小型太陽能倉儲物流機器人設計

范 娟 劉永華

（四川工程職業技術學院，四川 德陽618000）

電商行業的蓬勃發展，對我國物流行業提出了更高的要求。物流設備的智能化也成為當今物流發展的主要趨勢。同時，環保節能是當今社會永不改變的時尚理念。基于此，本文設計了一款小型太陽能倉儲物流機器人，主要用于物流倉庫內貨物的拿取和搬運。

1 太陽能倉儲物流機器人總體結構

太陽能倉儲物流機器人采用太陽能作為整個系統的能源供給。以stc51 單片機為作為物流機器人主控核心器件，按照物流機器人所要實現的功能，將物流機器人設計分為7 個部分，分別為：主控模塊、運動控制模塊、避障模塊、導航模塊、無線通信模塊、機械臂模塊和光伏充電控制模塊。具體框圖如圖1 所示。

圖1 小型太陽能倉儲物流機器人總體框架

2 各功能模塊設計

2.1 主控模塊

主控模塊的核心器件就是一塊stc 單片機，它相當于物流機器人的大腦，獲取各功能模塊反饋回來的信息，并根據獲取的信息控制物流機器人的運行狀態。

2.2 運動控制模塊

物流機器人能夠靈活實現前進、后退、左轉、右轉以及調速等功能。本文選用兩個12v 的直流減速電機作為驅動輪。利用典型H 橋驅動電路驅動直流電機的轉向和轉速，控制所需的PWM 信號由stc 單片機產生。從而控制物流機器人的運動狀態。

本部分的關鍵在于H 橋的構建和PWM 控制信號的生成。H橋基本工作原理如圖2 所示，當開關管Q1 和Q4 同時導通時，回路中電流從電源正極流經Q1, 再從電機左側流入右側流出，最后經過Q4 回到電源負極，此時電機將圍繞箭頭所示方向轉動，定義為電機正轉。如圖3 所示，控制信號使Q1、Q4 截止，Q2、Q3 導通，電流從電源正極經Q3 從電機右側流入左側流出，再經Q2 回到電源負極，此時電機將沿逆時針方向轉動，定義為電機反轉。通過控制電機的正反轉來實現物流機器人的前進后退。

圖2 電機正轉

圖3 電機反轉

通過調節單片機產生的PWM 信號占空比，來調節電機的轉速，實現物流機器人運行速度的控制。同時調節使兩個驅動輪的轉速不一致，就能實現物流機器人的轉彎。

2.3 導航模塊

選用巡線的方式為物流機器人導航，到達相關指定區域。紅外傳感器（如圖4）作為巡線傳感器。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射強度的特點，在機器人行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收。如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。STC51 芯片就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和機器人的行走路線。將紅外尋線模塊安裝在物流機器人底板的幾何中心，這樣機器人就不會偏離既定線路。在倉庫里根據需求鋪設黑色線條，機器人利用傳感器反饋的信息在預定的路線上行駛。對倉庫每一個存儲位置都預先設定好相應的行進路徑，編寫相應的控制程序，機器人根據控制端輸入的地址編號，運行相對應的程序代碼，到達指定位置。

圖4 紅外傳感器

2.4 避障模塊

物流機器人在行進過程中利用紅外傳感器檢測障礙物，當檢測到障礙物時，進行急停，然后等待直到障礙物被清除，成功避開行進中的障礙物，較好的防止了機器人發生碰撞。

2.5 通信模塊

采用無線藍牙技術與物流機器人進行通信。藍牙連接簡單快速，價格低廉，體積較小攜帶方便藍，藍牙4.0 的數據傳輸速度達到了24 Mbps，傳輸距離達到50 米。通過手機藍牙信號將倉庫目的地路徑傳輸物流機器人。物流機器人根據藍牙模塊收到的信息，執行相應的路徑程序，使物流機器人準確無誤的到達目的地倉庫。藍牙模塊如圖5 所示。

圖5 藍牙模塊

2.6 機械臂及其控制

物流機器人的機械臂主要用于貨物抓取，搬移，如圖6 所示。機械臂主要由鋁合金支架，金屬舵盤，杯式軸承，合金鋁爪以及舵機構成。共有四個舵機，其中三個舵機控制機械臂在幾何空間的X、Y、Z 軸方位的轉動。另外一個電機控制機械爪的張開和閉合。機械臂的4 個舵機運行都受單片機控制，使用無線手柄發出控制信號，單片機根據接收到信號控制機械臂上舵機的運動，最終實現機械臂對貨物抓取的動作。

圖6 物流機器人機械臂實物圖

2.7 太陽能充電控制系統和儲能系統

在實驗室選用10W 單晶硅光伏板、12V7Ah 鉛酸蓄電池以及配套的充電控制器組建太陽能充電控制系統和儲能系統。光伏板將太陽能轉換成電能，通過充電控制器給蓄電池和直流電機供電。當光照強度較，光伏板輸出電壓達到直流電機工作電壓時，充電控制器切換為光伏板直接給電機供電。當光照較弱，光伏板輸出電壓低于電機工作電壓時，充電控制器切換為蓄電池供電。太陽能充電控制系統實現了實時充電和儲能，解決了物流機器人能源動力問題。

3 結論

本文所設計的物流機器人如圖7 所示，主要利用清潔、無污染、可再生能源，充分達到了保護環境節約能源的目的。整個物流機器人功能設計齊全，運行靈活，易操作控制，符合當今社會物流行業發展需求。

圖7 小型太陽能倉儲物流機器人實物圖