【倉庫運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)11000字（論文）】

摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展以及社會(huì)活動(dòng)的需要，目前就大多數(shù)物流分揀和大型流水線來說，人工分揀和人工搬運(yùn)會(huì)消耗大量的人力，物力更不能保障人們的安全。而倉庫運(yùn)輸機(jī)器人不知疲倦，節(jié)省了大量的人力，提高了效率并且在搬運(yùn)及分揀當(dāng)中不會(huì)因?yàn)槲锲返倪^大而造成人員的受傷，大大保障了人員的安全，因此倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的誕生和發(fā)展逐步成為社會(huì)的主流，就目前來說，倉庫運(yùn)輸機(jī)器人已經(jīng)占據(jù)了工業(yè)機(jī)器人很大一部分，人們可以通過編程來控制機(jī)器人來完成預(yù)期的工作。本設(shè)計(jì)對(duì)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的研究現(xiàn)狀展開調(diào)研，通過查找資料與分析設(shè)計(jì)出了自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人模型，該模型主要采用四驅(qū)小車為載體，以STM32單片機(jī)作為控制核心，通過紅外循跡模塊來檢測(cè)小車的行進(jìn)路線，通過超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障和測(cè)距，并且通過Aiduino和藍(lán)牙模塊調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)向來控制四軸機(jī)械爪抓取貨物，對(duì)各模塊反饋的信息進(jìn)行運(yùn)算處理，進(jìn)而控制小車的四個(gè)直流電機(jī)來控制行進(jìn)速度和轉(zhuǎn)角方向，使機(jī)器人將貨物放到指定位置。最后通過軟件編程使機(jī)器人完成一系列的動(dòng)作及路線。倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的出現(xiàn)對(duì)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了關(guān)鍵作用，使人力得到充分利用。在自動(dòng)化綜合領(lǐng)域，減少人力資源和更準(zhǔn)確的控制生產(chǎn)節(jié)拍，并且便于有節(jié)奏的加工生產(chǎn)，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：倉庫運(yùn)輸機(jī)器人；循跡；避障；單片機(jī)

1.緒論在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技的高速發(fā)展以及人類社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)的多方面需求影響下，倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的誕生是時(shí)代的產(chǎn)物。尤其在物流分揀和大型流水線的場(chǎng)景中，倉庫運(yùn)輸機(jī)器人有望代替人力成為主要的生產(chǎn)手段和模式。在當(dāng)前的人力資源運(yùn)輸中，不僅要耗費(fèi)大量的人力物力，還要耗費(fèi)大量的人力物力和防護(hù)裝備，而且存在成本高、效率低、安全不能保證、判斷錯(cuò)誤等諸多弊端[1]。相比人力而言，無論在構(gòu)造還是性能上人們都無法與倉庫運(yùn)輸機(jī)器人所比擬，而且倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在執(zhí)行作業(yè)時(shí)可以降低上述狀況帶來的損失，而且效率較高。倉庫運(yùn)輸機(jī)器人利用硬件和軟件編程實(shí)現(xiàn)多種作業(yè)與任務(wù)，在工業(yè)生產(chǎn)中，利用不同的終端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同零件的加工[2]。1.1研究背景及意義本課題的研究目的是設(shè)計(jì)和制造一臺(tái)自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，以替代手工作業(yè)，以節(jié)省人力、安全、節(jié)省人力，并以此為依據(jù)，減少成本。在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)飛速發(fā)展的今天，自動(dòng)化作業(yè)機(jī)器人已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用于科技、生產(chǎn)、加工、服務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域。相對(duì)于一般的人力，自動(dòng)化機(jī)器人的綜合性能是人力所不能及的。首先，倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，可以實(shí)現(xiàn)更高的工作效率，從而克服了勞動(dòng)生產(chǎn)率低、安全不保證、生產(chǎn)成本高的問題。其次，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人投入使用后，可以最大程度地降低或避免意外。利用機(jī)械臂取代人工，使加工與制造更有韻律。同時(shí)，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的工作壽命和工作時(shí)間超過了通常的人工工作時(shí)間，同時(shí)也降低了人工的使用[3]。降低勞動(dòng)強(qiáng)度、提高生產(chǎn)率、嚴(yán)格控制節(jié)拍是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的大勢(shì)所趨和必然要求[4]。因此，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的產(chǎn)生和發(fā)展將是這個(gè)社會(huì)和時(shí)代不能缺少和改變的需求。1.2自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人國外研究現(xiàn)狀自工業(yè)革命開始，科技逐漸成為第一生產(chǎn)力，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)相繼迎來了發(fā)展的新高度，進(jìn)而倉庫運(yùn)輸機(jī)器人市場(chǎng)也順勢(shì)而起。