基于微控制器的智能搬运机器人的科技逻辑

摘要：智能搬运机器人已成为现代社会的重要搬运工具，本文探究了智能搬运机器人的科技逻辑。论述了微控制器在智能搬运机器人中应用的必要性，阐述了基于微控制器的智能搬运机器人软件程序设计，以期为广大科研人员提供参考。

关键词：微控制器；智能搬运机器人；科技逻辑

一、基于微控制器的智能搬运机器人整体设计

（一）智能搬运机器人的行进机构设计

作为智能搬运机器人的核心组成部分，其行走装置所对应的机械结构为行进机构，该机构主要职能为接收控制核心的命令，并驱动控制机器人实现循迹、避障、抓取等作业。对于智能搬运机器人的行进机构而言，存在两种不同的行进设计方案，分别为轮式行走与履带行走，虽然它们的作用机制存在差异，但两种行进机构设计方案都可以满足智能搬运机器人的控制需求。首先，轮式行走结构是指在智能搬运机器人的运行过程中，其自身往往需要消耗一定量的功率，用以实现对摩擦阻力的克服与滑转。若智能搬运机器人机体加装的行走机构为四轮式行走机构，则其自身的承载能力将有所提升。另外，由于这种机械结构相对简单，因此其具有较强的可控制性与易操作性。其次，履带行走机构的复杂度更高，其核心在于结合轮子与履带两个组成结构，能在更复杂的环境中发挥出优势与性能，以保障其正常行驶的稳定性。不仅如此，履带行走机构以其高稳定性与适应性，能跨越或躲避环境中的各种障碍。由此可见，履带行走机构是当前设计智能搬运机器人行进机构的首要选择。

（二）智能搬运机器人的抓取机构设计

在智能搬运机器人的整体设计中，抓取机构占据着重要地位，这也是人工智能与机器人学的主要研究课题之一。作为智能搬运机器人的抓取机构，机械臂往往被固定在智能搬运机器人的基座之上，具有较强的稳定性，但由于受到臂长、自由度等因素的限制，导致操作范围表现出一定的局限性。机械臂通常包含四个舵机，可以在远程手柄的控制下，抓取目标物体；而任意关节处均由舵机支架稳定连接，并通过驱动向舵机供电的方式，维持机械臂的正常运行状态。

除此之外，由于智能搬运机器人抓取机构的电力来源为锂电池，加之微控制器可以成功接收到的电压较小，因此在其中还需添加稳压模块，用以保障其抓取工作的正常开展。在抓取作业过程中，需要保持机械臂的准确度，让其可以在恰当的位置与姿态下移动和抓取，这对智能搬运机器人的自由度提出相对较高的要求。自由度是指机械臂可对相应坐标系进行独立运动的数目，对智能搬运机器人的灵活性具有重要影响。如果机械臂的自由度数量较多，则其运动的灵活性较强，就可以凭借自身更复杂化的设计结构，发挥出更强的通用性与可靠性。在自由度数量较多的情况下，机械臂可以完成不同形式的运动，并按照其运动方向分为两种类型，即沿坐标轴进行的平移运动与绕坐标轴进行的旋转运动。现阶段，比较常见的智能搬运机器人抓取结构为六自由度链式关节，其自由度数量可以与既定目标任务相匹配，从而使得机械臂能到达任意位置，以更好地完成各项抓取任务。

（三）智能搬运机器人的传感器模块与驱动装置设计

智能搬运机器人能高效地完成各项目标任务，主要依赖于其传感器模块。作为智能搬运机器人的感知结构，传感器模块能够全面采集外界环境信息，并根据数学函数法转换处理，以获取到相应的可用信号，便于智能搬运机器人后期完成高效的自主作业。另外，在智能搬运机器人的传感器模块中，搭配有五种不同类型的传感器，包括超声波、蓝牙、声音、循迹、灰度。在安装传感器模块前，需要加强调试处理，如调试声音传感器，能帮助智能搬运机器人在不同环境下感知到不同音量大小的声音，以保障其作业的灵敏度。而超声传感器在发出超声波的过程中，受到环境中各类杂质或分界面的干扰影响，则会出现相应的显著反射现象，并形成一定的反射回波，在此条件下识别到环境中存在活动的物体，则会出现多普勒效应。由此可知，智能搬运机器人应采用一定的措施防止前述现象，并利用渡越时间法，躲避环境中不同障碍。

