基于微控制器的智能搬運機器人的科技邏輯

摘要：智能搬運機器人已成為現代社會的重要搬運工具，本文探究了智能搬運機器人的科技邏輯。論述了微控制器在智能搬運機器人中應用的必要性，闡述了基于微控制器的智能搬運機器人軟件程序設計，以期為廣大科研人員提供參考。

關鍵詞：微控制器；智能搬運機器人；科技邏輯

一、基于微控制器的智能搬運機器人整體設計

（一）智能搬運機器人的行進機構設計

作為智能搬運機器人的核心組成部分，其行走裝置所對應的機械結構為行進機構，該機構主要職能為接收控制核心的命令，并驅動控制機器人實現循跡、避障、抓取等作業。對于智能搬運機器人的行進機構而言，存在兩種不同的行進設計方案，分別為輪式行走與履帶行走，雖然它們的作用機制存在差異，但兩種行進機構設計方案都可以滿足智能搬運機器人的控制需求。首先，輪式行走結構是指在智能搬運機器人的運行過程中，其自身往往需要消耗一定量的功率，用以實現對摩擦阻力的克服與滑轉。若智能搬運機器人機體加裝的行走機構為四輪式行走機構，則其自身的承載能力將有所提升。另外，由于這種機械結構相對簡單，因此其具有較強的可控制性與易操作性。其次，履帶行走機構的復雜度更高，其核心在于結合輪子與履帶兩個組成結構，能在更復雜的環境中發揮出優勢與性能，以保障其正常行駛的穩定性。不僅如此，履帶行走機構以其高穩定性與適應性，能跨越或躲避環境中的各種障礙。由此可見，履帶行走機構是當前設計智能搬運機器人行進機構的首要選擇。

（二）智能搬運機器人的抓取機構設計

在智能搬運機器人的整體設計中，抓取機構占據著重要地位，這也是人工智能與機器人學的主要研究課題之一。作為智能搬運機器人的抓取機構，機械臂往往被固定在智能搬運機器人的基座之上，具有較強的穩定性，但由于受到臂長、自由度等因素的限制，導致操作范圍表現出一定的局限性。機械臂通常包含四個舵機，可以在遠程手柄的控制下，抓取目標物體；而任意關節處均由舵機支架穩定連接，并通過驅動向舵機供電的方式，維持機械臂的正常運行狀態。

除此之外，由于智能搬運機器人抓取機構的電力來源為鋰電池，加之微控制器可以成功接收到的電壓較小，因此在其中還需添加穩壓模塊，用以保障其抓取工作的正常開展。在抓取作業過程中，需要保持機械臂的準確度，讓其可以在恰當的位置與姿態下移動和抓取，這對智能搬運機器人的自由度提出相對較高的要求。自由度是指機械臂可對相應坐標系進行獨立運動的數目，對智能搬運機器人的靈活性具有重要影響。如果機械臂的自由度數量較多，則其運動的靈活性較強，就可以憑借自身更復雜化的設計結構，發揮出更強的通用性與可靠性。在自由度數量較多的情況下，機械臂可以完成不同形式的運動，并按照其運動方向分為兩種類型，即沿坐標軸進行的平移運動與繞坐標軸進行的旋轉運動。現階段，比較常見的智能搬運機器人抓取結構為六自由度鏈式關節，其自由度數量可以與既定目標任務相匹配，從而使得機械臂能到達任意位置，以更好地完成各項抓取任務。

（三）智能搬運機器人的傳感器模塊與驅動裝置設計

智能搬運機器人能高效地完成各項目標任務，主要依賴于其傳感器模塊。作為智能搬運機器人的感知結構，傳感器模塊能夠全面采集外界環境信息，并根據數學函數法轉換處理，以獲取到相應的可用信號，便于智能搬運機器人后期完成高效的自主作業。另外，在智能搬運機器人的傳感器模塊中，搭配有五種不同類型的傳感器，包括超聲波、藍牙、聲音、循跡、灰度。在安裝傳感器模塊前，需要加強調試處理，如調試聲音傳感器，能幫助智能搬運機器人在不同環境下感知到不同音量大小的聲音，以保障其作業的靈敏度。而超聲傳感器在發出超聲波的過程中，受到環境中各類雜質或分界面的干擾影響，則會出現相應的顯著反射現象，并形成一定的反射回波，在此條件下識別到環境中存在活動的物體，則會出現多普勒效應。由此可知，智能搬運機器人應采用一定的措施防止前述現象，并利用渡越時間法，躲避環境中不同障礙。

