智能搬運(yùn)機(jī)器人小車設(shè)計(jì)

侯蕊 劉賽軒

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的智能搬運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人具有循跡功能、避障功能、通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)小車的行駛。通過(guò)二維碼識(shí)別和機(jī)械臂操作實(shí)現(xiàn)貨物的搬運(yùn)。

近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和通信技術(shù)的飛速發(fā)展，基于通信和物聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。二維碼識(shí)別技術(shù)是一種全新的信息存儲(chǔ)、傳遞和識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)迅速地融入到了社會(huì)和人們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中。基于二維碼支付、二維碼電子憑證、二維碼加密發(fā)票的各種二維碼應(yīng)用技術(shù)讓商業(yè)和生活體驗(yàn)變得更有活力。二維碼與工業(yè)智能、機(jī)電一體化的結(jié)合大大提高了數(shù)據(jù)處理的能力，也在很大程度上減輕了人類的體力勞動(dòng)。將給商業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新帶來(lái)新的活力，為傳統(tǒng)企業(yè)優(yōu)化轉(zhuǎn)型、信息化建設(shè)帶來(lái)巨大附加價(jià)值。

對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)來(lái)說(shuō)，需要將各種物品搬運(yùn)到目標(biāo)位置，而搬運(yùn)機(jī)器人則是實(shí)現(xiàn)物流自動(dòng)化中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 搬運(yùn)機(jī)器人在物流倉(cāng)儲(chǔ)行業(yè)中的應(yīng)用，不僅能夠提高其生產(chǎn)水平，以實(shí)現(xiàn)高效運(yùn)轉(zhuǎn)。在某些對(duì)人體有危害的環(huán)境中，搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)用能夠使得人體免受危害，同時(shí)還能達(dá)到減輕人工勞動(dòng)力，降低生產(chǎn)成本的效果。倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人的使用能極大地提升倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的工作效率，提升倉(cāng)儲(chǔ)物流行業(yè)的效率和速度。智能小車系統(tǒng)可以作為搬運(yùn)機(jī)器人的基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)，其行進(jìn)功能、自動(dòng)避障功能、通信控制功能都是搬運(yùn)機(jī)器人不可或缺的功能，這些功能對(duì)提升搬運(yùn)機(jī)器人的工作效率有十分巨大的意義。

一、硬件設(shè)計(jì)部分

小車采用比較先進(jìn)的單片機(jī) IAP15W4K58S4 為控制核心，他具有磁導(dǎo)航循跡功能，超聲波避障功能，RFID 識(shí)別貨架位置功能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小車的行駛路徑，并將小車采集到的信息傳送到單片機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制。小車主體由機(jī)械臂，二維碼識(shí)別模塊組成通過(guò)單片機(jī)控制小車機(jī)械臂完成挪動(dòng)物體的操作，二維碼識(shí)別模塊用于掃描帶二維碼的物體。

二、基于IAP15W4K58S4單片機(jī)及其外設(shè)

智能小車的核心驅(qū)動(dòng)模塊是單片機(jī)，他包括磁導(dǎo)航尋跡模塊、超聲波避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、RFID貨架識(shí)別模塊。

1.IAP15W4K58S4單片機(jī)

IAP15W4K58S4 單片機(jī)是 STC 公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是寬電壓/高速/高可靠/低功耗/超強(qiáng)干擾的新一代MCU。使用 STC 公司最新的方法進(jìn)行處理，處理后的程序在一般情況下是不能破解的開(kāi)發(fā)人員編寫(xiě)的程序能較好地兼容傳統(tǒng)的 MCU，且速度還比傳統(tǒng)的MCU快8-12倍。STC15 系列單片機(jī)內(nèi)部機(jī)集成高精度 R/C 時(shí)鐘，可配置時(shí)鐘的范圍5-30 MHz，同時(shí)STC15系列單片機(jī)內(nèi)部集成了高可靠復(fù)位電路，因此 IAP15 最小系統(tǒng)是徹底省掉了昂貴的外部晶振和時(shí)鐘電路。IAP15W4K58S4 具有8路 CCP/PWM/PCA，8路 10位高速 A/D，內(nèi)置4 KB大容量SRAM，4組超高速異步串行通信口和1組高速同步串行通信端口 SPI，并且它的供電電壓很寬，在 2.5～5.5V之間都能正常工作。

2.磁導(dǎo)航尋跡模塊

磁導(dǎo)航傳感器技術(shù)利用集磁道釘?shù)拇艌?chǎng)特性研究磁信號(hào)檢測(cè)、車輛與磁道釘之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)于一體的試驗(yàn)平臺(tái)。在此平臺(tái)上模擬實(shí)地的車輛磁道釘導(dǎo)航自動(dòng)駕駛設(shè)計(jì)車輛的直線運(yùn)動(dòng)、S形運(yùn)動(dòng)以及加速等運(yùn)動(dòng)模式，并編寫(xiě)軟件程序?qū)崿F(xiàn)功能需求。

