基于Arduino起重運輸機器人的設計*

楊得勝，程嘉豪，呂婷婷，譚偉俊，蔡瓊儀，何偉鋒

(東莞理工學院 機械工程學院，廣東 東莞 523000)

0 引言

隨著現代化工業制造技術的快速發展,智能制造已經成為了現階段的主流趨勢[1,2]。而物流產業也在日漸發展,貨物的存儲、搬移、運輸等環節的自動化程度也越來越高[3],自動化生產已成為工業流程中的重要組成部分。采用自動化物流搬運,能提高產品的運輸效率、降低用工成本、提升企業的自動化水平和競爭力,保證生產過程的安全性和可開發性。因此,自動化運輸已成為現代化智能工業制造中不可或缺的一環。如何提高物品運輸機器人的靈活度、保證工業生產的高效率和低成本,實現更為高速的運行、精確的識別和搬移運輸,已是目前起重運輸機器人研發的熱點。因此,在滿足以上條件下實現物品的自動化運輸是當前亟待解決的主要問題。

針對以上問題,自動化起重運輸機器人被提出并得到了相關應用。該機器人主要以嵌入式系統和自主控制技術實現自動化運輸,其具備搬移載物、自動循跡避障、自動裝夾等功能,故其設計與生產過程涉及多個領域的技術運用[4]。對此,本文旨在設計一款基于Arduino Mega2560和Arduino Uno單片機,結合步進電機驅動器、超聲波模塊、步進電機驅動模塊等硬件的新式起重運輸機器人。該機器人能夠實現對信息的讀取和處理、路線循跡、主動避障、物品識別和抓取擺放、任務完成反饋等功能。通過軟件編程和多次測試,該機器人系統穩定,搬運效率和完成度較高,實現了自動化物流搬運的目的,提高了作業的效率和安全性,滿足了現代社會智能自動化作業的需求。

1 起重運輸機器人的整體設計分析

本文設計的自動化起重運輸機器人以Arduino作為檢測抓取和移動控制核心,完成識別、路徑循跡追蹤、物品抓取運輸等功能,機器人整體結構如圖1所示。

1-麥克納姆輪;2-行走驅動組件;3-機器人車架;4-滑移抓取組件;5-滑移驅動機構;6-前側龍門架;7-后側龍門架;8-活動升降架;9-升降驅動機構; 10-灰度巡線傳感器;11-行走驅動電機

該機器人主要實現較重物品的搬移運輸工作,在機器人車架上端緊固安裝有鋁合金材質的前側龍門架、后側龍門架,前側龍門架位于后側龍門架的前端側且前側龍門架與后側龍門架前后對齊間隔布置。在機器人車架的下端裝設有行走驅動組件,四個呈矩形分布的行走驅動安裝架分別螺裝緊固于機器人車架底座上,安裝架上裝有4個行走驅動電機并連接4個麥克納姆輪[5],該設計能保證運輸過程中機器人的平衡行駛和物品抓取的牢固度。同時在車架底座安裝有灰度巡線傳感器進行巡線定位,以使得機器人能精確到達物品的取件位置以及放置位置,更好地完成物品運輸任務。

物品抓取工作由活動升降架及滑移抓取組件聯合完成。升降驅動機構可保證活動平臺能在絲桿的帶動下流暢運動,并確保活動平臺在承受足夠重量的同時保持平衡[6]。升降驅動機構包括有緊固安裝于車架底座的絲桿步進電機,絲桿步進電機的驅動絲桿上端部通過軸承座安裝于前側龍門架和后側龍門架上。活動升降架活動方式為:步進電機轉動,帶動絲桿結構上的升降驅動塊。絲桿步進電機與活動升降架連接,聯合超聲波模塊確定活動升降架的活動距離并完成升降工作。同時,活動升降架上設置有沿著前后方向水平延伸的懸吊滑軌,懸吊滑軌從前至后依次穿過前側龍門架、后側龍門架,形成穩定的結構。懸吊滑軌裝設有滑移抓取組件,由滑移驅動機構、兩個舵機與機械手爪組合完成,實現物品的抓取并正確實現物品擺放的方向及位置。

滑移驅動機構包括有位于懸吊滑軌下方的滑移活動架,懸吊滑軌開設有朝兩側開口且沿著前后方向延伸的左、右側滑槽,滑移活動架裝設有伸入至兩側滑槽內且沿著滑槽滾動的左、右側懸吊輪,左側滑槽內裝設有沿著左側滑槽延伸的同步帶,同步帶的前端部、后端部分別緊固于懸吊滑軌相應的前端部、后端部,同步帶的左側面為非齒面、右側面為齒面。此外,滑移活動架裝設有滑移驅動電機,滑移驅動電機的動力輸出軸裝設有位于兩個左側懸吊輪之間的同步帶輪,同步帶輪與同步帶的齒面相貼合,同步帶的非齒面分別與兩個左側懸吊輪相貼合。機械手爪安裝在滑移活動架的下端部,方便對物品的抓取和擺放。

