基于Arduino的家用搬運機器人設計＊

趙 莉，溫偉東

（1.隴東學院電氣工程與信息工程學院，甘肅 慶陽 745000；2.中國鐵塔股份有限公司慶陽市分公司，甘肅 慶陽745000）

1 概述

生活中，機器人這一名詞并不陌生，從工業到農業，從軍事到科學，機器人無處不在，但多數人對機器人存在一定的誤解，機器人不一定具備手、眼睛、腿這樣類似人一樣的肢體，如滅火機器人、自動掃地機器人，機器人是按照人們的意愿完成某些特定動作的機器[1-2]。

智能機器代替人力已經在各行各業有明顯的體現，尤其在制造行業，機器人的出現解放了大量勞動力。隨著機器人技術的發展與完善，對機器人的需求逐漸增加，未來智能裝備替換勞動力是必然的趨勢[3-4]。機器人有著效率高，降低生產成本和提高產品質量的優點，實現人工難以達到的精準操作，在制造業中可提高制造裝配準確度，使其達到0.01mm，并能夠從事危害性工作，到常人難達到的地方，它已經備受各行各業喜愛，同時，也給人們和企業帶來了大量的效益和便捷[5-6]。

機器人可運用于制造、安裝、檢測、物流等生產環節，制造中包含產品的精確組裝和質量檢測以及物流包裝[7-8]。機器人代替勞動力發展極快，同時提高的生活質量，機器人可以做到人們做不到的事，在合理程序作用指引下，可以模擬人的性格，代替兒女陪伴老人，使老人們不再感到孤獨[9，10]。

基于此，本文研究了機器人如何通過特定操作來實現搬運功能。依據系統的功能，選取了恰當的控制芯片；通過軟硬件結合，采用模塊化技術，選用Arduino作為主控制系統，系統包括控制模塊、機械臂搬運模塊、藍牙通訊模塊、驅動模塊和太陽能充電模塊等，實現了機器人可通過遙控設備將物品搬運到指定地點的遠程控制，并由機械臂完成三百六十度無死角選擇并抓取物品，同時系統可進行太陽能自給充電；系統調試進一步驗證系統具有良好的控制性能和控制精度。

2 總體方案設計

家用搬運機器人的設計分為控制模塊、通訊模塊、太陽能充電模塊以及機械臂搬運模塊，可通過手機APP進行控制。

本系統由藍牙與芯片內部通訊，進而驅動電機，對機械臂進行控制。在光照的作用下，太陽能電池板可發出5v電壓，及時補充電能。總體方案原理圖如圖1所示。

圖1 家用搬用機器人的總體方案原理圖

所研究的家用搬運機器人，通過無線控制完成搬運重物，具體功能如下：

1）能實現遠程控制；

2）可通過遙控設備將物品搬運到指定地點；

3）可三百六十度無死角選擇物品并抓取；

4）可進行太陽能自我供給電能。

2.1 控制芯片選擇

方案一：IAP15F2K61S2單片機，采用串口下載的方式，儲藏容積大，在燒錄程序時，相對于Arduino較復雜，并且，計算速度慢。它可以在程序中進行操作，掉電后數據也不會丟失；方案二：Ardiuno主板，Arduino可以不用了解其內部硬件結構和寄存器設置，僅僅知道它的端口作用即可。只要會簡單的C語言，就可用Arduino編寫程序。相比較于其他的開發板，處理數據的速度快，制作成本低。

根據以上的分析，結合系統的要求選擇方案二Ardiuno主板。

2.2 電源芯片選擇

方案一：LM7805三端穩壓器。該穩壓電源需要的外圍元件較簡單，由LM78/LM79系列三端穩壓IC來構造，電路內部還具備過流、過熱和調整管保護電路，使用便捷，成本低廉；方案二：AMS1117-5.0穩壓器，AMS1117是一個正向低壓降穩壓器，固定輸 出 電 壓 為 1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精確度。

通過對以上方案的對比，因LM7805的價格相對便宜，其性能也比較穩定，外圍電路相對簡單，所以選擇LM7805為系統電源處理芯片。

2.3 遙控模塊選擇

方案一：BC417藍牙無線模塊和紅外發送接收模塊為此系統的兩個無線控制模塊。BC417是藍牙集成模塊，使用起來方便有效；方案二：紅外遙控方式目前主要運用在電視、機頂盒、空調、投影儀上，由于紅外遙控的的成本比較低，所以采用紅外線模塊來進行對小車兩個電機的控制。

通過對比可知，BC417藍牙無線模塊，其單個模塊可作為發送（TXD）端或接收端（RXD），無線收發模塊已經高度集，可直接使用為的成品模塊，所以選擇BC417作為系統的通訊模塊，對小車用紅外線控制。

3 硬件設計

利用Arduino作為主控芯片，結合藍牙通訊、四自由度機械臂、光伏充電、紅外線控制等技術來實現對家居環境中難以搬動的物體進行搬運的智能控制裝置。該系統具有無線控制功能，方便操控、成本低。通過BC417藍牙通訊模塊將機器與手機連接到一起，BC417簡單，抗干擾性強，可用于小范圍控制，適用于家居環境。同時，制作太陽能充電模塊達到供給電能的目的。

3.1 總體設計

經過對模型的設計與元器件的選擇，確定總體設計電路圖如圖2所示。

圖2 總體設計電路圖

3.2 控制電路設計

本文設計采用ATMEGA328P-AU芯片作為主控制芯片，它是一種高性能，低功耗微控制器，結構耐力強，可上電復位、編程、檢測，并且外部和內部中斷源包括六個睡眠模式：空閑，ADC降噪，電源保存，關閉，待機狀態和待機擴展。其性能遠遠優于單片機，這里采用封裝好的芯片作為控制電路的主板。