當(dāng)前，在一些不適合于手工操作的環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)大量的倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，如：高壓、高溫、粉塵、高危險(xiǎn)性、噪音大等環(huán)境[5]。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，行業(yè)生產(chǎn)需求日益增長(zhǎng)，倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在性能、數(shù)量上都無法適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展。倉庫運(yùn)輸機(jī)器人最初廣泛應(yīng)用于汽車流水線，主要用于搬運(yùn)體積大、質(zhì)量大、不易搬運(yùn)的坯料及工件，充分利用倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的承載能力優(yōu)點(diǎn)。目前，全球已有超過10萬臺(tái)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，主要用于自動(dòng)下料、自動(dòng)沖壓機(jī)生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱搬運(yùn)等。一些發(fā)達(dá)國家已經(jīng)設(shè)定了人力搬運(yùn)的極限，超出極限的作業(yè)只能由機(jī)械臂進(jìn)行。日本、美國是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展最快并且使用量最大的國家，1960年美國第一批生產(chǎn)了運(yùn)輸機(jī)器人，20世紀(jì)中葉發(fā)明了Versatra和Unimate，由Umination公司負(fù)責(zé)，并且首次用于搬運(yùn)工作[6]。目前來講，在機(jī)器人的研發(fā)和生產(chǎn)應(yīng)用等方面美國仍然處于領(lǐng)先地位。歐美一些發(fā)達(dá)國家采用機(jī)器人進(jìn)行工件裝配已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的主要載體，這也是現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展大趨勢(shì)。美國洛克福特工廠制造的160毫米口徑的彈體，它的重量大概在一百二十公斤左右，從原材料到組裝，都不需要工人來完成。采埃孚是德國最大的齒輪箱供應(yīng)商，使用了倉庫運(yùn)輸機(jī)器人來處理大型部件[7]。相對(duì)與美國而言，日本在機(jī)器人研發(fā)應(yīng)用方面雖然不能說比美國強(qiáng)，但是日本在機(jī)器人數(shù)量等方面也一直領(lǐng)先世界上很對(duì)的國家。日本與美國的智能搬運(yùn)機(jī)械公司進(jìn)行了深入的溝通，將先進(jìn)的機(jī)械加工技術(shù)引入日本，并將人力、技術(shù)資源整合到一起，到了20世紀(jì)90年代末，實(shí)際生產(chǎn)的自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人已達(dá)一萬多臺(tái)?？傮w而言，國外相對(duì)于國內(nèi)來說對(duì)機(jī)器人的認(rèn)知及研發(fā)生產(chǎn)比國內(nèi)較早。1.3自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人國內(nèi)研究現(xiàn)狀但是國內(nèi)也從來沒有停止對(duì)機(jī)器人的探索及開發(fā)，北京起重機(jī)械研究所于1975年研制成功了我國首款以電磁導(dǎo)航為主的自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，其導(dǎo)向模式與國外傳統(tǒng)的牽引式導(dǎo)向系統(tǒng)存在較大差異。為便于遠(yuǎn)程操作人員的管理，降低部分搬運(yùn)作業(yè)中的不必要環(huán)節(jié)，國產(chǎn)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人增加無線通訊裝置，以使之更加便利和實(shí)用。同時(shí)，在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用電磁導(dǎo)航技術(shù)，可以減少貨物的運(yùn)輸時(shí)間，提高整體倉庫的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，并能有效地處理單個(gè)商品[8]，適合食品加工廠等企業(yè)搬運(yùn)[9]。進(jìn)入90年代后為了提高生產(chǎn)效率，沈陽金杯汽車引進(jìn)了國外自動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，將多臺(tái)自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人投入到生產(chǎn)線進(jìn)行輔助生產(chǎn)。此后，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在國內(nèi)獲得了眾多企業(yè)的廣泛關(guān)注，更多企業(yè)想把自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人及相關(guān)技術(shù)投入到生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中以提高自身生產(chǎn)效率[10]。為了應(yīng)付雙十一的巨大物流分揀壓力，天貓集團(tuán)于2015年推出了Geek+團(tuán)隊(duì)開發(fā)的倉儲(chǔ)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，并將Geek+團(tuán)隊(duì)開發(fā)的智能倉庫運(yùn)輸機(jī)器人應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)物流生產(chǎn)揀選，及時(shí)分擔(dān)了雙十一貨物量猛增給企業(yè)物流帶來的壓力[11]。京東公司在2016年推出了自己的倉儲(chǔ)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，這種機(jī)器人具有體型小、占地少、可裝載300kg的貨物的優(yōu)點(diǎn)，可以充分滿足物流倉庫中的普通貨物。