小型辦公室物品傳輸服務機器人的硬件設計

葛云濤

(1. 天津市源峰科技發展有限責任公司 天津300222；2. 天津職業技術師范大學 天津300222)

應用技術

小型辦公室物品傳輸服務機器人的硬件設計

葛云濤1,2

(1. 天津市源峰科技發展有限責任公司 天津300222；2. 天津職業技術師范大學 天津300222)

當前競爭激烈的社會環境下，怎樣更合理地運用時間、有效利用人力資源已經成為企業、機關甚至一個國家在競爭中取得優勢的必要條件。基于此，開發了辦公室物品傳輸服務機器人。該設備以AVR單片機為核心，通過人機界面發給無線數傳模塊的指令要求以及傳感器自身對軌跡和障礙物的檢測自動調整位置，完成沿軌跡行走，準確到達呼叫地、目的地，從而達到點對點傳輸物品的目的。辦公室物品傳輸服務機器人主要包括便攜式電源、AVR單片機、無線數傳模塊、光電傳感器、直流電動機等。

服務機器人 硬件設計 AVR單片機 無線數傳模塊

當今社會，工作族的一天內有1/3甚至更多的時間是在辦公室度過的。根據社會調查，人們每天在辦公室要浪費很多時間，其中在傳遞資料、工具等物品上浪費的時間尤為突出。盡管互聯網節省了文件傳輸的時間，但出于網絡安全問題以及某些文件無法通過網絡傳遞的性質，辦公室內部或是辦公室之間資料、工具等物品的傳遞還沒有很好的解決方案。此次研究開發小型辦公室物品傳輸服務機器人可以為該問題提供一種解決方案，也希望為在同等領域內研究的工作者提供一些啟示，共同為機器人研究和經濟發展做出貢獻。

1 系統結構

1.1 基本組成部分

設計機器人就是希望其能代替人類做一些危險的或是繁瑣的事務性工作，所以要求機器人一定能夠具有類似于人的功能，也應具有相應的智能。辦公室物品傳輸服務機器人的結構由機器人的機構執行部分、傳感器、控制部分、無線傳輸模塊組成(見圖1)，它們分別相當于人類的腳、感覺器官、腦等。盡管外形與人類不同，但它具有類似人的一些智能，如發現前方有障礙可以自行躲避等。

圖1 辦公室物品傳輸服務機器人基本結構組成框圖Fig.1 Block diagram of the structure of office goods transport service robot

1.2 機械結構

1.2.1 底座的機械結構設計

辦公室物品傳輸服務機器人和其他移動式機器人一樣，行走功能是其最基本的也是最重要的功能。歷經多年來的發展研究與實踐，現在機器人應用中最常見的行走方式有輪式行走、履帶式行走和多足式行走等幾種。[1]結合此次設計的使用背景和實現要求，辦公室物品傳輸機器人在行走方面最重要的是平穩，而大多數辦公室的地面是平坦且較為寬闊的，所以履帶式和多足式機器人的優勢在辦公室內體現不多，而且履帶式和多足式在設計上較輪式更加復雜，所以該機器人采用輪式行走方式。

1.2.2 總體機械結構設計

此次設計的機器人名稱為辦公室物品傳輸服務機器人，顧名思義機器人的功能就是載著文件或工具等物品移動到指定地點，所以機器人的機械結構是模仿物品存儲柜的外形設計的，其目的就是能夠利用機器人有限的空間更多更好地放置物品。在機器人的頂面上有一組可供人設置信息的控制盤，由鍵盤和數碼顯示管組成，使用者可以通過鍵盤和數碼管的顯示輕松實現對其的控制。在機器人的正面，有兩個或多個大小不一的凹格，這樣設計的目的就是可以根據大小和種類來分別放置不同物品。機器人的外殼由鋼化玻璃板制作，這使得機器人的整體感觀效果更具觀賞性。[2]