而传感器中超声传感器模块的工作方式可归纳为三大模块，即超声模块、单片机、实物工作模块，其中，超声模块包含超声波接收装置与发送装置，能向实物工作模块发送相应的任务指令；在实物工作模块中，主要由信号波作用于相应的收发装置，并向单片机发送判定指令；在单片机工作过程中，首先需要精确测定机器人与物体之间的距离，随后判断该距离是否小于规定距离，如果小于，则搬运机器人只能继续前进并完成作业；反之则后退并右转完成相应作业。智能搬运机器人中，通常需要搭载一个倾角传感器，用以实现对机器人自身状态的实时检测，进而采取调控措施达到侧翻恢复的目的。

对于智能搬运机器人的驱动装置而言，通常为步进电机驱动装置，其关键组成部件为高精度的数字舵机，能更好地应对智能搬运机器人在作业中的各种突发情况。而驱动装置感知与采集所处环境中的相关信息时，需要经过一定处理后，将环境信息转化为相应的工作指令，再下发至各级执行机构。如果智能搬运机器人采集环境信息后，识别到其自身行进过程中出现堵转现象，则舵机内部将会自发启动保护措施，并调控履带后续的行进路线与方式。

（四）智能搬运机器人的循迹模块与避障模块设计

在智能搬运机器人的硬件系统框架中，循迹模块与避障模块能为机器人执行相应的搬运任务提供辅助调控作用。为了让智能搬运机器人保持正常运行状态，其中的两个循迹模块始终要参与检测作业，且与黑线无任何接触。若在作业过程中，智能搬运机器人检测到黑线，则其中的传感器会处理电平调变，且微控制器会做出及时的反应，即控制机器人沿左侧或右侧两个不同的方向行驶。通过微控制器的持续作用，有利于调整智能搬运机器人的行驶方向，使其整体保持直线状态行驶，从而达到有效循迹的目标。而在智能搬运机器人转向的过程中，需要控制其轮子的转速，确保差异性，如此一来，才能针对不同弯道的情况调整行驶状态。在智能搬运机器人的工作电路中，包括传感器与调理电路两个部分，其中，前者可以在红外发射管的作用下，通过发出红外线的方式检测外界环境，若得到返回信号，则表明地面中具有黑线；后者采用电压比较器对比外界环境中的两路电压。

要想实现避障模块，主要依赖于超声传感器的测距功能，该模块可以在智能搬运机器人的行进过程中持续发出超声波，若前方存在障碍物，则超声波将会立即返回；随后避障模块即可判断返回的超声波，并计算获取到与前方障碍物的距离，进而预设出一个恰当的临界范围。如果智能搬运机器人未在规定阈值范围内检测到障碍物，则可以继续行进并执行任务。此次课题中，避障模块设计所采用的是hc-sr04型超声波，其供电电压设定为5V，包括四个不同的引脚，并与微控制器的I/O接口相连。

二、基于微控制器的智能搬运机器人软件程序设计

（一）智能搬运机器人的工作流程

智能搬运机器人将STM32微控制器作为控制核心，首先定义一个固态函数库，随后将编译的所有工作任务程序存储其中。而编写不同器件的驱动程序，都需要在微控制器中完成。在程序的驱动作用下，STM32微控制器可以实现对智能搬运机器人系统的初始化处理，并应用符合工业标准的异步串行数据格式的外部设备与串口，处理数据交换。在此处理模式下，智能搬运机器人可以对自身的运行模式实时检测，并高效完成正常行进、超声避障、准确抓取等各项工作任务。此外，智能搬运机器人应用模块化编程处理方式，能更好地控制程序，进而成功获取到相应的若干个子程序，然后分别实现行进、识别、循迹、抓取、跟随等各项任务。

