基于單片機(jī)的遙控搬運(yùn)機(jī)器人

耿銀淼 李先豪 王玉芳

摘要：通過單片機(jī)編寫操控程序，再通過手機(jī)進(jìn)行操控，方便快捷，可以減少老人的體力，利用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自由旋轉(zhuǎn)，以及通過電磁閥操控氣缸，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手在水平方向以及垂直方向的移動(dòng)和機(jī)械手的吸取。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);手機(jī)遙控;搬運(yùn)機(jī)器人;氣動(dòng)

1引言

當(dāng)前中國(guó)正處于一個(gè)飛速發(fā)展的時(shí)期，尤其是經(jīng)濟(jì)方面，人們出于對(duì)美好生活的向往尤其是對(duì)于大城市的向往使得我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，進(jìn)而使農(nóng)村中的青壯勞動(dòng)力數(shù)量不斷減少城市中年輕人數(shù)量增多。雖然大量青年的注入使得各大城市發(fā)展加快但卻不可避免的造成了農(nóng)村出現(xiàn)大量留守的孤寡老人，極大地削弱了農(nóng)村的勞動(dòng)力，更使得城市與村莊之間的經(jīng)濟(jì)拉開了差距，尤其是那種偏遠(yuǎn)貧瘠的山區(qū)。

雖然“望子成龍，望女成鳳”是每個(gè)家長(zhǎng)的心愿，家長(zhǎng)們都希望兒女在外闖出一片天，但是大量青壯勞動(dòng)力的流失就使得農(nóng)村的留守老人面臨日常中的會(huì)有一些比較重的東西搬不動(dòng)卻又不得不去搬，而如果強(qiáng)行搬運(yùn)的話會(huì)對(duì)身體損傷的問題。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)初衷就是為了解決留守的孤寡老人在此方面的困擾，其次也是一次將機(jī)器人推廣并深入到我們生活中的一次機(jī)會(huì)。

2研究目的

基于上述情況我們選擇了遙控搬運(yùn)機(jī)器人來(lái)進(jìn)行研究，一方面也是為了解決農(nóng)村勞動(dòng)力日益減少的問題，另一方面是為了使機(jī)器人的使用推廣并深入到人群中。

當(dāng)然，此種類型的機(jī)器如用于快遞搬運(yùn)的智能分揀機(jī)器人，便可以將快遞取出并根據(jù)設(shè)定好的程序算法掃描然后將快遞帶到指定位置。再如，武警部隊(duì)中的拆彈機(jī)器人，通過電腦控制機(jī)器人去拆除炸彈。該機(jī)器人結(jié)構(gòu)精密，可通過電腦遠(yuǎn)程操控，亦可搬運(yùn)一些小型物體。然而這兩種種機(jī)器人卻并不適用于農(nóng)村，也不適合推廣深入到人們的日常生活中。二者各有利弊，前者成本低適用范圍廣泛但作用單一，后者成本高結(jié)構(gòu)精密但可以應(yīng)用的范圍廣泛。

本文所設(shè)計(jì)機(jī)器人通過單片機(jī)編寫操控程序，再通過手機(jī)進(jìn)行操控，方便快捷，可以解放老人的勞動(dòng)力。利用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自由旋轉(zhuǎn)，使機(jī)械手實(shí)現(xiàn)在水平方向移動(dòng);通過電磁閥控制氣缸與真空吸盤是機(jī)械手實(shí)現(xiàn)垂直方向的移動(dòng)和吸取的動(dòng)作。

3遙控搬運(yùn)機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)構(gòu)思

本機(jī)器人包含電動(dòng)、氣動(dòng)，并將電動(dòng)與氣動(dòng)結(jié)合為一體，通過APC220模塊^[1]接受手機(jī)信號(hào)并傳輸至STC89C52單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制。機(jī)器人采用模塊化設(shè)計(jì)分為供給模塊、行進(jìn)模塊、執(zhí)行模塊、控制模塊四個(gè)模塊。以控制模塊為技術(shù)核心，其余三個(gè)模塊為輔，采用機(jī)電一體化技術(shù)通過控制模塊接受手機(jī)信號(hào)支配其余三個(gè)輔助模塊實(shí)現(xiàn)需要完成的運(yùn)動(dòng)。

出于本機(jī)器人設(shè)計(jì)的初衷，即為了更好的解放農(nóng)村孤寡老人的勞動(dòng)力與在人群中更好更深入的推廣應(yīng)用機(jī)器人，所以本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人各部分零件會(huì)盡量采用通用型的，以便于維修與更換同時(shí)也可以降低制作成本。

采用智能手機(jī)藍(lán)牙控制而不采用遙控器的原因：現(xiàn)代社會(huì)智能手機(jī)幾乎人手一部，而且使用遙控器需要額外的給遙控器加裝電源，而且無(wú)形中增加了成本與耗材，再者遙控器一旦損壞不易維修。相反采用智能手機(jī)藍(lán)牙控制則沒有這方面的顧慮，不需要特地的制作遙控器的硬件與編程，只需要開發(fā)相應(yīng)的手機(jī)控制軟件就可以，甚至可以通過其他類似的軟件進(jìn)行兼容。

