基于Arduino开发循迹避障装载机械臂机器车的研究

摘要：机械手臂是自动化制造流程中运用的一种具备抓取和移动工件功能的新型自动化设备，属于机械制造行业，是机械化和自动化相结合的产物。近些年，由于电子科技的进步，它有了飞速发展，因为它的应用领域广阔，发展前景良好。故本人以此为课题做了一个循迹避障装载机械臂的机器车。

循迹避障装载机械臂的机器车，以Arduino为主控制板，能够利用各类传感器收集车周围的环境信息，具备感知周围环境情况的功能，能够按照给定的命令完成相应动作。其中，红外线感测器和超声波感测器可以实现小车敏捷的循迹和避障，装载的机械手臂可以引导手指精准地抓住工件，并载运到所需的位置上。

关键词：Arduino微处理器;传感器;循迹;避障;机械手臂

第一章 绪论

1.1 课题研究背景以及研究目的

1.1.1课题研究背景

机械手臂是机器人技术范畴中获得最普遍利用的自动化机械装配，在产业制造、医院治疗、娱乐生活服务以及太空探究等領域都能可以看到它的身影。虽然它们的形态各不相同，但是它们都有一个共性，就是都能接纳命令，并精准地定位到三维上的某一点展开对应的任务。

第一代的机器人是示教再现型机器，就是运行开发人员提前准备好的程序，无论外界环境情况怎么样改变，都不会改变动作。第二代的机器人是带传感器的机器人，能对外界情况的改变做出相应的自身调解。第三代是智能型机器人，它可以操纵各类传感器来获得四周的环境情况，然后运用智能技术进行辨别、了解、推理，最终做出决定，能实现预定目的的高水平机器人。

现今，医疗机器人是国外机器人研究区域中最活跃融资最多的方向之一，各国研究人员开展基于遥控操纵的外科研究，用于培训和演练手术、剖解讲授等。

1.1.2课题研究目的

装载机械臂机器车能够操纵各类传感器收集四周的环境信息，具备感知周围作业环境的功能，可以按照给定的指令完成与之相对应行动的综合体。装载机械臂机器车在产业制造、抗震救灾、娱乐生活服务等行业被广泛的应用。

在产业制造中，常常流水线上的工作还需要人来上下料，既费时，又影响工作效率。它可用做零部件拼装、原料工件的载运、装卸，相当多是在自动控制机床、组合机床上运用更加广泛，机械手臂能够代替人类完成危险，反复又死板的工作，减轻了人类劳动强度，提高了劳动生产率。

在抗震救灾方面，该小车可以深入到人类没法到达的地区进行采矿，辐射区进行探测等。小车上装载有无线摄像机，可以在第一时间内传送图像到计算机，计算机进行显示，若有危险可以第一时间实施搜救，从而大大提高了工作的效率。

1.2 课题研究现状

1.2.1 国外研究现状

机器人在产业发达的地区获得了迅速发展。除日本外，世界上还有很多产业发达国家，如美国、前苏联的机器制造业也成长得非常迅速。虽然美国研发的机器人在数量上不如日本，但其技术水平占据上风。国外的机械臂在机械制造行业运用广泛，成长也非常快。可以用做压力机的上下料，点焊等，它可依照先前规定的作业规划来完成相应的操作。外地多个国家的机械臂的新趋势是设计开发兼具某种智能化的机械臂。装有的传感器能接受外界条件转变的信息，并且做出相应的响应。即使出现一些误差，也能自行检测，重点是钻研视觉功能和触觉功能，现已获得一定的成就。

1.2.2 国内研究现状

到现在，我国的机器人核心技术及其工程运用的程度和国外比还有一定的差距。我国经历了十几年的研发，现在在一些方面，如喷涂机器人、搬运机器人、装配机器人等，已经掌握了机器人的设计制造，配套设备的主动通信，调解控制技能。我国的机器人钻研开发与利用已获得了肯定的成绩，可是总的看来，我国的机器智能和工程利用的程度和国外的相比较另有必然的差距，从智能机器的数目和技能上来看，我们就有必然的差距。国际竞争日趋剧烈，对机器人的需求越来越大，我国的智能机器产业将面对新的成长机遇和挑战，因此我们必然要自主研发机器人高技能，处理生产前期的重要技术，努力推进我国的机器人生产的进程。