缺點(diǎn)是這種類型的倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，必須將貨物從架子上轉(zhuǎn)移至分揀平臺(tái)，再由人工進(jìn)行二次分揀[12]。目前國內(nèi)部分啤酒企業(yè)已將倉庫運(yùn)輸機(jī)器人用于生產(chǎn)啤酒，從而減少了生產(chǎn)中的損壞率，提高了工業(yè)的生產(chǎn)率，同時(shí)采用了先進(jìn)的控制系統(tǒng)，很大程度上的保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和連貫性[13]。盡管我國在自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人領(lǐng)域的研究比較滯后，投入到實(shí)際生產(chǎn)中的時(shí)間也比較短，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，我國已經(jīng)逐漸向自主研發(fā)轉(zhuǎn)變，與國外的差距越來越小。從目前的發(fā)展情況來看，國內(nèi)的自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人依然是最大的消費(fèi)市場(chǎng)。隨著市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品工藝的日益增長(zhǎng)，對(duì)自動(dòng)化的要求也越來越高，這也是自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人不斷升級(jí)和更新的動(dòng)力[14]。1.4本文研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容：倉庫運(yùn)輸機(jī)器人以電動(dòng)四輪驅(qū)動(dòng)小車為主要載體，搭載著STM32F103C8T6最小系統(tǒng)作為各個(gè)傳感模塊的控制核心?？傮w功能設(shè)計(jì)主要包括以下方面：通過循跡模塊檢測(cè)和調(diào)整自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的路線，通過避障模塊對(duì)自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人進(jìn)行避障和測(cè)距功能，通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來控制自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的行進(jìn)速度以及轉(zhuǎn)角方向，通過藍(lán)牙模塊和手機(jī)APP發(fā)送指令來調(diào)節(jié)舵機(jī)轉(zhuǎn)向和四軸機(jī)械爪抓取貨物。最后，單片機(jī)通過對(duì)各傳感模塊反饋的信息控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，使機(jī)器人將貨物搬運(yùn)到指定位置。最后，通過對(duì)系統(tǒng)軟件編程，實(shí)現(xiàn)一系列行進(jìn)及搬運(yùn)過程。章節(jié)安排：第一章為緒論部分，主要闡述了國內(nèi)外自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。探討了這一設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)和研究意義。第二章介紹了本設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案，并按照總體設(shè)計(jì)方案完成對(duì)硬件的選型，該步驟是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。第三章為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人各功能模塊的設(shè)計(jì)。該章節(jié)詳細(xì)論述了各個(gè)模塊的基本原理。第四章為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)部分。主要介紹實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所用到的各個(gè)模塊以及其實(shí)現(xiàn)的流程。第五章為系統(tǒng)調(diào)試，介紹了對(duì)本次設(shè)計(jì)從軟硬件方面的調(diào)試。2.倉庫運(yùn)輸機(jī)器人總體方案設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人，主要由控制器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、循跡模塊、通訊模塊組成，現(xiàn)確定如下方案：自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人從起始點(diǎn)出發(fā)，通過指定路線循跡到貨物位置，自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人停止循跡，操作機(jī)械爪抓取貨物，然后調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)繼續(xù)循跡，檢測(cè)到貨物放置點(diǎn)時(shí)放置貨物后循跡回到起始點(diǎn)。整個(gè)過程當(dāng)中自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人通過超聲波檢測(cè)到與障礙物距離小于10厘米，機(jī)器人將停止循跡，直到障礙物與機(jī)器人距離小于10厘米，繼續(xù)循跡。確定自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人主要實(shí)現(xiàn)功能如下：（1）經(jīng)單片機(jī)處理循跡模塊采集的軌道信號(hào)，從而控制機(jī)器人循跡行走。（2）經(jīng)單片機(jī)處理避障模塊通過超聲波采集的距離信息，對(duì)路線中的障礙物進(jìn)行避障。（3）通過舵機(jī)機(jī)械爪轉(zhuǎn)向角度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械爪抓取貨物。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2-1所示。圖2-1倉庫運(yùn)輸機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖2.2各模塊的選型2.2.1主控模塊的選型在主控模塊的選擇中，主要考慮51單片機(jī)和STM32單片機(jī)兩種方案。