3.3 通訊模塊設計

藍牙模塊可以與有藍牙功能的手機或者電腦相連接，設計中所采用的BC417具有安全性高和穩定性好的特點。藍牙適用于近距離的無線控制，通過Arduino對藍牙模塊進行控制，建立藍牙模塊與手機之間的通信，達到手機對機器人控制的目的。藍牙電路原理圖如圖3所示。

圖3 藍牙模塊電路圖

3.4 控制電路設計

電源模塊是整個電路的關鍵，由于該設計采用的舵機功率比較小，所以我們可直接采用5伏電源供電。如圖4所示，該系統將9v電源整流為5v電源給電路供給電能。在所設計的電路中，電源部分需要同時向三處供電，分別為Arduino主板、機械手、驅動電路。

圖4 電源模塊原理圖

3.5 驅動模塊設計

MX1508芯片適合于驅動電動玩具車的轉向輪及后輪驅動。該電路工作電壓范圍從2V到10V均，具有耐高溫的性能，同時可保護電路，轉向輪驅動和后輪驅動是由它控制的電流所決定的，在轉向輪子上流過的電流小，動作輕，而驅動輪是它的兩倍之多，提供強大的動力。該驅動電路內置過熱保護電路。由于通過驅動電路的負載電流大于電路的最大電流，所以電路內部芯片的溫度將會快速升高，一旦超過設定值，系統內部電路將立即被關斷，切斷負載電流，避免燒毀電路。在確保電路恢復到安全溫度后，才允許再次對電路進行控制。MX1508驅動模塊主要是對于小車底座的雙驅電機進行驅動。

3.6 搬運模塊設計

家用機器人搬運模塊由機械臂來操作完成，通過手機控制端發送指令到藍牙模塊，再執行所發指令選擇相應的模式，分別控制每一部分的動完成。其機械臂由四個舵機來控制，舵機由直流電機，變速齒輪、控制電路板和可調電位器構成。

4 軟件設計

4.1 主程序設計

家用搬運機器人的編程是基于C語言進行的，編程工具是visual c++，將舵機分別連接到控制板A0，A1，A2，A3接口，相應的接口將其分別定義為0，1，2，3， 其中 A0，A1，A2，A3 分別連接爪舵機，小臂舵機，大臂舵機和旋轉舵機，其控制部分程序如下:

主程序流程圖如圖5所示，每一個模式選擇后都有相應的延遲時間，延遲時間設定為10s，延遲的主要作用是防止抖動的，也就是說，延遲前和延遲后按鍵為同一個鍵才確認是按鍵按下，否則認為是錯誤的操作，系統不作處理，這也是一種抗干擾的措施。

圖5 主程序流程圖

4.2 通訊模塊軟件設計

當程序檢測到右轉信號時，則執行右轉動作，否則直接跳出程序；當程序檢測到左轉信號時，執行左轉動作，否則直接跳出程序。同樣地，在藍牙模塊中也是如此，控制芯片通過對機械手的控制，從而連接相應的數據接口來控制四個舵機，以此達到通訊的目的。

4.3 搬運模塊軟件設計

搬運物品是由對控制舵機來完成的，首先，系統初始化，servo1、servo2、servo3、servo4、分別代表機械手的四個舵機，通過手機端控制，當控制端發出什么信號，系統就執行相應的動作，直到動作完成。為了使系統穩定，在每一個動作之前，系統預先延遲10s，來保護電路。

5 系統調試

硬件做好之后，就到系統的調試了，這也是最重要和最困難的部分，會出現很多的設想不到的問題，比如：在最優控制精度的基礎上怎樣做到四自由度的旋轉；在系統組裝上如何讓舵機角度適宜；電源部分是否調試好，太陽能電池板在陽光直射的情況下是否達到5V，在供電的過程中，是否直接給控制芯片供電等。此外，在設計中出現的最主要問題是機械臂一直在抖動，經過反復調試，最終通過給機械臂加一個單獨的電源得以解決。

系統調試分為舵機角度調試、機械臂調試、電源調試、組裝調試和軟件調試。首先是對于舵機角度的調試，在電路中，如果沒有將角度調試好，會出現舵機燒壞，系統不能正常運行。之后將舵機組裝到機械臂中，使機械臂可以自如的運行。在電源方面，直接用LM7805供電，電路盡可能簡單。軟件方面，從程序的編寫到燒錄再到上位機的調試，其調試軟件如圖6所示。

圖6 上位機調試軟件操作界面

圖6中，硬件與上位機軟件連接由COM4接口連接，很明顯，在軟件界面上，一共有四個橫條在上面，他們分別記錄四個舵機的旋轉角度，在設定、調試好之后，系統會記錄調試的動作，保存之后，會按照設定的動作進行。本設計通過藍牙進行無線控制，其調試過程簡單，只需要將二者連接即可，方便快捷有效。最后，將所有的硬件組裝完成后，進行調試，保證所有的動作可以按規定完成。

6 總結

本文設計了一款基于Arduino的智能家用搬運機器人，利用Arduino作為主控系統，結合藍牙通訊技術、機械臂、光伏充電技術等實現對家居環境中難以搬動的物體進行搬運的智能控制裝置。該系統具有無線控制功能，通過BC417藍牙通訊模塊將機器與手機連接到一起，操作方便、成本低。系統抗干擾能力強，小范圍控制精度高，適用于家居環境。