1.3课题研究意义

1.智能机器车，在很大程度上节省了劳动力同时提高了效率。

2.随着科学技术越来越发达，这种智能机器车在人类生活中会得到大规模的应用，人类也需要智能机器车来解决的问题和难题越来越多。

1.4课题所作工作及文章结构安排

1.4.1课题研究工作

本课题首先进行需求分析，主要计划机器车需要实现何功能，各功能之间如何串接等。在需求分析之后，组装机器车及机械臂，其次实现机器车及机械臂的各个功能，最后再进行各功能测试，通过测试找出不足，从而完善程序，优化算法，充分让用户享受机器车成果。通过研究Arduino板的各个部件和接口，掌握Arduino编程一些常用的命令，函数等。

第二章 初识Arduino

2.1 什么是Arduino

Arduino，是一个开放原始码的软硬件平台，组建于开放原始码simple I/O介面版，而且具备类似C语言的开发环境。它包括两个重要的部份：硬件部份是电路连接和Arduino开发板;软件部份是计算机中的程序开发环境即Arduino IDE。在此环境中编辑程序代码，接着将程序代码上传到Arduino电路板就好了。如下图2.1所示[2]

重要引脚介绍：

Power 引脚：开发板可提供3.3V和5V两种电压输出，Vin引脚可用来从外部电源为开发板供电。

Analog In引脚：此为模拟输入引脚，Arduino开发板可以读取外部模拟信号，其中A0～A5为模拟输入引脚。

Digital 引脚：UNO R3具有14个数字I/O引脚，6个可用于PWM（脉宽调制）输出。数字引脚用于读取逻辑值（0或1）。

TX和RX引脚：TX（输出）和RX（输入）的两个引脚用于串口通讯。

2.2 Arduino优势

Arduino不仅仅是全世界盛行的开源硬件，也是一个优异的硬件开发平台，更是在未来硬件开发的趋向。Arduino简要的开发方式使得开发人员更有精力去重视创造性与实现，更加有效的完成自己的研究项目，很大程度上节省了学习的成本，收缩了开发的周期。Arduino优势众多，在很多的开发平台中占据上风，而今越来越多的开发者使用Arduino来开发项目。

2.3 Arduino特征

主要特点如下：

1.共享源代码的开放平台，程序可自主下载，也可以按照个人需求去修改。

2.可以采取USB接口供电，也可以使用电池，无需外部电源。可以和各种传感器连接。

3.利用Arduino开发，突破以前只能利用鼠标和键盘输入的设备，可以更简单的达到互动的效果。[2]

2.4 使用心得及注意事项

Arduino开发给我的最大的感受就是用起来方便、简单。首先准备arduino开发板和一些要用的驱动和传感器，按照规定安装好。然后到官方网站下载arduino软件并且解压安装，安装此软件主要是为了将程序开发代码上传到控制板中，软件安装也很简单。其中最重要的一步就是配置端口，端口一定要配置正确否则上传代码的时候会出现错误从而导致代码上传不成功。

第三章 循迹避障装载机械臂机器车的总体设计

3.1 硬件设计

3.1.1功能结构

本小车的硬件部份分为如下几个模块：Arduino单片机、红外线传感器、超声波传感器、两个直流电机、机械臂、车身等。机器车以Arduino单片机为中心，红外线传感器安放在车身前下端，用于机器车循迹。超声波传感器安装在车身的最前端，用来探测前方是不是有障碍物。当超声波传感器碰到障碍物，将反馈信息发送到开发板，机器车做出向左方向转动的响应，再次检测前方是不是有障碍物，如果有障碍物则继续转动，没有障碍物则机器车前进，从而实现整个机器车的避障作用。小车在行驶的过程中遇到障碍物，机械臂可以将其障碍物移开，如果发生意外机器车侧翻了，机器车可以自动恢复至原来的状态。