方案1：51單片機(jī)具有廣泛的應(yīng)用前景，但是它的運(yùn)行速度太慢，部分功能需要擴(kuò)充，對(duì)周邊器件的要求也很高，這將會(huì)加重軟件和硬件的負(fù)擔(dān)。方案2：STM32是意法半導(dǎo)體集團(tuán)開發(fā)的一個(gè)系列的微控制器[15]。STM32單片機(jī)本身就有許多的特點(diǎn)。STM32單片機(jī)包括增強(qiáng)I/O端口和APB總線，其中兩條APB總線與設(shè)備相連，可以很好地控制外部設(shè)備。此外，該處理器還可以依據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部特點(diǎn)對(duì)其內(nèi)部功耗進(jìn)行完善，從而與系統(tǒng)要求相適應(yīng)。具有十分豐富的界面和功能模塊，有完整的開發(fā)工具，有較多的開發(fā)材料，具有很好的實(shí)用價(jià)值[16]。結(jié)合上述兩個(gè)方案的對(duì)比，本設(shè)計(jì)選用STM32F103C8T6作為微控制器。圖2-2STM32F103C8T6實(shí)物圖2.2.2電源模塊選型在電源的正常供給下各模塊才能正常運(yùn)行，自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人才能有效的完成行進(jìn)路線和各動(dòng)作，因此電源模塊是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)保障。對(duì)于本系統(tǒng)供電需求，考慮了兩種供電方案：方案1：選用鋰電池進(jìn)行供電，經(jīng)過穩(wěn)壓后給自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人系統(tǒng)供電。對(duì)比干電池來說鋰電池儲(chǔ)電量更大，可以提供更久的續(xù)航時(shí)間，可重復(fù)充電，但成本較高。廣泛用于移動(dòng)電話、手提電腦、電動(dòng)工具、電動(dòng)車、街燈、航燈、小型家電。方案2：選用12V干電池，將12V的電壓經(jīng)過穩(wěn)壓器降壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他模塊供電。適用于手電筒，半導(dǎo)體收音機(jī)，錄音機(jī)，照相機(jī)，電子鐘，玩具等，并廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)方面，如國防，科研，通訊，航海，航空，醫(yī)學(xué)等。對(duì)本設(shè)計(jì)來說，選用了12V干電池作為電源，由于12V干電池在給主控芯片供電后也足以供給其他模塊，使各模塊能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，并且成本較低。2.2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選型為了讓倉庫運(yùn)輸機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，須采用電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置。目前市面上使用最多的是L298N和L293D。兩者性能對(duì)比如表2-1所示表2-1L293D、L298N性能對(duì)比表L298NL293D電路結(jié)構(gòu)雙H橋大電壓驅(qū)動(dòng)器單H橋集成電路最高工作電壓46V36V最高輸出電流3A2A額定電流2A1A驅(qū)動(dòng)電機(jī)個(gè)數(shù)2臺(tái)直流電機(jī)1臺(tái)直流電機(jī)性能電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)能力弱由表中的數(shù)據(jù)可以得出，L298N在各方面性能都比L293D性能強(qiáng)。并且L298N操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好等優(yōu)勢(shì)，也更適用于本設(shè)計(jì)成本以及性能等方面的需要，故選擇了L298N雙H橋直流電機(jī)作為本設(shè)計(jì)主要驅(qū)動(dòng)模塊2.2.4電機(jī)的選型對(duì)于電機(jī)選型主要有兩種方案：方案1：采用直流電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于它具有靈活、寬頻、運(yùn)行平穩(wěn)、噪音低、效率高等。方案2：采用步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)易操控，精密度比較高，沒有積累誤差。但其運(yùn)行噪音分貝大、高速狀態(tài)扭矩小、啟動(dòng)頻率較低等劣勢(shì)也比較明顯?；谏鲜霰容^，為了便于無級(jí)調(diào)速和節(jié)約成本，故本設(shè)計(jì)選用了直流電機(jī)。2.2.5循跡模塊該方案中的循跡模塊可以使自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人沿著黑色膠帶所規(guī)劃的路徑進(jìn)行自行移動(dòng)，在常規(guī)的設(shè)計(jì)中，一般都是通過紅外探測(cè)來完成。因?yàn)楹谀z與白紙之間的反光系數(shù)有差異，因此可以根據(jù)其特性來設(shè)計(jì)循跡[17]。本設(shè)計(jì)選用紅外對(duì)管實(shí)現(xiàn)該功能，其實(shí)物如圖2-3所示。圖2-3紅外對(duì)管實(shí)物圖2.2.6避障和測(cè)距模塊的選型為達(dá)到避障和測(cè)距的目的，本設(shè)計(jì)考慮了常用的兩種傳感器的性能并進(jìn)行了選型。方案1：超聲波傳感器，超聲波傳感器主要通過發(fā)射和反射聲波來完成。將物體放在傳感器前面，當(dāng)聲波與物體接觸后，會(huì)將聲波傳遞給傳感器，傳感器會(huì)根據(jù)聲波的傳播和接收的時(shí)間間隔來進(jìn)行測(cè)量距離[18]。超聲傳感器具有高精度、高分辨率、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占用空間小、耗能慢、探測(cè)距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。方案2：紅外傳感器，紅外傳感器通過發(fā)射紅外光和反射光來完成距離測(cè)量。紅外線照射在目標(biāo)表面，使其反射紅外線。當(dāng)紅外線傳感器再一次收到反射的光線時(shí)，可以用方程式來求出距離。但是紅外線感應(yīng)器易受到其它因素的影響而產(chǎn)生偏移或誤差。根據(jù)設(shè)計(jì)需求，采用了基于HC-SR04的超聲波傳感器來實(shí)現(xiàn)避障與測(cè)距的功能。