2 系統設計選型方案

2.1 電機的選擇

對此次設計的簡易移動式機器人而言，驅動裝置需要具有控制簡單方便、價格便宜、重量和體積小、速度調節快速平滑等特點，而對其控制精度要求不高，所以采用普通小型直流電動機SGMADA(TG-38123000-30,K)。[3]

2.2 傳感器的選擇

此次設計對傳感器的要求主要是起到判斷和識別的作用。作為機器人的感官器件，其抗干擾能力要強，檢測范圍要寬，考慮到實際需要，選用檢測距離在5～20,cm之間的短距離光電傳感器(檢測黑色色帶)和檢測距離在150,cm左右的長距離光電傳感器(檢測障礙物)。

2.3 無線數傳模塊的使用

根據辦公室物品傳輸服務機器人設計的需要和應用場地的條件，加上對各種產品性能和價格的比較，采用微功率無線數傳模塊。

微功率無線數傳模塊提供標準RS-232/TTL/RS-485 三種接口方式，可直接與計算機、RS-485設備、單片機或其他器件連接使用。本設計中，用單片機來控制無線數傳模塊，所以最適合采用的就是TTL接口方式，因為它可以直接與單片機連接使用，RS-232/RS-485則都需要其他設備配合才能和單片機連接使用。無線數傳模塊應用原理圖如圖2所示：

圖2 無線數傳模塊應用原理圖Fig.2Principle diagram of the wireless data transmission module application

2.4 CUP控制器的選型

控制器是機器人的“大腦”，是機器人的核心部分，其主要功能包括：①設定機器人行動的規劃，使機器人有序工作；②了解辦公室工作環境，采集和存儲來自辦公室工作現場的信息，并對其進行相應的判斷和分析；③與外界進行信息的交互。

為完成上述功能，控制器必須具備一定的智能，能夠接收傳感器采集的信息以及無線數傳模塊的信息，并進行必要的數字計算，給出判斷結果，對各種機械裝置發出控制信號，同時能與外界進行交互通訊。

此次設計核心控制器采用的是ATMEL公司推出的嵌入式微處理器AVR-ATmega8和AVRATmega16單片機，它們都是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。

2.5 驅動電路方案的選擇

此次選用芯片L298來驅動直流電機SGMADA (TG-38123000-30,K)。驅動芯片L298是驅動二相和四相步進電機的專用芯片，利用它內部的H橋式電路來驅動直流電機。這種方法有一系列的優點：每一組PWM波用來控制一個電機的速度，而另外兩個I/O口可以控制電機的正反轉，控制比較簡單；電路也很簡單，一個芯片內包含有8個功率管，這樣就簡化了電路。如圖3所示，A路PWM從PB1輸出接L298的IN1，同時經反向器接IN2；B路從PB2輸出接L298的IN3，同時經反向器接IN4。L298的輸出OUT 1、OUT 2接一個電機，OUT 3、OUT 4接一個直流電極，PWM波經L298放大后驅動電機進行調速。[4]

圖3 L298電機驅動電路Fig.3 L298 motor’s drive circuit

3 硬件設計與具體實現方案

機器人的硬件設計包括主控制器的各項功能(電機驅動調速部分、CPU控制模塊部分、傳感器檢測和輸出指示部分、電源模塊部分、無線數傳模塊部分、鍵盤和數碼管顯示模塊部分)、電氣原理圖設計和PCB板的制作。

3.1 硬件總體設計

此次設計共用到3塊PCB板，每塊PCB板子上有1塊單片機(ATmega8或ATmega16)。在辦公室物品傳輸服務機器人下部的PCB板上主要包括電機驅動調速模塊、電源模塊、傳感器檢測和輸出指示部分以及1塊ATmega8單片機。辦公室物品傳輸服務機器人上部的PCB上板包括鍵盤輸入和數碼管顯示模塊、1塊ATmega16單片機、1塊負責接收信息的無線數傳模塊。還有1塊在總服務臺上，其上有1塊ATmega8單片機和1塊負責發送信息的無線數傳模塊。