3.1.2硬件系统框架图

本系统以Arduino为主要控制器，由电源模块、电机驱动模块、循迹避障模块、超声波测距模块、机械手臂模块等组成。系统框架图能直接的表现出小车具备哪些功能并且这些功能之间又如何的串接，所以设计的系统框架图必不可少，系统框架图如图3.1所示。

3.2 软件设计

3.2.1 Arduino语言

Arduino用的是扩展C语言，刚开始Arduino核心库是利用C语言来编辑，后期引进了面向对象的思想，当下最新的Arduino核心库采取C与C++联合编程。

3.2.2 Arduino IDE

如图3.2是运行界面。Arduino语言是一种扩展C语言。在软件的界面里有我们编程时经常使用的东西。当我们把鼠标放在功能圖标上，旁边就会出现该图标的功能。

Arduino IDE的菜单栏中有许多图标，例如"文件""编辑"等界面。在Arduino IDE中，每个Arduino程序都称为sketch，他是一个可以上传进Arduino中的程序包。Tools里面第一项是调整格式，当你的代码不整齐放到sketch里面，会有一些缩进的乱码，这时Auto Format就起到了很好的作用。

第四章 硬件模块

4.1各模块的基本性能

4.1.1 单片机模块

单片机是由运算器、控制器、主要寄存器三个模块组成的。Arduino实际上就是一个AVR单片机，如图4.1所示，具备ISP下载功能。输入电压：接上电脑USB时不必外部供电，若是外部供电电压在7V至12V。输出电压有两种：5V 直流电压输出与3.3V 直流电压输出。

4.1.2 电机、电机驱动模块

本设计采取双极性管构成的H桥电路（L298N）。利用单片机控制晶体管让其工作在可以调节的状态中，准确调解电机转速，这种电路效率很高。H桥电路能简单的实现转速和方向的控制，电子开关的速率非常快，稳定性也非常高。并且L298N有过电流保护功能，当电机出现错误时，可以保护电路与电机。这种调速方法具备很多优秀特征。从而选择功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

4.1.3 循迹模块

小车利用三个红外探头，分别安放在车前的左、中、右放向。利用红外线对不一样颜色的底面会产生的反射强度也不同的特征，在小车行驶的过程当中不断地向地面发射红外光，当该光线碰到白色地板时会产生反射，接着反射过来的光线会被小车上的接收器接收。如果遇到黑线时接收端接收不到红外光。Arduino单片机就以是不是有光线反射回来作为根据来规划小车的行走路线。

4.1.4 避障模块

本设计采取超声波测距模块，可探测2厘米至400厘米的距离，测量准确度可高达3毫米。

基本工作原理：采取IO口TRIG触发测距，给出起码10us的高电平。接着模块会发送8个40k赫兹的方波，自主检测是不是有信号返回;若有信号返回，则输出一个高电平，高电平延续的时间就等于超声波从发射到返回的时间。注：测试距离=[高电平延续时间*声速（340M/S）]/2。

4.1.5 机械臂模块

机械手臂是由执行机构、驱动机构和控制系统三大部件构成。手部实现各种转动、移动或组合运动来进行规定的动作。控制系统是借助对机械手臂各个自由度的电机的控制，来实现规定的动作，同一时间接收传感器的反馈，组合成稳固的闭环控制。控制系统最重要的部分是anruino控制芯片，通过编程实现所需功能。

机械手臂的执行机构分为手部、手臂、躯干;

1、手部

手部安放在机械手臂的头部。手臂的里面放置了传动轴，最后实现转动、伸张手腕、张开合并手指等动作。

手部类似人的手指，分为无关节、固定关节与自由关节3种。可以按照抓取物件的形状和大小装备各种形状和大小的手指以满足操作的需要。当中还有无手指的手部，一般都是真空吸盘和磁性吸盘两种。

2、手臂

手臂的功能是指导手指正确地抓住所需的部件，并转送到所需的位置上。为了机械手可以准确的运作，其手臂上的3个自由度全都需要精确地定位。

3、躯干是安装手臂、动力源和各种执行机构的支架。

第五章 软件模块

5.1 红外线循迹模块

1.功能实现

小车沿着黑线行驶。主要依据红外线传感器检测地面上的黑色和白色。将小车放在黑色线上，小车前进，当左边传感器检测到黑色时，小车往右转弯行走;当小车右边的红外线传感器检测到黑色时小车左转行走。按照需求可以自己修改两边的红外线传感器的判断来完成。