當(dāng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人與前面的障礙之間的距離低于預(yù)定的10公分時(shí)，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人停止移動(dòng)。圖2-4HC-SR04實(shí)物圖2.2.7搬運(yùn)模塊本設(shè)計(jì)中，配合操舵控制器的角度轉(zhuǎn)換，利用機(jī)械手機(jī)構(gòu)來搬運(yùn)和卸貨，以完成物品的搬運(yùn)和卸載。本方案選用了SG90型舵機(jī)，其控制方式簡(jiǎn)單，便于與單片機(jī)接口，并可調(diào)整執(zhí)行機(jī)構(gòu)的角度。舵機(jī)實(shí)物如圖2-5所示。圖2-5舵機(jī)實(shí)物圖3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1控制模塊設(shè)計(jì)該部分主要包括循跡、避障、主控等模塊。3.1.1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)單片機(jī)最小化系統(tǒng)是一個(gè)最簡(jiǎn)單的工作環(huán)境，它可以使單片機(jī)在最短的時(shí)間內(nèi)完成程序。倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的處理器需要具備與外界的通信聯(lián)系，控制小車的馬達(dá)，以滿足要求調(diào)速，集成和處理各個(gè)模塊的信號(hào)等功能。本設(shè)計(jì)中選用了體積小但功能靈活、便于接口的STM32F103C8T6單片機(jī)最小系統(tǒng)板來實(shí)現(xiàn)以上功能。該系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示。圖3-1STM32F103C8T6最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)一般包括以下電路模塊：1、電源電路，電源電路為主控系統(tǒng)和各模塊提供正常工作的驅(qū)動(dòng)。由于各模塊的額定電壓值是不一樣的，所以在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊的降壓后，要把原來的12V的電壓轉(zhuǎn)換為每個(gè)組件所需的額定電壓。2、晶振電路，又叫時(shí)鐘電路。該系統(tǒng)能為主控芯片提供系統(tǒng)時(shí)鐘，為CPU和其它模塊的正常工作奠定基礎(chǔ)。晶振電路原理圖如圖3-2所示。圖3-2晶振電路原理圖3、復(fù)位電路，復(fù)位電路作為輔助電路?？梢詮耐獠恐匦聠?dòng)單片機(jī)，一般作用于上電階段或調(diào)試過程。其原理圖如圖3-3所示。圖3-3復(fù)位電路原理圖STM32F103C8T6最小系統(tǒng)版，其結(jié)構(gòu)主要是以Cortex-M3為核心，并與整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了集成。該系統(tǒng)不僅功耗低，性能高，成本低，而且系統(tǒng)的集成度得到了極大的提高，開發(fā)難度也得到了降低。3.1.2循跡模塊本設(shè)計(jì)采用了五個(gè)紅外對(duì)管作為主要硬件，該模塊并對(duì)周圍的光照有很好的適應(yīng)性。每個(gè)紅外線對(duì)管包括一根紅外線發(fā)射管和一根感光管。其原理圖如圖3-4所示。圖3-4紅外對(duì)管原理圖紅外發(fā)射管實(shí)質(zhì)上是由紅外輻射效率高的材料制成PN結(jié)，也就是可以單向?qū)щ姷亩O管。這種結(jié)構(gòu)通過將電流注入到PN結(jié)而激勵(lì)紅外光。光敏接收管是一種具有感光性能的PN結(jié)，它的結(jié)構(gòu)特征決定了它的單向?qū)щ娦?。無光照時(shí)，光敏管不導(dǎo)通。有光照時(shí)，則形成光電流。顏色不同反射能力也不同，黑色的反光能力較弱，白色有著較強(qiáng)的反光性。根據(jù)該原理，用黑膠帶在白色紙板上貼出小車循跡的路線。紅外線發(fā)射管持續(xù)地發(fā)出紅外線，打在黑色膠帶上，會(huì)產(chǎn)生很小的反射，從而使接收管無法接通；在紅外線照射在白板上時(shí)，感應(yīng)器會(huì)收到更多的光，從而使接收管導(dǎo)通。3.1.3超聲波避障模塊本設(shè)計(jì)中由HC-SR04超聲波模塊來完成自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的避障和測(cè)距，其原理圖如圖3-5所示。圖3-5超聲波模塊原理圖HC-SR04超聲波傳感器的原理如下：首先，I/O口輸出一個(gè)高電平，超聲波模塊會(huì)立刻發(fā)射超聲波，同時(shí)打開定時(shí)器檢測(cè)與ECHO相連的I/O口電位。當(dāng)收到返回的聲波時(shí)，ECHO輸出高電平，定時(shí)器關(guān)閉，此時(shí)定時(shí)器所讀取的時(shí)間就是超聲波傳感器從發(fā)出信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間[20]。由此，根據(jù)式(3-1)可計(jì)算出自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人與障礙物的距離。式(3-1)式中，c為超聲波直線傳播的速度，為傳感器測(cè)量的時(shí)間總和，n為測(cè)量次數(shù)，測(cè)量次數(shù)越多，得出的結(jié)果精度越精確，由三個(gè)參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)公式，即可計(jì)算出d，也就是自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人與障礙物之間的距離[21]。該模塊采用了多次連續(xù)測(cè)量法，以減少測(cè)量誤差。當(dāng)d的數(shù)值比程序設(shè)置的數(shù)值低時(shí)，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人停止。3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)在單片機(jī)接上L298N驅(qū)動(dòng)芯片相應(yīng)的控制引腳，即可通過單片機(jī)控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)以及速度大小。其原理圖如圖3-6所示。圖3-6L298N芯片原理圖該驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N驅(qū)動(dòng)芯片，可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)的同步運(yùn)行。