而傳感器中超聲傳感器模塊的工作方式可歸納為三大模塊，即超聲模塊、單片機、實物工作模塊，其中，超聲模塊包含超聲波接收裝置與發送裝置，能向實物工作模塊發送相應的任務指令；在實物工作模塊中，主要由信號波作用于相應的收發裝置，并向單片機發送判定指令；在單片機工作過程中，首先需要精確測定機器人與物體之間的距離，隨后判斷該距離是否小于規定距離，如果小于，則搬運機器人只能繼續前進并完成作業；反之則后退并右轉完成相應作業。智能搬運機器人中，通常需要搭載一個傾角傳感器，用以實現對機器人自身狀態的實時檢測，進而采取調控措施達到側翻恢復的目的。

對于智能搬運機器人的驅動裝置而言，通常為步進電機驅動裝置，其關鍵組成部件為高精度的數字舵機，能更好地應對智能搬運機器人在作業中的各種突發情況。而驅動裝置感知與采集所處環境中的相關信息時，需要經過一定處理后，將環境信息轉化為相應的工作指令，再下發至各級執行機構。如果智能搬運機器人采集環境信息后，識別到其自身行進過程中出現堵轉現象，則舵機內部將會自發啟動保護措施，并調控履帶后續的行進路線與方式。

（四）智能搬運機器人的循跡模塊與避障模塊設計

在智能搬運機器人的硬件系統框架中，循跡模塊與避障模塊能為機器人執行相應的搬運任務提供輔助調控作用。為了讓智能搬運機器人保持正常運行狀態，其中的兩個循跡模塊始終要參與檢測作業，且與黑線無任何接觸。若在作業過程中，智能搬運機器人檢測到黑線，則其中的傳感器會處理電平調變，且微控制器會做出及時的反應，即控制機器人沿左側或右側兩個不同的方向行駛。通過微控制器的持續作用，有利于調整智能搬運機器人的行駛方向，使其整體保持直線狀態行駛，從而達到有效循跡的目標。而在智能搬運機器人轉向的過程中，需要控制其輪子的轉速，確保差異性，如此一來，才能針對不同彎道的情況調整行駛狀態。在智能搬運機器人的工作電路中，包括傳感器與調理電路兩個部分，其中，前者可以在紅外發射管的作用下，通過發出紅外線的方式檢測外界環境，若得到返回信號，則表明地面中具有黑線；后者采用電壓比較器對比外界環境中的兩路電壓。

要想實現避障模塊，主要依賴于超聲傳感器的測距功能，該模塊可以在智能搬運機器人的行進過程中持續發出超聲波，若前方存在障礙物，則超聲波將會立即返回；隨后避障模塊即可判斷返回的超聲波，并計算獲取到與前方障礙物的距離，進而預設出一個恰當的臨界范圍。如果智能搬運機器人未在規定閾值范圍內檢測到障礙物，則可以繼續行進并執行任務。此次課題中，避障模塊設計所采用的是hc-sr04型超聲波，其供電電壓設定為5V，包括四個不同的引腳，并與微控制器的I/O接口相連。

二、基于微控制器的智能搬運機器人軟件程序設計

（一）智能搬運機器人的工作流程

智能搬運機器人將STM32微控制器作為控制核心，首先定義一個固態函數庫，隨后將編譯的所有工作任務程序存儲其中。而編寫不同器件的驅動程序，都需要在微控制器中完成。在程序的驅動作用下，STM32微控制器可以實現對智能搬運機器人系統的初始化處理，并應用符合工業標準的異步串行數據格式的外部設備與串口，處理數據交換。在此處理模式下，智能搬運機器人可以對自身的運行模式實時檢測，并高效完成正常行進、超聲避障、準確抓取等各項工作任務。此外，智能搬運機器人應用模塊化編程處理方式，能更好地控制程序，進而成功獲取到相應的若干個子程序，然后分別實現行進、識別、循跡、抓取、跟隨等各項任務。