3.2 電機驅動調速系統的實現

該機器人的首要功能是能夠移動，所以說其設計的成功與否首先取決于它的電池系統和電機驅動系統。移動式機器人的驅動系統一般由控制器、功率變換器及電動機3個主要部分組成。移動式機器人的驅動不但要求電機驅動系統具有高轉矩重量比、寬調速范圍、高可靠性等特點，而且因為電機的轉矩-轉速特性受電源功率的影響，要求驅動具有盡可能寬的高效率區。平常我們所使用的電機一般為直流電機，這是因為其控制簡單，性能出眾，直流電源也容易實現。此次設計使用的是SGMADA(TG-38123000-30K)型直流電機，電源要求是DC 12,V，驅動控制選用L298芯片。

3.3 傳感器檢測和輸出指示模塊

由于采用的傳感器信號低電平有效，所以單片機在初始程序時，設置與傳感器連接引腳為高電平。當傳感器有信號時，對應引腳為低電平，傳感器采集到相應信號，做出判斷并給執行器發出指令，執行響應的動作。同時傳感器也應有相應的指示電路，方便傳感器的調試。[5]

在設計中，傳感器主要起到兩個作用：①用長距離傳感器檢測前方障礙物，以免辦公室物品傳輸服務機器人和障礙物相撞；②用短距離傳感器檢測機器人行走軌道(黑色線帶)，以使辦公室物品傳輸服務機器人能夠沿軌道行走。

3.4 電源模塊的實現

考慮到本機器人的電源應用：電機驅動器需要+12,V直流電源供電、單片機及傳感器模塊需要+5,V直流電源供電，若對它們分別提供兩種不同的電池供電，那么在實際應用中必然會加大機器人的負載以及設計成本，大大降低車體運動的速度。故此次設計采用直接由＋12,V電源經過LM7805進行穩壓變換得到＋5,V直流電源，來實現電源供電。

3.5 CPU控制模塊的實現

此次設計共用到了2塊ATmega8單片機和1塊ATmega16單片機。其中的1塊ATmega8單片機主要負責通過PWM控制電機正反轉和接收傳感器的信號使機器人能夠沿軌跡行走；另1塊ATmega8單片機負責將遠程控制的鍵盤信號通過無線數字傳輸模塊發送到機器人主機，以便完成任務。ATmega16單片機負責鍵盤輸入任務和接收無線數傳模塊發送的任務并將任務傳送給ATmega8單片機來控制機器人完成任務。[6]

3.6 鍵盤及數碼管顯示模塊的實現

3.6.1 鍵盤設計

選用4*1鍵盤，它的位置在辦公室物品傳輸服務機器人的頂部，作用是使用者可以通過它讓辦公室物品傳輸服務機器人到達指定位置。[7]

圖4為機器人鍵盤的設計電路圖，圖中，S0為SET鍵，S1為數字＋1，S2為數字－1，S3為Enter鍵。當有命令給辦公室物品傳輸服務機器人時，先按下S0鍵才表明可以下達命令，然后通過按S1鍵和S2鍵確定要下達的命令值，最后按下S3鍵確定要機器人執行命令。

圖4 機器人鍵盤設計電路圖Fig.4 Robot keyboard design circuit diagram

3.6.2 遠程遙控辦公桌上的控制按鍵設計辦公桌上的控制按鍵是使用者用來召喚辦公室物品傳輸服務機器人到達辦公桌的控制裝置。它所發出的命令通過無線數傳模塊傳遞給機器人控制器，使機器人能夠準確到達呼叫桌前并完成任務。

圖5 辦公桌按鍵設計電路圖Fig.5 Design circuit diagram of desk button

如圖5所示，假設辦公室有6張辦公桌，每張辦公桌上都安裝1個按鍵(S0～S6)，如按下按鍵S0，則辦公室物品傳輸服務機器人將到達按鍵S0所在辦公桌前等待呼叫者使用。

3.6.3 數碼管顯示模塊設計(見圖6)