該倉庫運(yùn)輸機(jī)器人包括四臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，在機(jī)器人的左右兩側(cè)分別裝有兩臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，通過相同的控制信號(hào)連接兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)。采用ENA、ENB兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)的有效控制，實(shí)現(xiàn)了正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、自由滑行和停止四種操作方式。3.3搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì)搬運(yùn)模塊主要由藍(lán)牙模塊、舵機(jī)，機(jī)械爪構(gòu)成。3.3.1藍(lán)牙模塊本設(shè)計(jì)選用HC-05藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向和機(jī)械爪完成貨物的抓取。其原理圖如圖3-7所示。圖3-7HC-05藍(lán)牙模塊原理圖HC-05是CSR的主流藍(lán)牙芯片，功能齊全，功耗低，價(jià)格便宜，是一種以藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)V2.0為基礎(chǔ)的數(shù)字傳輸模塊，具有3.3V的工作電壓，可設(shè)定的波特率在4800-1382bit/s之間，藍(lán)牙的工作頻率為2.4GHz，可以達(dá)到10米的距離，實(shí)際應(yīng)用中會(huì)根據(jù)場(chǎng)地不同而變化[22，23]。HC-05模塊通過藍(lán)牙遙測(cè)控制器與主控芯片相連，是藍(lán)牙APP與主控芯片之間的數(shù)據(jù)通訊橋梁，既能接收數(shù)據(jù)，又能傳輸數(shù)據(jù)。在接收端，負(fù)責(zé)接收由APP發(fā)出的用戶指示；在發(fā)送端，負(fù)責(zé)向APP反饋搬運(yùn)設(shè)備的各項(xiàng)狀態(tài)。HC-05模塊在與主控芯片的對(duì)接中，其主要功能是將HC-05模塊的串口發(fā)射、接收端與單片機(jī)的串口接收、發(fā)射端進(jìn)行通信。3.3.2舵機(jī)結(jié)合本設(shè)計(jì)搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)需求，選擇了SG90舵機(jī)作為該部分的核心硬件。其原理圖如圖3-8所示。圖3-8SG90舵機(jī)原理圖主要結(jié)構(gòu)包括：減速齒輪組、電機(jī)、電位器和控制電路。通過接收端將控制信號(hào)輸入到信號(hào)調(diào)制晶片中，并將其轉(zhuǎn)換成直流偏壓。通過對(duì)直流偏壓和電位計(jì)的電壓進(jìn)行比較，得到差值，然后將其輸出。最后，將差壓輸出至馬達(dá)驅(qū)動(dòng)晶片，以控制馬達(dá)的正反方向。在電動(dòng)機(jī)的速度不變的情況下，由串聯(lián)的減速器驅(qū)動(dòng)電位計(jì)，使電位計(jì)的差值變?yōu)?，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。通常情況下，舵機(jī)的控制要求在20毫秒內(nèi)完成，以180度角伺服系統(tǒng)為例，其脈沖幅值與馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角的相應(yīng)控制關(guān)系如下表3-1所示：表3-1脈沖幅值與馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)角的相應(yīng)控制關(guān)系表0.5ms0度1.0ms45度1.5ms90度2.0ms135度2.5ms180度在本設(shè)計(jì)中，在所有的控制算法都已完成之后，由單片機(jī)將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，并將其輸入至操舵系統(tǒng)。由于單片單片機(jī)僅依靠硬件的計(jì)數(shù)就能完成對(duì)控制信號(hào)的變化，所以它不會(huì)受到外界的干擾，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。3.3.3搬運(yùn)裝置設(shè)計(jì)搬運(yùn)裝置是由一個(gè)四軸機(jī)械爪通過Arduino和藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向來實(shí)現(xiàn)貨物的抓取和放置。Arduino原理圖如圖3-9所示。圖3-9Arduino原理圖4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1主程序設(shè)計(jì)自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人整體運(yùn)行是通過紅外光線、超聲波等信息的反饋分別通過紅外循跡模塊、避障模塊、接收并產(chǎn)生各種信號(hào)，然后來控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)小車行駛方向和速度的調(diào)節(jié)。再加上通過藍(lán)牙模塊與手機(jī)APP連接接受指令，通過APP發(fā)送指令來控制機(jī)械爪去抓取貨物?？傮w設(shè)計(jì)圖如圖4-1所示。圖4-1自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人主程序4.2避障程序設(shè)計(jì)本部分超聲波傳感器通過對(duì)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人周圍環(huán)境的探測(cè)，可以探測(cè)到其附近是否有無障礙物對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)產(chǎn)生影響，并對(duì)其與障礙物的距離進(jìn)行測(cè)量。在整個(gè)跟蹤過程中，都會(huì)觸發(fā)障礙物和測(cè)距的功能，通過超聲波傳感器將超聲波反射到障礙物上，再通過超聲波傳感器將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)，將其進(jìn)行整形反饋給單片機(jī)，使其按照反饋的信息工作。通過設(shè)定好的程序，在超聲波模塊探測(cè)到移動(dòng)機(jī)器人與障礙物的間距超過10公分時(shí)，機(jī)器人會(huì)繼續(xù)沿著軌跡移動(dòng)，在距離障礙10公分以內(nèi)時(shí)停止移動(dòng)。