由于考慮到機(jī)器人未來(lái)主要應(yīng)用的人群與場(chǎng)景多位老人現(xiàn)場(chǎng)通過手機(jī)來(lái)操縱，所以在機(jī)器人前面加裝攝像頭便顯得有些雞肋了，更會(huì)使制作成本與難度增加，所以本機(jī)器人并沒有加裝攝像頭。

4硬件設(shè)計(jì)

4.1供給模塊

供給模塊，它又分為分為電源和氣源。

電源我們采用48V（3*16V或4*12V）20A的電池，為節(jié)省成本我們采用傳統(tǒng)的性價(jià)比高的鉛酸蓄電電池，并且由于鉛酸電池重量較大可加大機(jī)器人基座自重，能夠有效防止機(jī)器人搬運(yùn)重物時(shí)失重倒地。再者由于48V20A鉛酸電池多用于普通電動(dòng)車三輪車，所以不需要專門去配充電器，非常適用于農(nóng)村。且電源不僅要提供機(jī)器人前進(jìn)的動(dòng)力還要提供氣泵所需動(dòng)力。

氣源我們采用DC24V小型空壓機(jī)，因?yàn)榭諌簷C(jī)主要為氣爪夾持物體提供動(dòng)力，這就使得對(duì)空壓機(jī)壓力要求變低，意味著空壓機(jī)的體積、重量并不是特別大。機(jī)器人整體的體積與重量也就減少了很多。

4.2行進(jìn)模塊

行進(jìn)模塊采用2個(gè)24V直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，置于前兩個(gè)輪，后兩個(gè)車輪采用萬(wàn)向輪。我們通過L293D芯片控制驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該芯片驅(qū)動(dòng)方式比較簡(jiǎn)單，由美國(guó)德州儀器（Texas Instruments）生產(chǎn)的微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，支持Vcc 4.5～36V，最大輸出電流為1A^[2]，正好適用于我們24V直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)前輪連接的兩個(gè)直流電機(jī)。為適應(yīng)農(nóng)村地形，所以需要對(duì)車輪加裝履帶以加大摩擦力，防止車輪與地面產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

4.3執(zhí)行模塊

執(zhí)行模塊由機(jī)械臂和步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成，步進(jìn)電機(jī)置于機(jī)械臂下方一個(gè)步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的;同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。其次它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一，廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。步進(jìn)電機(jī)主要用于連接底座并控制機(jī)械臂的方向，通過邏輯門電路給步進(jìn)電機(jī)提供電子脈沖。

機(jī)械臂上通過雙作用單出桿活塞式氣缸來(lái)調(diào)節(jié)機(jī)械臂的伸縮。由于電動(dòng)抓取物體不能很好的掌控力度，也不能抓取不規(guī)則形狀的物體如雞蛋、玻璃杯等，所以這款機(jī)器人的機(jī)械爪采用多個(gè)真空吸盤組合。

5軟件設(shè)計(jì)（控制模塊）

控制模塊通過單片機(jī)接受手機(jī)控制平臺(tái)發(fā)出的前進(jìn)、后退左右轉(zhuǎn)向、機(jī)械臂伸縮及抓取物體的信號(hào)并傳輸至STC89C52單片機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一控制。控制電路、氣路及各元件完成相應(yīng)動(dòng)作以達(dá)到我們所需要機(jī)器人完成的一個(gè)個(gè)具體的動(dòng)作。

手機(jī)控制平臺(tái)是開發(fā)該控制系統(tǒng)的手機(jī)APP軟件，手機(jī)與機(jī)器人的信息傳遞通過藍(lán)牙技術(shù)實(shí)現(xiàn)。控制模塊以89C52RC單片機(jī)為控制核心STC89C52RC是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但是做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52

為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案^[3]。

下面是小車的行進(jìn)部分的部分程序：

case?'A'：?//前進(jìn)

P0=0xf5;//P0的低四位控制驅(qū)動(dòng)芯片，當(dāng)接收到0101時(shí)，兩個(gè)輪子正轉(zhuǎn)，故向前，以下同。

break;

case??'B'：?//右轉(zhuǎn)

P0=0xf9;

break;

case?'C'：//左轉(zhuǎn)

P0=0xf6;

break;

case?'D'：//后退

P0=0xfa;

break;

6結(jié)語(yǔ)

本文介紹的遙控搬運(yùn)機(jī)器人主要針對(duì)的是農(nóng)村勞動(dòng)力日益減少這一問題，相比于普通的快遞行業(yè)中的智能分揀機(jī)器人適用范圍更為廣泛，比拆彈機(jī)器人結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更易于操作，成本更低。本機(jī)器人甚至不僅僅局限于農(nóng)村幫助老弱，還適用于其他地方。再者采用真空吸盤抓取物體更能有效避免純電動(dòng)機(jī)械手抓取易碎物體時(shí)的失誤，更為安全可靠，結(jié)構(gòu)為更為簡(jiǎn)單。并且零件的通用性使得其便于維修與更換零件。

參考文獻(xiàn)

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（作者單位：山東英才學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院）