搬运机器人的研究与设计

吴年祥，张心全，徐传胜

(1.安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安　237001；　2.安徽永成电子机械技术有限公司，安徽 六安　237161)



搬运机器人的研究与设计

吴年祥1，张心全2，徐传胜2

(1.安徽国防科技职业学院 机电工程系，安徽 六安237001；2.安徽永成电子机械技术有限公司，安徽 六安237161)

研究一种在模拟工厂场地上能够按照规定的白色导引线路径行驶的移动机器人自动化装备。具有红色与蓝色工件的颜色识别，工件的抓取、搬运、组装、寻迹、避障等功能。通过在模拟工厂的场地上调试，机器人能够完成外径在240mm，重量在4kg左右圆柱体工件的红蓝颜色识别、工件的抓取、搬运与装配。

移动机器人；寻迹；脉冲宽度调制

随着工业技术的迅速发展，新兴产业的不断涌现，机器人技术在机械、机电、汽车等行业发挥着重要作用。机器人的研究和应用已成为衡量一个国家工业水平的一个标志。[1]在柔性自动生产线、自动化立体仓库与智能工厂中，机器人的行走、抓取、放置、装配等应用最广泛。作为机器人的后起之秀搬运机器人，在航天、航空、物流、服务、娱乐等其他领域正以惊人的速度发展，在某种程度上，机器人正在逐步改变着社会生产的劳动结构与生活方式。

1　系统总体设计

本研究的搬运机器人平台是2011到2013年全国“机器人应用技术”赛项的底盘，通过开发上部结构完成智能工厂里的巡线、定位等功能。也可以根据智能工厂装配任务与要求，在此底盘上进行寻迹、避障等外围各种控制电路的设计与制作。利用此机器人平台设计与制作主控制系统、寻迹处理电路、电机驱动电路以及软件编程算法实现整体机器人的控制，完成模拟智能工厂工件的组装与搬运。

智能工厂搬运机器人主要包含主控器系统、二排寻迹传感器模块以及信号处理模块、直流减速电机驱动模块、三坐标轴模块以及上部机械手等部件组成，系统结构框图如图1所示。

图1　移动机器人系统构架图

安装在搬运机器人底部靠前六分之一位置的光敏电阻和高亮发光二极管组成的16路灰度巡线传感器精准的探测场地上宽为30mm的白色引导线。[2]而安装在机器人底部正中间二分之一的位置16路灰度传感器进行二次定位和交叉线的方格数记录。通过模糊PID寻迹算法使机器人自适应调整预设位置、路径或十字路口转弯位置，然后将前后两排16路模拟信号分别传送至各自的信号运算电路。信号处理板对采集来的双16路信号进行同相比例电压放大，将其信号与标准电压进行信号进行比较，再通过稳压、反相输出到给单片机进行处理，同时16路发光二极管指示哪一路传感器在白色引导线上。

主控制接收传感器处理电路的高电平、低电平信号时，向主电机驱动模块传送左电机、右电机脉冲宽度调制控制信号与方向信号。改变两个脉冲宽度调制信号的占空比来控制左右电机的不同转速，方向信号来控制两个主电机的顺时针和逆时针，实现机器人的直行、左、右900和1800拐弯。[3]

当移动机器人到达目标装配台后碰撞微动开关触碰，机器人停止前进，通过主控制系统控制三坐标轴的电机带动滑块导轨左右、上下、前后行走。当安装在滑块导轨上的红外对射传感器垂直探头寻迹到调整后规定数量的黑线时，微控制系统控制电磁阀的通断，使SMC气缸与机械手动作完成车轮外圈、内圈与车轮轴等的夹取与放置。

2　系统硬件电路与机械设计

2.1主控制系统设计。

微控制系统是移动机器人控制的核心电路板，考虑机器人三坐标轴传感和机械手设计等所需要的扩展接口以及库房现有器件，选用常用的51系列单片机STC12C5A60S2作为搬运机器人的微处理器，负责搬运机器人各类信息采集、接收、信号处理、电磁阀通断、机械手动作等外部设备控制的重要任务。主控制系统模块框图如图2所示。

主控制模块含有十六路寻线传感器接口、8路扩展碰撞传感器输入接口，调速电机控制和不可调电机控制输出接口，一个外围扩展电路的扩展控制口。电路板内部电路有总线复用电路、8路扩展电路、程序下载模块电路、通信模块、主动轮左右电机输出模块、三坐标轴非调速电机模块等。