超聲波避障流程如圖4-2所示。圖4-2避障流程圖4.3紅外循跡程序設(shè)計(jì)該部分通過自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人前端底部的紅外線對(duì)管來檢測(cè)循跡路線，紅外發(fā)射對(duì)管發(fā)出紅外光線，從而根據(jù)接收到的不同光線轉(zhuǎn)換成不同的電阻信號(hào)，電阻信號(hào)通過外接電路轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)比較器轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為電平信號(hào)并輸出到單片機(jī)的I/O口。通過檢測(cè)到白色或黑色路面時(shí)紅外探頭相對(duì)應(yīng)的端口分別輸出低電平和高電平。通過傳感器的反饋單片機(jī)對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行逆向調(diào)節(jié)從而調(diào)節(jié)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)，通過中間三個(gè)紅外對(duì)管的反饋，從而調(diào)整自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在預(yù)定的路線上自動(dòng)循跡。自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人紅外循跡流程如圖4-3所示。圖4-3循跡流程圖4.3搬運(yùn)裝置程序設(shè)計(jì)該部分當(dāng)自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人到達(dá)搬運(yùn)位置后，機(jī)器人停止。通過人機(jī)交互界面給舵機(jī)和機(jī)械爪下達(dá)命令，調(diào)節(jié)舵機(jī)角度和機(jī)械爪狀態(tài)，使抓手合并抓取貨物。搬運(yùn)裝置流程圖，如圖4-4所示。圖4-4搬運(yùn)裝置流程圖5.系統(tǒng)調(diào)試驗(yàn)證5.1系統(tǒng)調(diào)試首先確認(rèn)電路是否正常，燒入程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，表示電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)無故障。然后燒入避障程序，在正常運(yùn)行的小車前面放上障礙物，小車在接近障礙物時(shí)停止運(yùn)動(dòng)，拿走障礙物后小車?yán)^續(xù)行走，說明避障模塊可以正常使用，然后通過手機(jī)APP連接藍(lán)牙模塊控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)和機(jī)械爪的操控，發(fā)現(xiàn)舵機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)并且機(jī)械爪也可以正常操控。從以上調(diào)試可以看出機(jī)器人的電路、電機(jī)、STM32主控、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、藍(lán)牙模塊等均可以正常使用。因此機(jī)器人整體系統(tǒng)調(diào)試沒發(fā)現(xiàn)問題。機(jī)器人整體圖片如圖5-1所示。圖5-1機(jī)器人整體圖5.2硬件設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)硬件按照自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人功能要求連接好每個(gè)器件的電源線，并且確保電源正負(fù)極不會(huì)接反，再將信號(hào)線連接到單片機(jī)上并且檢查每個(gè)引腳是否接對(duì)。安裝電池打開電源仔細(xì)檢查各路線是否有短路或者發(fā)熱現(xiàn)象。硬件組裝成品如圖5-2所示。圖5-2硬件設(shè)計(jì)圖5.3軟件設(shè)計(jì)5.3.1電機(jī)調(diào)試?yán)酶呻姵貫橹绷麟姍C(jī)提供12V的電壓，可以看到電機(jī)可以正常轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將正負(fù)極反接，電機(jī)開始反轉(zhuǎn)，則證明直流電機(jī)正常。然后在L298N驅(qū)動(dòng)模塊的兩路輸出口連接上準(zhǔn)備好的兩個(gè)直流電機(jī)，將單片機(jī)I/O口與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使能腳相連。當(dāng)外接電源給L298N驅(qū)動(dòng)模塊供電時(shí)，單片機(jī)發(fā)送給該模塊電平信號(hào)，根據(jù)電平的高低控制電機(jī)正常正反轉(zhuǎn)。接著連續(xù)改變ENA、ENB使能腳的PWM信號(hào)，這時(shí)會(huì)觀察到兩個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，則測(cè)試無誤。最后，調(diào)節(jié)直流電機(jī)速度，防止小車速度過快在循跡過程中產(chǎn)生較大偏差，最后調(diào)至合適速度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的理想的正常驅(qū)動(dòng)。如圖5-3所示為電機(jī)結(jié)構(gòu)圖。圖5-3電機(jī)結(jié)構(gòu)圖5.3.2循跡模塊調(diào)試啟動(dòng)電源后，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人沿著預(yù)定的路線行進(jìn)，起初因?yàn)樗俣忍?，很容易出現(xiàn)偏差，調(diào)整了速度后，機(jī)器人的軌跡循跡精度就會(huì)提高。但是，由于用于追蹤的紅外對(duì)管位置比較高，有時(shí)會(huì)受到光線的干擾，經(jīng)過調(diào)整后，將紅外對(duì)管置于小車的底部，通過調(diào)整電位器，提高了循跡的靈敏度，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的循跡結(jié)果準(zhǔn)確率大幅度提升。圖5-4為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人準(zhǔn)確循跡的實(shí)拍圖。