內(nèi)部將會(huì)自發(fā)啟動(dòng)保護(hù)措施，并調(diào)控履帶后續(xù)的行進(jìn)路線與方式。

（四）智能搬運(yùn)機(jī)器人的循跡模塊與避障模塊設(shè)計(jì)

在智能搬運(yùn)機(jī)器人的硬件系統(tǒng)框架中，循跡模塊與避障模塊能為機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的搬運(yùn)任務(wù)提供輔助調(diào)控作用。為了讓智能搬運(yùn)機(jī)器人保持正常運(yùn)行狀態(tài)，其中的兩個(gè)循跡模塊始終要參與檢測(cè)作業(yè)，且與黑線無任何接觸。若在作業(yè)過程中，智能搬運(yùn)機(jī)器人檢測(cè)到黑線，則其中的傳感器會(huì)處理電平調(diào)變，且微控制器會(huì)做出及時(shí)的反應(yīng)，即控制機(jī)器人沿左側(cè)或右側(cè)兩個(gè)不同的方向行駛。通過微控制器的持續(xù)作用，有利于調(diào)整智能搬運(yùn)機(jī)器人的行駛方向，使其整體保持直線狀態(tài)行駛，從而達(dá)到有效循跡的目標(biāo)。而在智能搬運(yùn)機(jī)器人轉(zhuǎn)向的過程中，需要控制其輪子的轉(zhuǎn)速，確保差異性，如此一來，才能針對(duì)不同彎道的情況調(diào)整行駛狀態(tài)。在智能搬運(yùn)機(jī)器人的工作電路中，包括傳感器與調(diào)理電路兩個(gè)部分，其中，前者可以在紅外發(fā)射管的作用下，通過發(fā)出紅外線的方式檢測(cè)外界環(huán)境，若得到返回信號(hào)，則表明地面中具有黑線；后者采用電壓比較器對(duì)比外界環(huán)境中的兩路電壓。

要想實(shí)現(xiàn)避障模塊，主要依賴于超聲傳感器的測(cè)距功能，該模塊可以在智能搬運(yùn)機(jī)器人的行進(jìn)過程中持續(xù)發(fā)出超聲波，若前方存在障礙物，則超聲波將會(huì)立即返回；隨后避障模塊即可判斷返回的超聲波，并計(jì)算獲取到與前方障礙物的距離，進(jìn)而預(yù)設(shè)出一個(gè)恰當(dāng)?shù)呐R界范圍。如果智能搬運(yùn)機(jī)器人未在規(guī)定閾值范圍內(nèi)檢測(cè)到障礙物，則可以繼續(xù)行進(jìn)并執(zhí)行任務(wù)。此次課題中，避障模塊設(shè)計(jì)所采用的是hc-sr04型超聲波，其供電電壓設(shè)定為5V，包括四個(gè)不同的引腳，并與微控制器的I/O接口相連。

二、基于微控制器的智能搬運(yùn)機(jī)器人軟件程序設(shè)計(jì)

（一）智能搬運(yùn)機(jī)器人的工作流程

智能搬運(yùn)機(jī)器人將STM32微控制器作為控制核心，首先定義一個(gè)固態(tài)函數(shù)庫，隨后將編譯的所有工作任務(wù)程序存儲(chǔ)其中。而編寫不同器件的驅(qū)動(dòng)程序，都需要在微控制器中完成。在程序的驅(qū)動(dòng)作用下，STM32微控制器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)的初始化處理，并應(yīng)用符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備與串口，處理數(shù)據(jù)交換。在此處理模式下，智能搬運(yùn)機(jī)器人可以對(duì)自身的運(yùn)行模式實(shí)時(shí)檢測(cè)，并高效完成正常行進(jìn)、超聲避障、準(zhǔn)確抓取等各項(xiàng)工作任務(wù)。此外，智能搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用模塊化編程處理方式，能更好地控制程序，進(jìn)而成功獲取到相應(yīng)的若干個(gè)子程序，然后分別實(shí)現(xiàn)行進(jìn)、識(shí)別、循跡、抓取、跟隨等各項(xiàng)任務(wù)。

在程序執(zhí)行開始，首先要對(duì)處理器初始化處理，該處理過程主要分為兩個(gè)部分，即微控制器與硬件模塊初始化，后者包括超聲波模塊與循跡模塊的初始化步驟。智能搬運(yùn)機(jī)器人的內(nèi)部配置相對(duì)完善，具有微控制器的管腳配置、輸出模式、時(shí)鐘配置等，管腳配置與輸出模式的作用在于采集遙控?cái)?shù)據(jù)，時(shí)鐘配置的作用是完成對(duì)定時(shí)器時(shí)間的設(shè)置，二者共同作用于機(jī)械臂，有利于精準(zhǔn)抓取目標(biāo)物體。同時(shí)，循跡模塊與超聲波模塊在采集數(shù)據(jù)信息的過程中，需要判斷外界環(huán)境中是否存在黑線，若檢測(cè)識(shí)別到黑線，則智能搬運(yùn)機(jī)器人需要沿著一定的線路行駛；若未檢測(cè)識(shí)別到任何黑線，則機(jī)器人需要保持直行狀態(tài)。當(dāng)然，各模塊還需要采集和判斷外界環(huán)境中是否存在障礙物體，若存在障礙物，智能搬運(yùn)機(jī)器人需要改變行進(jìn)路線以躲避障礙物；若檢測(cè)到外界環(huán)境中無障礙物，則機(jī)器人只需要保持直行狀態(tài)即可。