圖6 數碼管顯示電路圖Fig.6 Digital tube display circuit diagram

數碼顯示管在辦公室物品傳輸服務機器人的上方，隨著使用者對鍵盤的使用，數碼管將顯示不同的信息，它的主要作用是讓使用者更直觀、準確地給出命令。

3.7 無線數傳模塊的設計與實現(見圖7)

圖7 無線數傳模塊連線圖Fig.7 Wireless data transmission module chart

此次設計用到了2塊無線數傳模塊，它們分別起接收和發射信息作用。其中1塊無線數傳模塊與ATmega8連接，作用是把由ATmega8獲得的辦公桌按鍵信息發射給另1塊和ATmega16連接的無線數傳模塊，之后通過ATmega16和控制驅動電路的ATmega8通訊讓機器人根據接收到的信息執行動作。

3.8 可靠性措施與抗干擾技術

在實際設計時，電路的可靠性能是非常重要的。在調試中發現經常出現電源接反的現象，所以在電源模塊中增加了1個二極管串接在主電源回路中，如果輸入端電源方向接對，則系統能正常工作，否則主電源將被截斷。這樣就對系統的電機驅動器、CPU模塊以及其他電路起到了很好的保護作用。而干擾也是對于設計最不利的因素之一，在本設計中電機的起停將對機器人的整個系統產生較大的干擾，所以采用PCB板而不是普通的導線來連接。同時，在電路中加一些抗干擾電容以及其他的一些如PCB布線，減小干擾措施等，起到了較好的抗干擾作用。[8-9]

4 結 語

經過實際調試運行，上述機械結構、硬件電路設計基本符合控制要求，并能較好地完成預定的各項控制功能，解決了辦公室物品傳輸過程的時間浪費問題，相信經過進一步的智能化和工業化設計，辦公室物品傳輸服務機器人能夠規?；癁樯鐣?，成為人們辦公的得力助手。

［1］ 費仁元，張慧慧. 機器人機械設計和分析[M]. 北京：北京工業大學出版社，1998：5-85.

［2］ 城井田勝仁. 機器人組裝大全[M]. 北京：科學出版社，2002：20-78.

［3］ 王曉明. 電動機的單片機控制[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2002：1-97.

［4］ 爾桂花，竇日軒. 運動控制系統[M]. 北京：清華大學出版社，2002：88-93.

［5］ 黃繼昌，徐巧魚. 傳感器工作原理及應用實例[M].北京：人民郵電出版社，1998.

［6］ 王允上. 學用單片機制作機器人[M]. 北京：科學出版社，2012.

［7］ Parasuraman S，Ganapathy V，Shirinzadeh B. Fuzzy decision mechanism combined with neuro-fuzzy controller for behavior based robot navigation[A]. IECON’O3 [C]，2003.

［8］ Nefti S，Oussalah M，Djouani K，et al. Intelligent adaptive mobile robot navigation[J]. Journal of Intelligent and Robotics Systems，2001，30(4)：311-329.

［9］ 麥庫姆. 小型智能機器人制作全攻略[M]. 4版，北京：人民郵電出版社，2013.

Hardware Design of a Mini Type Service Robot for Office Goods Delivery

GE Yuntao1,2
(1.Tianjin Yuanfeng SCI&TECH Development Co.，Ltd.，Tianjin 300222，China；2.Tianjin University of Technology and Education，Tianjin 300222，China)

Facing severe social competitions，how to make use of time and workforce more effectively is becoming necessary for enterprises，government departments and even a nation.A service robot for office goods delivery is just designed to resolve these problems.The service robot takes AVR as the core and sends requests via the interface of man and machine to the wireless digital communication module and the test of sensor itself to track any obstacle and makes the robot adjust its position automatically，go along with the track and accurately arrive at the destination，thus attain the purpose of delivering goods from point to point.The robot mainly includes a portable power supply，AVR，wireless digital communication module，photo electricity sensor，DC electromotor and etc.

service robot；hardware design；AVR；wireless digital communication module

TP242

：A

：1006-8945(2016)09-0037-05

2016-08-01