在程序执行开始，首先要对处理器初始化处理，该处理过程主要分为两个部分，即微控制器与硬件模块初始化，后者包括超声波模块与循迹模块的初始化步骤。智能搬运机器人的内部配置相对完善，具有微控制器的管脚配置、输出模式、时钟配置等，管脚配置与输出模式的作用在于采集遥控数据，时钟配置的作用是完成对定时器时间的设置，二者共同作用于机械臂，有利于精准抓取目标物体。同时，循迹模块与超声波模块在采集数据信息的过程中，需要判断外界环境中是否存在黑线，若检测识别到黑线，则智能搬运机器人需要沿着一定的线路行驶；若未检测识别到任何黑线，则机器人需要保持直行状态。当然，各模块还需要采集和判断外界环境中是否存在障碍物体，若存在障碍物，智能搬运机器人需要改变行进路线以躲避障碍物；若检测到外界环境中无障碍物，则机器人只需要保持直行状态即可。

（二）智能搬运机器人机械臂中的视觉模块设计

对于智能搬运机器人机械臂中的视觉模块而言，首先需要对感光元件初始化处理；随后应对相机模块默认的像素模式调整与设置，在常用的图像处理方法中，主要包括两种不同的像素模式，即色彩模式与灰度模式。相较于色彩模式而言，灰度模式具有更高的运行效率，但这种模式无法识别目标物体的颜色，所以，为了保障智能搬运机器人的实用性，通常选择色彩模式处理图像。对于设置相机模块的分辨率，可以选择分辨率种类具有极强的多样性；采用稳定模式处理视觉图像，能够过滤由于相机设置不稳定而产生的低质量图像；关闭相机模块的自动白平衡功能，有利于防止图像不稳定。在智能搬运机器人机械臂的视觉模块中，还设置有二维码识别功能，能帮助机器人在扫描目标物体图像的同时，获取到准确的任务信息。相机模块中还具备镜头畸变矫正功能，能去除镜头造成的图像鱼眼效果，以保证图像的真实性与可靠性，并在提高相机模块识别效率的基础上，最大化消除Oggtjdf3JcrWrMDtITty6wcfVVHpaP4MiMKnC9H2Aog=图像的变形现象。

（三）智能搬运机器人的循迹与定距抓取子程序

当外界环境处于相对稳定状态时，其空间结构的变化几乎可以忽略不计，在此条件下，智能搬运机器人单片机可以及时处理传感器传输的所有信号，并以此完成循迹与避障任务。当超声波传感器检测识别到障碍物时，智能搬运机器人会在指令输送的作用下，即刻采取减速处理，并保持缓慢行驶的状态；红外模块在检测识别到障碍物时，将即刻反馈低电平信号，让智能搬运机器人迅速停止直行，并在转换方向后继续行驶。而设计循迹子程序的目的在于实现对智能搬运机器人行进方向的精准调节与控制，从而合理规划和设计行进路径。

基于微控制器的智能搬运机器人中还包括定距抓取子程序，该程序的设计目的是保证机器人可以在最佳位置区域内抓取目标，使抓取作业的效率与精度得以提升。当单片机接收到相应模块的控制信号时，机器人将会锁定目标抓取物体，并开始移动；当机器人自身行进至最佳位置点时，定距抓取子程序将会输出相应的信号，令机器人即刻停止移动并保持静止稳定状态；最终由舵机控制具有高自由度的机械臂开始作业，以高效率完成目标物体抓取工作。

三、结束语

综上所述，随着科技的迅速发展，智能化发展已成为各行各业的热点。智能技术能降低人们的劳动力付出比例，使得企业生产更自动化，且生产效率也得到提升。

作者单位：沙印 陈虎威 江阴职业技术学院/机车轮毂电机智能驱动工程技术中心 2023年度江苏高等职业院校工程技术研究开发中心 “智能网联工业电机驱动”工程技术研究开发中心

基金项目：2023年度省高校优秀科技创新团队：“基于物联网的智慧电驱系统研发与产业化”科创团队。

沙印（1980.09-），女，汉族，江苏江阴，硕士，副教授，研究方向：机电工程、电气工程；

陈虎威（1985.04），男，汉族，江苏靖江，博士，助教，研究方向：智能电网、车载通信、电机及其驱动系统等方面研究。

参考文献

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