在程序執行開始，首先要對處理器初始化處理，該處理過程主要分為兩個部分，即微控制器與硬件模塊初始化，后者包括超聲波模塊與循跡模塊的初始化步驟。智能搬運機器人的內部配置相對完善，具有微控制器的管腳配置、輸出模式、時鐘配置等，管腳配置與輸出模式的作用在于采集遙控數據，時鐘配置的作用是完成對定時器時間的設置，二者共同作用于機械臂，有利于精準抓取目標物體。同時，循跡模塊與超聲波模塊在采集數據信息的過程中，需要判斷外界環境中是否存在黑線，若檢測識別到黑線，則智能搬運機器人需要沿著一定的線路行駛；若未檢測識別到任何黑線，則機器人需要保持直行狀態。當然，各模塊還需要采集和判斷外界環境中是否存在障礙物體，若存在障礙物，智能搬運機器人需要改變行進路線以躲避障礙物；若檢測到外界環境中無障礙物，則機器人只需要保持直行狀態即可。

（二）智能搬運機器人機械臂中的視覺模塊設計

對于智能搬運機器人機械臂中的視覺模塊而言，首先需要對感光元件初始化處理；隨后應對相機模塊默認的像素模式調整與設置，在常用的圖像處理方法中，主要包括兩種不同的像素模式，即色彩模式與灰度模式。相較于色彩模式而言，灰度模式具有更高的運行效率，但這種模式無法識別目標物體的顏色，所以，為了保障智能搬運機器人的實用性，通常選擇色彩模式處理圖像。對于設置相機模塊的分辨率，可以選擇分辨率種類具有極強的多樣性；采用穩定模式處理視覺圖像，能夠過濾由于相機設置不穩定而產生的低質量圖像；關閉相機模塊的自動白平衡功能，有利于防止圖像不穩定。在智能搬運機器人機械臂的視覺模塊中，還設置有二維碼識別功能，能幫助機器人在掃描目標物體圖像的同時，獲取到準確的任務信息。相機模塊中還具備鏡頭畸變矯正功能，能去除鏡頭造成的圖像魚眼效果，以保證圖像的真實性與可靠性，并在提高相機模塊識別效率的基礎上，最大化消除Oggtjdf3JcrWrMDtITty6wcfVVHpaP4MiMKnC9H2Aog=圖像的變形現象。

（三）智能搬運機器人的循跡與定距抓取子程序

當外界環境處于相對穩定狀態時，其空間結構的變化幾乎可以忽略不計，在此條件下，智能搬運機器人單片機可以及時處理傳感器傳輸的所有信號，并以此完成循跡與避障任務。當超聲波傳感器檢測識別到障礙物時，智能搬運機器人會在指令輸送的作用下，即刻采取減速處理，并保持緩慢行駛的狀態；紅外模塊在檢測識別到障礙物時，將即刻反饋低電平信號，讓智能搬運機器人迅速停止直行，并在轉換方向后繼續行駛。而設計循跡子程序的目的在于實現對智能搬運機器人行進方向的精準調節與控制，從而合理規劃和設計行進路徑。

基于微控制器的智能搬運機器人中還包括定距抓取子程序，該程序的設計目的是保證機器人可以在最佳位置區域內抓取目標，使抓取作業的效率與精度得以提升。當單片機接收到相應模塊的控制信號時，機器人將會鎖定目標抓取物體，并開始移動；當機器人自身行進至最佳位置點時，定距抓取子程序將會輸出相應的信號，令機器人即刻停止移動并保持靜止穩定狀態；最終由舵機控制具有高自由度的機械臂開始作業，以高效率完成目標物體抓取工作。

三、結束語

綜上所述，隨著科技的迅速發展，智能化發展已成為各行各業的熱點。智能技術能降低人們的勞動力付出比例，使得企業生產更自動化，且生產效率也得到提升。

作者單位：沙印 陳虎威 江陰職業技術學院/機車輪轂電機智能驅動工程技術中心 2023年度江蘇高等職業院校工程技術研究開發中心 “智能網聯工業電機驅動”工程技術研究開發中心

基金項目：2023年度省高校優秀科技創新團隊：“基于物聯網的智慧電驅系統研發與產業化”科創團隊。

沙印（1980.09-），女，漢族，江蘇江陰，碩士，副教授，研究方向：機電工程、電氣工程；

陳虎威（1985.04），男，漢族，江蘇靖江，博士，助教，研究方向：智能電網、車載通信、電機及其驅動系統等方面研究。

參考文獻

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