該機器人結構設計新穎,且能夠實現懸吊起重運輸,尤其適用于較重物品搬移運輸。

2 電路硬件系統設計分析

該機器人的電路硬件系統主要由超聲波模塊、直線絲桿步進電機、電機驅動模塊、循跡模塊、穩壓模塊等組成,其系統設計框架如圖2所示。

圖2 起重運輸機器人的電路硬件系統設計框架

2.1 超聲波模塊

HC-SR04是一款超聲波測距模塊,常用于測量距離和檢測障礙物。發射器發射超聲波信號,信號經過空氣中的傳播到達目標物體并被反射回來,接收器接收到反射回來的超聲波信號并將其轉化成電信號,模塊將接收到的電信號轉化成數字信號,并將其輸出到控制器中,根據聲速在空氣中的傳播速度和信號來回的時間差,控制器通過計算進而可以得到發射器與障礙物的距離[7]。在本裝置中超聲波模塊用來測量升降架與所需夾取物品之間的距離,判斷在此位置是否能夠夾取物品。

2.2 直線絲桿步進電機

直線絲桿步進電機是一種將旋轉運動轉化為直線運動的裝置,其基本結構包括步進電機、絲桿和螺母。當電機旋轉時,絲桿與螺母配合使螺母沿著絲桿軸向移動。42步進電機是指外徑為42 mm的一類步進電機,通常采用兩相四線式接線,驅動電壓為24 V,具有精度高、運動平穩等優點。該機器人采用螺紋絲桿步進電機,其優點在于它可以精確地控制轉動角度和速度,并且不需要外部的傳感器或反饋控制系統即可帶動升降架平穩上升或下降。

2.3 電機驅動模塊

該機器人采用了完全適配Arduino Uno單片機的4路步進電機驅動板,其能夠執行按方向運行指令、四輪差速運行指令、停止運行指令,同樣兼容常規的距離控制和速度控制指令,可以精確控制麥克納姆輪運動距離和運動速度,實現機器人的高精度運動。采用的4路步進電機驅動板包括4個步進電機驅動器芯片和若干控制邏輯電路。每個步進電機驅動器芯片可以單獨控制步進電機,通過調節輸入的脈沖信號和方向信號即可控制步進電機的轉動方向和步數,其具有高精度、高可靠性、小體積、低噪聲等特點。

該機器人還采用了Emm_42V4.x步進閉環驅動器,這是一種高性能閉環步進驅動器,可以用于控制步進電機的旋轉,其通過閉環控制技術來提高電機精度和響應速度。該驅動器具有多種保護功能,如過流、過壓、過熱等保護,可保護電機和驅動器免受損壞,并且能夠實現位置、速度和力矩控制等功能,在運行時不容易出現丟步。

2.4 循跡模塊

為完成物品的搬運,機器人將按照規劃好的灰度路線行走,采用五路灰度傳感器(配有定制的遮光屏蔽罩)根據指定的路線完成任務。五路灰度傳感器是一種電子元件,一般用于識別黑線,檢測面上光的反射程度與所識別的顏色有關,顏色不同則反射程度也有所不同。利用灰度接收管對被探測面顏色光反射強弱進行采值,探測到的不同顏色對應不同的電壓值信號,最后將電信號傳送到Arduino單片機中進行處理。在一定的距離范圍內,高亮聚光LED照射在檢測面上,光線被反射面反射,通過灰度接收管檢測光的強度之后再將數據傳輸到控制單元中[8]。通過分析以上數據,機器人可以自動根據預定路線行駛,實現自動巡線功能。

2.5 穩壓模塊

DC-DC降壓穩壓電源模塊是一種電子元器件,用于將輸入電壓降低到相對較低的輸出電壓,并保持輸出電壓穩定。穩壓電源模塊通常由一個開關電源和一個穩壓器組成,開關電源將輸入電壓轉換為高頻脈沖信號,穩壓器則將這些脈沖信號轉換為穩定的輸出電壓。DC-DC降壓穩壓電源模塊具有高效率、小尺寸、低成本和高可靠性等優點,它能為Arduino單片機模塊提供穩定的小額電壓,防止其燒壞。

3 軟件系統分析

起重運輸機器人采用Arduino編程軟件,選型為Arduino Mega2560,其根據Emm_42V4.x步進閉環驅動器實現起重運輸機器人輪子的控制,進而完成機器人前進和轉向功能[9]。在此基礎上,機器人需要完成自動化搬運任務[10]。