图2　主控制系统模块框图

8路扩展碰撞传感器输入端口可以用于机器人三坐标轴限位开关、碰撞限位开关、二次定位光电传感器、防止干扰避障传感器等。非调速电机输出端口接X、Y、Z三坐标轴电机、电磁阀控制。采集巡线信号的同时通过单片机向电机驱动模块发送电机脉冲宽度调制信号和方向信号控制主动轮行走速度和方向。[4]

2.2 16路传感器处理电路的设计。

考虑成本、基础性与通用性，机器人寻迹方面采用以光敏电阻和高亮发光二极管组成的16路寻线传感器。为了使搬运机器人在寻迹过程中更加稳定、迅速，增强移动机器人的巡线能力，提高其行走速度和准确性，采用主寻线传感器与辅助传感器配合的方式，一路负责寻迹引导线的高速行走的信号处理，另外一路负责定位与记录格数信号处理。

16通道传感器信号处理电路端口将传感器采集的寻迹模拟电压信号传送同相比例电压放大电路进行电压放大，并将其信号与标准电压进行信号进行比较，再通过稳压、反相输出到给单片机进行处理，同时16路发光二极管指示哪一路传感器在白色引导线上，如图3所示。但系统发现搬运机器人偏离引导线寻迹，主控制器通过PID算法优化寻迹调整。

图3　16路传感器信号处理框图

2.3主电机驱动电路设计。

主控制系统读取传感器处理电路高、低电平信号，分别向主电机驱动电路发送左、右电机脉冲宽度调制控制信号与方向信号。通过改变两个脉冲宽度调制信号的占空比来控制左右电机的不同转速，方向信号来控制两个主电机的顺时针和逆时针，实现机器人前进、拐弯，倒退等相关动作。电路框图如图4所示。

图4　主动轮电机驱动电路框图

当主控制器接收传感器电路处理的高低电平信号时，通过P14、P13分别向主电机驱动模块发送左电机、右电机的脉冲宽度调制控制信号LPWM，RPWM。左右两路PWM信号分别通过2路可靠性很高的双通道栅极驱动的MOS管高速功率器IR2110的单片式集成驱动模块输出到MOS管，MOS管的通断直接控制左、右电机[5]

由于搬运机器人在实际工作时存在反复正反转和启停，考虑机器人稳定和可靠性，电路当中使用继电器控制电机转向。主控制系统通过单片机P15、P12口分别向主电机驱动模块发送左电机、右电机的方向控制信号LDIR，RDIR。当左电机方向信号LDIR通过三极管Q1构成的大功率达林管推动继电器线圈是否通电，当LDIR为“L”时，Q1、Q3组成的复合管处在截止状态SDR12DC固态继电器常开触点状态不变，LO1与LO2形成正向电流使左边电机处于正转。当LDIR为“H”时，Q1、Q3组成的复合管处在饱和导通状态固态继电器常开触点动作，LO1与LO2形成反向电流，使电机反转。

2.4上部机构与机械手的设计。

当移动机器人按照规划的路线寻迹到达目标装配台后，主控制系统通过4路继电器驱动电机控制X、Y、Z三坐标电机带动滑块导轨按照左右、上下、前后顺序移动。当安装在滑块导轨上的红外对射传感器垂直探头寻迹到调试后规定数量的黑线定位标志时，X、Y、Z三轴电机停止。主控制系统通过继电器控制电磁阀的通断，使气缸与机械手共同作用将车轮轴搬运到车轮外圈里面、车轮内圈搬运到车轮轴上，再将整个车轮搬运到成品存贮台上，依次完成工件抓取、搬运、放置、组装任务。

装置中设计的机械手可以抓取圆弧形轴承外圈和内圈以及车轮轴，相比常用的一个机构手只能抓取同一种类的工件，提高了机械手抓取工件的效率，搬运机器人的机械手爪如图5所示，包括滑道(1)、两个气缸(2)两个滚动钢辊(2、3)、两个滚动钢辊(4)、两个固定板(5)、各两个内外夹紧件(6、7)、联结件(8)、两个固定连接板(9)、夹紧皮垫(10、12)、4040铝角件(11)。

图5　搬运机器人外部机械手的示意图

3　系统软件研究与设计

安装在搬运机器人底部的前后二排16路巡线传感器采集寻迹信号，单片机的PWM信号控制左右轮调速电机运行，使机器人沿着规划的引导线巡线运行，到达设定数量的白色引导线交叉点后进行转弯、停止、倒退等动作。主控制器查询机器人前端2个碰撞限位传感器信号来判断机器人到达工件存贮台或装配柱；再通过控制扩展电路板给X、Y、Z轴电机提供三自由度运动信号(垂直方向升降运动，水平面内左、右运动，水平面内前后伸缩运动)来实现二次定位。当每个运动方向的绝对位置信息确定后，系统三坐标轴的位移使用红外对射传感器进行定位。定位时按照先X轴左右平移方向位移再Z轴升降高度，最后确定Y轴前后伸缩量。

