一种智能式运料机器人的设计

2018-06-11张勇斌刘保国

长沙航空职业技术学院学报 2018年2期

张勇斌，刘保国

(1.郑州铁路技师学院，河南郑州 450041；2.河南工业大学机电学院，河南郑州 450002 )

随着微电子技术的蓬勃发展，机器人产品不断涌现出来，减轻了人的劳动，极大地提高了劳动生产效率。移动式运料机器人利用单片机作为控制单元实现无人操作，并具备寻迹避障、自动行驶、运料、翻斗旋转和卸料等功能，适合短途物料运输采用[1]。基于此目的，设计了一款智能移动式运料机器人。车完成如下动作[2]：黑白线循迹→走简单迷宫→沿规定的轨迹自动行驶→运料→翻斗旋转→卸料等系列动作，将工件从存储处送到运料车上。整体的设计任务流程如图1所示。

图1 设计任务流程图

1 设计任务

智能移动式运料机器人通过控制、驱动、执行、传动、导向等部分和控制软件共同实现智能

2 总体方案论述

采用单片机作为控制单元对电机进行控制。用4路分别放大的信号驱动四相五线的步进电机；步进电机与相应的齿轮、连杆连接起来，将螺旋运动转化为稳定的翻转运动。步进电机控制器采用微机或单片机作为控制部件。采用微机时，可通过 ISA 总线、并行端口、串行端口传送数据；需设计步进电机与微机的接口电路。采用单片机时，可选用 AT89S52；需设计单片机最小系统和步进电机与单片机的接口电路。总体功能如图2所示，方案设计如图3所示。

图2 总体功能图

图3 总体方案设计图

3 模块设计

3.1 行走方案的选择和确定

关于小车的行走方案，可以采取轮子、腿和履带3种可行的方案。综合考虑功能要求和设计原则，采用轮子实现小车的行走，既能很好的实现功能，成本较低，结构也简单可靠。考虑具体的工作环境，采用3轮结构：两个轮作为驱动轮，控制小车的前进、倒退和转弯；一个万向轮作为从动轮，使小车车身平稳，同时使小车保持较好的灵活度。

3.2 电机的设计

采用普通直流电机。直流电机的最大优点是调速特性，能够实现不同速度的运行，也能快速启动、反转和制动。

3.3 电机驱动方案的选择

采用H桥电路。将4个晶体管分两组，在单片机控制下通过交替截止、导通来控制电机。晶体管相应速度快，效率高、稳定性强[3]。步进电机驱动电路的选择如图4所示。

图4 L298电机驱动电路图

3.4 供电电源方案的选择

用一个电源。电源分两路，一路直接控制电机，另一路经稳压后控制电路：供电电路简单。如图5所示。

图5 电源电路

3.5 路面情况检测方案的选择

探测路面黑线的基本原理：通过光线照射黑线和白线后，反射的光强不同，被传感器接受后能够判断是黑线还是白线。采用脉冲调制的反射式红外发射接收器[4]。一方面能大幅度减小外界自然光的干扰；另一方面瞬时电流大，对信噪比有很大提高，而且反应灵敏、电路简单。

3.6 障碍物探测方案的设计

采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。

3.7 翻斗机构方案的选择

采用四连杆机构。电机承受的力矩会比较小，运行比较平稳。机构如图6和图7所示。

图6 四连杆翻斗机构图

图7 翻斗机构在小车上的布置

4 系统硬件设计

4.1 路面黑线检测的设计与实现

4.1.1 黑白线探测

路面黑白线检测主要通过黑白线检测传感器实现。黑白线检测传感器有效检测距离达5 cm，通过调节电位器，最远可以达到 10 cm（该距离下，检测黑白线的精度降低）。这款黑白线传感器可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便，还增加了探测距离调节器，改进了探测距离，加强了探测精度。

4.1.2 黑白线循迹方案选择

采用2个集发射与接收于一体的发光二极管分别通过AT89S52的端口P2.0和P3.5来采集地面的黑白反差变化，检测电路如图8所示。发光二极管发射一定强度的红外线照射地面，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。将2个传感检测器安装于小车前端车底盘下端，左右各1只。当小车行驶时，发射管发出红外线照地面，光线经过白线反射会被接收管接受到，输出低电平信号；当电动小车经过黑线时，由于发出的光线被吸收，这样接收管不能收到射线，传感器输出高电平信号。不论高电平还是低电平信号都是瞬时送达AT89S52单片机。单片机经过处理，判断并执行在单片机存储器中存储的预先编制好的程序，从而运行小车的行驶。

图8 黑白线检测电路

4.2 电动机驱动电路设计与实现

考虑到电压、电流的等级及尺寸、外观等因素，可选用集成电机驱动芯片L298。L298是双H高电压大电流集成电路，其输出脚（SENSEA 和SENSEB）用来连接电流检测电阻。表1为L298控制表[5]。Vs 为驱动电机的电源，Vss连接着逻辑控制的电源，通常为+5 V；IN1～IN4输入引脚用来控制H桥的接通和断开，采用标准TTL逻辑电平信号；ENA、ENB引脚为使能控制端，功率集成电路采用了SGB公司特有的Multiwatt塑料封装，15 个引脚，如图9 所示。

图9 Multiwatt15 引脚图和封装图

表1 L298 控制表

4.3 探测物料位置的传感器设计

采用一个集发射与接收于一体的红外传感器通过 AT89S52 的端口P1.0来采集前端的物料并作出相应的反应，检测电路如图10所示。工作原理为：发光二极管发射一定强度的红外线照射前端，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号，端口采集相应的电平信号调用子程序作出设定的动作。将传感检测器安装于小车前端车体底盘下，这样能够检测前端的物料。当正常行驶时，发射管发射红外光照射前方，光线碰到物料则反射后被接收管接收，端口输出低电平信号；前端有效距离内若是无障碍，则发出的红外线无返回，接收端接收不到反射光线，传感器端口P1.0输出高电平信号，若在有效距离内探测到物料，则发出的光线反射回传感器并被接收，传感器端口P1.0输出低电平信号，并将采集到的信号送AT89S52单片机处理，执行机械手夹紧动作。