（二）智能搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械臂中的視覺模塊設(shè)計(jì)

對(duì)于智能搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械臂中的視覺模塊而言，首先需要對(duì)感光元件初始化處理；隨后應(yīng)對(duì)相機(jī)模塊默認(rèn)的像素模式調(diào)整與設(shè)置，在常用的圖像處理方法中，主要包括兩種不同的像素模式，即色彩模式與灰度模式。相較于色彩模式而言，灰度模式具有更高的運(yùn)行效率，但這種模式無法識(shí)別目標(biāo)物體的顏色，所以，為了保障智能搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)用性，通常選擇色彩模式處理圖像。對(duì)于設(shè)置相機(jī)模塊的分辨率，可以選擇分辨率種類具有極強(qiáng)的多樣性；采用穩(wěn)定模式處理視覺圖像，能夠過濾由于相機(jī)設(shè)置不穩(wěn)定而產(chǎn)生的低質(zhì)量圖像；關(guān)閉相機(jī)模塊的自動(dòng)白平衡功能，有利于防止圖像不穩(wěn)定。在智能搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械臂的視覺模塊中，還設(shè)置有二維碼識(shí)別功能，能幫助機(jī)器人在掃描目標(biāo)物體圖像的同時(shí)，獲取到準(zhǔn)確的任務(wù)信息。相機(jī)模塊中還具備鏡頭畸變矯正功能，能去除鏡頭造成的圖像魚眼效果，以保證圖像的真實(shí)性與可靠性，并在提高相機(jī)模塊識(shí)別效率的基礎(chǔ)上，最大化消除Oggtjdf3JcrWrMDtITty6wcfVVHpaP4MiMKnC9H2Aog=圖像的變形現(xiàn)象。

（三）智能搬運(yùn)機(jī)器人的循跡與定距抓取子程序

當(dāng)外界環(huán)境處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其空間結(jié)構(gòu)的變化幾乎可以忽略不計(jì)，在此條件下，智能搬運(yùn)機(jī)器人單片機(jī)可以及時(shí)處理傳感器傳輸?shù)乃行盘?hào)，并以此完成循跡與避障任務(wù)。當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)識(shí)別到障礙物時(shí)，智能搬運(yùn)機(jī)器人會(huì)在指令輸送的作用下，即刻采取減速處理，并保持緩慢行駛的狀態(tài)；紅外模塊在檢測(cè)識(shí)別到障礙物時(shí)，將即刻反饋低電平信號(hào)，讓智能搬運(yùn)機(jī)器人迅速停止直行，并在轉(zhuǎn)換方向后繼續(xù)行駛。而設(shè)計(jì)循跡子程序的目的在于實(shí)現(xiàn)對(duì)智能搬運(yùn)機(jī)器人行進(jìn)方向的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)與控制，從而合理規(guī)劃和設(shè)計(jì)行進(jìn)路徑。

基于微控制器的智能搬運(yùn)機(jī)器人中還包括定距抓取子程序，該程序的設(shè)計(jì)目的是保證機(jī)器人可以在最佳位置區(qū)域內(nèi)抓取目標(biāo)，使抓取作業(yè)的效率與精度得以提升。當(dāng)單片機(jī)接收到相應(yīng)模塊的控制信號(hào)時(shí)，機(jī)器人將會(huì)鎖定目標(biāo)抓取物體，并開始移動(dòng)；當(dāng)機(jī)器人自身行進(jìn)至最佳位置點(diǎn)時(shí)，定距抓取子程序?qū)?huì)輸出相應(yīng)的信號(hào)，令機(jī)器人即刻停止移動(dòng)并保持靜止穩(wěn)定狀態(tài)；最終由舵機(jī)控制具有高自由度的機(jī)械臂開始作業(yè)，以高效率完成目標(biāo)物體抓取工作。

三、結(jié)束語

綜上所述，隨著科技的迅速發(fā)展，智能化發(fā)展已成為各行各業(yè)的熱點(diǎn)。智能技術(shù)能降低人們的勞動(dòng)力付出比例，使得企業(yè)生產(chǎn)更自動(dòng)化，且生產(chǎn)效率也得到提升。

作者單位：沙印 陳虎威 江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院/機(jī)車輪轂電機(jī)智能驅(qū)動(dòng)工程技術(shù)中心 2023年度江蘇高等職業(yè)院校工程技術(shù)研究開發(fā)中心 “智能網(wǎng)聯(lián)工業(yè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)”工程技術(shù)研究開發(fā)中心

基金項(xiàng)目：2023年度省高校優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)：“基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧電驅(qū)系統(tǒng)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”科創(chuàng)團(tuán)隊(duì)。

沙?。?980.09-），女，漢族，江蘇江陰，碩士，副教授，研究方向：機(jī)電工程、電氣工程；

陳虎威（1985.04），男，漢族，江蘇靖江，博士，助教，研究方向：智能電網(wǎng)、車載通信、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等方面研究。

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