当机械手到达可以抓取工件的预设位置，对车轮等工件进行蓝色和红色的颜色识别，最后单片机给电磁阀通电信号，让气缸带动相关机构进行工件的抓取、搬运与装配，若没有完成任务继续巡迹，直到装配完毕。搬运机器人程序流程图，如图6所示。

图6　主程序设计流程图

4　系统测试与总结

将搬运机器人平台、三坐标轴、机械手等部件组装完成，在机器人硬件和软件调试完毕状态下，选择搬运机器人按如图7所示的一条黄色规划的路线进行，将1号存贮台上的红色车轮轴搬运到3号存贮台上的红色车轮外圈内，再通过前进，后退，转弯，校正等措施准确寻线，将2号存贮台上的红色车轮内圈搬运到放在3号存贮台上的红色车轮轴上，最后将组装完成的车轮外圈，内圈，车轮轴一起搬运到4号红色成品存贮台，顺序的完成抓取、搬运、放置、组装任务。

图7　搬运机器人测试路径与实物

经过反复的现场调试与程序修正，整机调试结果与问题分析如下。

(1)搬运机器人在多层板组成的模拟场地的引导线上，寻线电路板能指示哪一路寻迹传感器在白色导引线上。若不能指示，调节16传感器信号处理电路板上的电位器RW1，直到相关LED能指示哪一路寻迹传感器在底盘下的白色导引线上。

(2)搬运机器从蓝色出发区到2号存贮台之前，有时候偏离弯曲的白色导引线，原因是由于电机的速度设置过快造成的。通过软件当中PWM调整函数参数以及PID控制参数，即前排巡线输入函数和后排辅助巡线传感器输入函数内的中线偏差数据，使机器人在弯曲更稳定。

(3)当搬运机器人到达1号，2号，3号等存贮台后，有时存在定位不准确导致三坐标轴机械手不能准确抓取车轮轴，将车轮轴放到车轮外圈上等问题。原因是机器人底盘前端抱闸限位开关出现松动或三坐标轴直线导轨侧面黑色定位标志出现脱落，解决问题后，定位精确，成功率高。

经过以上实验结果与分析，最终搬运机器人能够按照预先设置好的路径巡线，完成工件红色和蓝色的识别,实现工件的抓取与搬运、并将工件成功分类装配完成,最终搬运到4号目标存贮台。由于该搬运机器人还处于研究当中，其稳定性有待进一步提高，尤其在寻迹程序方面和硬件定位方面要进一步研究与实践。

[1]吴晨晨.一种智能移动机器人通用控制系统研究与实现[D].南京:南京航空航天大学，2012.

[2]梁明亮，孙逸洁.竞赛机器人的设计与制作[J].电子制作，2011，210(9)：62-67.

[3]边述华,吴年祥.基于智能机器人的运动轨迹实验综述[J].安庆师范学院,2013,19(2):57-60.

[4]何峰.六轮腿移动机器人运动分析及控制系统的研究[D].南京:南京理工大学,2005.

[5]颜增显.基于单片机STC89C52智能小车设计[J].火力与指挥控制，2011，36(12)：198-201.

Class No.:TP24Document Mark：A

(责任编辑：蔡雪岚)

On Design of Transfer Robot

Wu Nianxiang1, Zhang Xinquan2，Xu Chuansheng2

(1.Department of Mechanical and Electrical Engineering，Anhui National Defense Vocational College，Lu’an，Anhui 237001,China;2.Anhui Yongcheng Electronic and Mechanical Technology Co．，Ltd，Lu’an，Anhui 237161，China)

This paper discussed a kind of mobile robot automation equipment which can be driven on the simulation plant site in accordance with the provisions of the white guide wire.The robot has the function of red and blue color recognition, the work of the grab, handling, assembly, search, avoid obstacles and other. By testing the site in the simulation factory, the robot can finish the outer diameter of the 240mm, the weight of the red and blue color recognition, the work piece of the grab, handling and assembly of the 4kg left and right cylinders.

mobile robot; tracing; PWM

吴年祥，硕士,实验师，安徽国防科技职业学院。研究方向:机器人智能检测与控制技术。

安徽省教育厅自然科学研究重点项目“基于双目视觉的无人引导运输装置的研究”(编号：KJ2015A448)，“基于嵌入式与zigBee技术的智能家居控制系统设计及实现”(编号：KJ2015A438)。

1672-6758(2016)06-0042-4

TP24

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