2.流程图，如下图5.1所示

5.2 超声波避障模块

1.功能实现。

超声波传感器先发送一个信号，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，接收到声波的时间就是超声波从发射到接收的时间。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点与障碍物之间的距离（s），即：s=340t/2。

2.流程图，如下图5.2所示

5.3 机械臂模块

5.3.1 行驶抓取

1.功能实现

此功能是在巡线与夹取的结合，在巡线的行走中，夹取挡路的物体。其实现的过程为小车在进行巡线行走（巡线可参照前面的智能巡线功能），当超声波检测到前方的物体到达设定值时则进行夹取放在小车的一侧。从而实现组合的功能。

2.流程图，如下图5.3所示

5.3.2 侧翻恢复

1.功能实现

此功能主要添加了 ADXL345 传感器进行控制，实现小车倒地时恢复成原始状态。将 ADXL345 传感器 x 轴往左，y 则往小车后进行安装。当小车往左边倾倒的时候，x 轴会减小，设定达到某个值时则认为小车已经倒地，则执行向左支撑小车的动作组;当小车向右倾倒时，x 轴回增大，到达设定值则认为小车往右倾倒，执行向右支撑的动作组。

2.流程图，如下图5.4所示

第六章 总结与展望

本文设计了循迹避障装载机械臂的机器车，该机器车能够运用各类传感器采集四周的环境信息，具备感知周围环境的功能，能够按照给定的指令实现规定动作的综合体。循迹避障装载机械臂的机器车以Arduino为主控制板，L298N直流电机驱动模块驱动直流电机，红外线传感器和超声波传感器结合可以实现机器车的循迹和避障，装载的机械手臂可以引导手部精确的抓住所需部件，并运送到需要的位置上。

随着科学技术的飞速发展，智能已成为高科技的热门词汇。智能机器人可以帮助人类解决许多人类无法解决或难以解决的问题。这种机器车在科学研究中也有广泛的应用前景。在现实中有许多危险的地方是人们无法涉足的。此时，智能机器车可以投入使用。它配备了摄像头来代替人们执行许多人类无法完成的工作。智能机器车的应用减小了人们的工作危险系数，解决了恶劣环境下探测的需求，这项研发可谓是一举多得。

在未来的社会生活中智能机器人也是大势所趋，而智能机器车是智能机器人中一类必要的构成部份。最近几年发展也是非常快速，完成了一系列学科的创新研究，其研究成果可应用于工业、农业、医院、太空等领域，在我们未来的工作与生活中，需要越来越多的机器人代替人来实现一些高难度的任务，机器人的需求也会越来越大。故机器人研发的前景是不可衡量的。

参考文献：

[1] AVR单片机入门与速成攻略. 高显生. 机械工业出版社. 2014

[2] 深入浅出AVR单片机. 江海波，王卓然. 中国电力出版社，2008.

[3] 电动机的单片机控制[M].王晓明. 北京航空航天大学出版社.2002

[4] Arduino高级开发权威指南.Steven F.Barrett. 机械工业出版社.2014

[5] S12单片机模块应用及程序调试[J]. 安鹏，马伟.电子产品世界. 2006.第211期. 162-163

[6] 模拟电子技术基础[M].童诗白，华成英.北京. 高等教育出版社.2000

[7] 常用电子元器件使用一读通[M].沈长生.北京. 人民邮电出版社.2004

[8] 机器人的创意设计与实践[M].宗光华.北京. 北京航空航天大学出社.2004

致谢

本设计及学位论文是在我的导师沈老师和李老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，沈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。八个多月以来，沈老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向沈老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在此，我還要特别感谢我的授课老师们，他们给予我很多的知识和很多做人的道理。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

作者简介：冶俊（1995.08-），男，回族，青海省民和县，本科 计算机科学与技术专业。

指导教师：李娜，沈亮

基金项目：西北民族大学国家级大学生创新创业训练计划资助项目（项目编号：201910742057）

（作者单位：西北民族大学数学与计算机科学学院）