3.超聲波避障模塊

超聲波傳感器主要由發(fā)送器部分、接收器部分、控制部分和電源部分構(gòu)成。發(fā)送超聲波由發(fā)送器部分完成，主要利用振子的振動(dòng)產(chǎn)生并向空中輻射超聲波;接收超聲波由接收器部分完成，主要接受由發(fā)送器輻射出的超聲波并將其轉(zhuǎn)換為電能輸出;除此之外，發(fā)送器與接收器的動(dòng)作都受控制部分控制，如控制發(fā)送器發(fā)出超聲波的脈沖連頻率、占空比、探測(cè)距離等等;整體系統(tǒng)的工作也需能量的提供，由電源部分完成。這樣，在電源作用下、在控制部分控制下，通過(guò)發(fā)送器發(fā)送超聲波與接收器接收超聲波便可完成超聲波傳感器所需完成的功能。

4.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

直流伺服電機(jī)包括定子、轉(zhuǎn)子鐵芯、電機(jī)轉(zhuǎn)軸、伺服電機(jī)繞組換向器、伺服電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)繞組、測(cè)速電機(jī)換向器，所述的轉(zhuǎn)子鐵芯由矽鋼沖片疊壓固定在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上構(gòu)成。伺服主要靠脈沖來(lái)定位，伺服電機(jī)接收到 1個(gè)脈沖，就會(huì)旋轉(zhuǎn) 1個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度，從而實(shí)現(xiàn)位移。因?yàn)椋姍C(jī)本身具備發(fā)出脈沖的功能，所以伺服電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，都會(huì)發(fā)出對(duì)應(yīng)數(shù)量的脈沖，這樣和伺服電機(jī)接受的脈沖形成了呼應(yīng)，如此一來(lái)，系統(tǒng)就會(huì)知道發(fā)了多少脈沖給伺服電機(jī)，同時(shí)又收了多少脈沖回來(lái)，這樣就能夠很精確的控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定位，可以達(dá)到 0.001mm。

5.RFID 貨架識(shí)別模塊

RFID（Radio Frequency Identification） 射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，它通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，射頻識(shí)別系統(tǒng)的組成 RFID 系統(tǒng)主要由三部分組成：數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件，管理收集而來(lái)的數(shù)據(jù);讀寫(xiě)器（reader），掃描及讀取標(biāo)簽數(shù)據(jù);標(biāo)簽（tag），也就是射頻卡，里面含有數(shù)據(jù);數(shù)據(jù)應(yīng)用軟件可以是各種數(shù)據(jù)庫(kù)軟件或供應(yīng)鏈、物流系統(tǒng)。甚至可以將 RFID 系統(tǒng)融入整個(gè)企業(yè)資源計(jì)劃的一部分。讀寫(xiě)器從標(biāo)簽讀取數(shù)據(jù)并上傳給應(yīng)用軟件，或?qū)⒂嘘P(guān)信息寫(xiě)入標(biāo)簽的裝置。電子標(biāo)簽是一個(gè)小容量的可存儲(chǔ)微芯片，其中存儲(chǔ)可以識(shí)別的電子數(shù)據(jù)。電子標(biāo)簽可以是只讀的，也可是讀/寫(xiě)方式，依據(jù)應(yīng)用需求決定。系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過(guò)發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活;射頻卡將自身編碼等信息通過(guò)卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去;系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來(lái)的載波信號(hào)，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和解碼然后送到后臺(tái)主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理;主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對(duì)不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

三、智能搬運(yùn)機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了硬件設(shè)計(jì)，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。本軟件設(shè)計(jì)主要采用模塊化設(shè)計(jì)的方法，對(duì)于一定功能，進(jìn)行獨(dú)立程序段設(shè)計(jì)。程序設(shè)計(jì)流程圖如下圖所示。

綜上所述，此搬運(yùn)機(jī)器人可保證抓取穩(wěn)定的同時(shí)，可以擁有較高的工作效率，循跡過(guò)程總可以通過(guò)二維碼掃描識(shí)別貨物，總體來(lái)說(shuō)滿足現(xiàn)代物料搬運(yùn)機(jī)器人的需求，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉。

作者簡(jiǎn)介：侯蕊，秦皇島職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系教師，研究方向電子電路。

河北省科技廳《大中學(xué)生科技創(chuàng)新能力培育》專項(xiàng)項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：2021H030405.