在該軟件系統設計中,起重機需要依次完成多項任務:調用巡線避障模塊,實現自動取樣、自動計算灰度平均值,并將所獲取的灰度值與灰度平均值進行比較,輸出控制信號,從而實現精準的循跡路線和接受特定灰度條件下的對應指令;運用電機驅動模塊控制麥克納姆輪的多方位運動,實現機器人的平衡行駛;啟動超聲波模塊,通過時間差和聲音傳播速度,計算出升降架與物品之間的距離,從而判斷出在合適的位置夾取物品,發出控制活動升降架升降運動的指令[11];調用絲桿步進電機控制升降驅動機構,完成活動升降架的升降工作,從而達到指定高度;通過滑移驅動電機帶動機械手爪的移動;通過一個舵機控制機械手爪的張開和閉合[12],抓取物品;達到指定位置后,運用另一個舵機的轉動實現將物品放入預定的位置;重復以上任務,直至完成搬運任務。

4 系統實驗測試

起重運輸機器人組裝完成后,開始進行代碼調試和結構可行性分析測試,系統實驗設計流程如圖3所示。起重運輸機器人從起始區域出發,分多個部分進行調試,判斷代碼邏輯是否合理:起重運輸機器人從起始區域出發到達取物區;運用灰度傳感器進行巡線直到遇到停止線,開啟超聲波模塊,進行物品識別工作;起重運輸機器人從取物區,運用絲桿步進電機控制活動升降架實現機械手爪的升降,完成對物品的抓取;機器人行進過程中通過自主路徑規劃實現避障,到達堆碼區,再次運用灰度傳感器巡線,開啟超聲波模塊識別是否有物品擺放;確定好擺放位置后,啟動絲桿步進電機調節高度,控制機械手爪完成物品按規定方式擺放;重復以上流程,直至完成所有搬運任務,機器人回到起始區域,視為完成任務。在整個任務過程中,調試的重心放在灰度巡線以及升降架與抓取模塊設計。

圖3 系統實驗設計流程圖

灰度巡線:起重運輸機器人的運動全程依靠灰度傳感器的巡線來實現自動定位,通過對賽道上的黑線進行感應來判斷機器人是否偏移路徑,以保證能精確到達各個區域,同時,灰度傳感器體積小、重量輕且方便安裝[13]。機器人車架底座安裝有3個五路灰度傳感器,中間的LED信號指示燈檢測到黑線就會熄滅,保證機器人直行;左側或右側的LED信號指示燈檢測到黑線就會熄滅,證明機器人向左或右偏移,需將整體往右或左側行駛,才能回到正確行駛路線上;當所有的LED信號指示燈都熄滅時機器人停止。

升降架與抓取模塊設計:活動升降架和絲桿步進電機緊固連接,由升降驅動塊和驅動絲桿配合完成活動升降架的升降工作。同時,活動升降架上裝設懸吊滑軌,懸吊滑軌上設有滑移抓取組件,由滑移驅動機構和機械手爪組合完成,機械手爪采用兩個自由度,其末端由兩個完全相同的齒輪機構驅動旋轉,從而使得手爪在張合時能實現左、右結構對稱,對所夾物件產生大小相同的夾持力[14]。此處主要調試舵機參數,在調試過程中出現手爪在抓取物品的過程中提前松開導致物品放置不穩定的情況。經多次檢測,發現問題出自于代碼程序,修改參數后能精確實現物品的抓取與放置[15]。

5 結束語

本文以提高作業運輸的高效率和低成本為出發點,設計了一款以編程開發控制程序的新式起重運輸機器人。在結構上,該機器人以鋁合金材質為框架,車架下端安裝有行走驅動電機和麥克納姆輪,實現全方位運動;車架底座裝設有灰度巡線傳感器來進行巡線定位,使機器人能精確完成物品的取件擺放,更好地實現運輸工作;底座上端安裝有活動升降架,活動升降架上設有懸吊滑軌,懸吊滑軌上裝設的滑移抓取組件能更好地實現懸吊起重運輸。該機器人結構設計新穎、智能化水平高。

嵌入式系統是核心的控制系統,在多種硬件和軟件的組成配合下實現了物品運輸過程中的實時控制和監測。自主控制系統實現了自主導航、路線循跡和避障等功能,提高了機器人的靈活性、高速度和高效率。機器人結合了Arduino嵌入式系統開發工具,高質量地保證了物品運輸過程中各項功能的實現。

該新式起重運輸機器人可保證在穩定抓取放置物品的同時擁有較高的運行效率,投入成本低,能滿足現代制造行業的需求,達到了自動化物流搬運的目的,為智能工廠的柔性化生產提供了解決方案。