圖5-4循跡實(shí)拍圖5.3.3避障模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)要求自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人在循跡過程中遇到障礙時(shí)，通過超聲波模塊持續(xù)地發(fā)出超聲波來進(jìn)行測(cè)距，當(dāng)機(jī)器人與障礙物的間距小于10厘米時(shí)，機(jī)器人將停止工作，超過10厘米時(shí)，機(jī)器人將繼續(xù)前進(jìn)。實(shí)驗(yàn)中，通過人工遮擋和設(shè)置障礙物等手段對(duì)其進(jìn)行了檢測(cè)，并取得了良好的效果。圖5-5為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人避障時(shí)的實(shí)拍圖。圖5-5倉庫運(yùn)輸機(jī)器人避障實(shí)拍圖5.3.4舵機(jī)控制模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的作用主要是通過Arduino主板和藍(lán)牙模塊控制轉(zhuǎn)動(dòng)角度使倉庫運(yùn)輸機(jī)器人前方用來搬運(yùn)的機(jī)械爪能順利搬放起物塊，在測(cè)試中機(jī)械爪容易出現(xiàn)失誤抓不到東西，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)是由于物塊太輕或者太小不太容易被抓起，在搬起時(shí)容易出現(xiàn)失誤。圖5-6為自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人搬運(yùn)貨物時(shí)的實(shí)拍圖。圖5-6倉庫運(yùn)輸機(jī)器人搬運(yùn)貨物實(shí)拍圖5.4聯(lián)合測(cè)試硬軟件調(diào)試后，自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人可以完成單程的搬運(yùn)作業(yè)。開關(guān)啟動(dòng)后，電機(jī)驅(qū)動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人行走和轉(zhuǎn)向，紅外對(duì)管發(fā)射管發(fā)射紅外光線到地面，反射后由接收管接收，并傳給單片機(jī)，進(jìn)行分析以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人循黑線行走。超聲波模塊會(huì)通過不斷發(fā)射超聲波，接收反射聲波來完成檢測(cè)距離，由于本設(shè)計(jì)的程序設(shè)定的測(cè)距值為10厘米，一旦自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人前方存在障礙物且距離小于10厘米，自動(dòng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人停止行進(jìn)。當(dāng)倉庫運(yùn)輸機(jī)器人左右兩側(cè)的紅外對(duì)管檢測(cè)到黑點(diǎn)時(shí)，機(jī)器人停止。由藍(lán)牙控制舵機(jī)調(diào)整搬運(yùn)機(jī)械裝置的角度以搬運(yùn)起物塊，然后機(jī)器人在合適的停頓時(shí)間后，機(jī)器人繼續(xù)行駛。當(dāng)機(jī)器人左右兩側(cè)的紅外對(duì)管再次檢測(cè)到黑點(diǎn)時(shí)此時(shí)，機(jī)器人停止，通過藍(lán)牙控制把貨物卸下，然后機(jī)器人在合適的停頓時(shí)間后，小車?yán)^續(xù)循跡支起始位置，然后接著下一輪的搬運(yùn)。6.總結(jié)與展望在全球經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的情況下，制造業(yè)的崛起應(yīng)運(yùn)而生，同時(shí)各領(lǐng)域正在向智能化方面發(fā)展。在此背景下我們需要一款自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人代替人們?nèi)ネ瓿赡切﹦诶壑貜?fù)的工作。本設(shè)計(jì)經(jīng)過整體設(shè)計(jì)、硬件選型及選型，軟件設(shè)計(jì)、硬件組裝、硬軟件調(diào)試等工作后，能實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的基本功能并將誤差和失誤減小到一定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)-避障-搬運(yùn)功能。有希望解決傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器臂只能固定在定點(diǎn)進(jìn)行搬運(yùn)的弊端。以下為本次設(shè)計(jì)完成的主要工作。（1）依據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，通過查閱資料分析搬運(yùn)背景和倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的國內(nèi)外現(xiàn)狀并明確了研究意義，從而引出自動(dòng)避障倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)。（2）倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的移動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是由12V干電池作為電源，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N模塊控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地面的自由移動(dòng)。（3）倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)為五個(gè)紅外對(duì)管組成，中間兩個(gè)為檢測(cè)循跡路線，兩邊各一個(gè)是為了檢測(cè)地點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)在規(guī)定路線內(nèi)重復(fù)運(yùn)動(dòng)。（4）倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的避障系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距避障，可精確判斷障礙物距離并且及時(shí)做出動(dòng)作。同時(shí)超聲波避障相比于紅外傳感器來講，超聲波避障不受光照影響，因此更適用于相對(duì)復(fù)雜的環(huán)境下。（5）倉庫運(yùn)輸機(jī)器人的搬運(yùn)模塊是由四個(gè)Mg90s舵機(jī)和Arduino以及藍(lán)牙模塊組成的四自由度