基于Arduino全自動(dòng)化物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

陳祥龍 劉恩昌 姚文博 華北水利水電大學(xué)機(jī)械學(xué)院 河南省鄭州市 450045

1 機(jī)器人系統(tǒng)概述

全自動(dòng)物料搬運(yùn)機(jī)器人在設(shè)計(jì)時(shí)運(yùn)用了模塊化思想,符合當(dāng)前自動(dòng)化與模塊化發(fā)展趨勢(shì)，與現(xiàn)階段車間物料搬運(yùn)作業(yè)有較高的耦合性和可開發(fā)性，能夠適應(yīng)不同物料搬運(yùn)作業(yè)條件與搬運(yùn)任務(wù)。

搬運(yùn)機(jī)器人可自主循跡至任務(wù)區(qū)讀取任務(wù)二維碼，自主進(jìn)行任務(wù)要求處理和路徑規(guī)劃，然后自動(dòng)運(yùn)行至物料提取區(qū)按搬運(yùn)要求進(jìn)行物料抓取，再移動(dòng)至物料擺放區(qū)進(jìn)行物料的放置，整個(gè)過(guò)程無(wú)需人工操作與遙控，減少了人工搬運(yùn)的效率低下、人工成本高以及安全隱患問(wèn)題，在物料識(shí)別方面運(yùn)用了顏色傳感器來(lái)識(shí)別物料種類以及物料的位置，以此更好地進(jìn)行搬運(yùn)任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。該全自動(dòng)物料搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)具有效率高，適用范圍廣，無(wú)需人工輔助，安全穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方法

設(shè)計(jì)時(shí)利用機(jī)械繪圖軟件對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人進(jìn)行建模和運(yùn)動(dòng)仿真，利用有限元分析軟件對(duì)整體進(jìn)行了有限元受力分析。在結(jié)構(gòu)方面，利用激光切割機(jī)切割亞克力板以此制作車架及機(jī)械臂下部旋轉(zhuǎn)模塊，利用3D打印機(jī)來(lái)打印所設(shè)計(jì)的爪子三維模型作為搬運(yùn)機(jī)器人的抓取手爪。經(jīng)過(guò)多輪分析，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)滿足剛度與強(qiáng)度要求。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)述

圖一 物料搬運(yùn)機(jī)器人組裝實(shí)物

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特色說(shuō)明：

機(jī)械臂：小車機(jī)械臂采用五個(gè)舵機(jī)聯(lián)動(dòng)控制，擁有五個(gè)自由度，大大降低了機(jī)械臂抓取和放置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間，同時(shí)提高機(jī)械臂的穩(wěn)定性。

機(jī)械手抓：機(jī)器人機(jī)械手抓部分采取上下兩層設(shè)計(jì)，提高物料抓取能力和穩(wěn)定性，同時(shí)柔性緩沖結(jié)構(gòu)可以使物料抓取更加穩(wěn)定而且一定程度上減少了舵機(jī)因驟停導(dǎo)致的機(jī)械損傷，起到保護(hù)舵機(jī)的作用。

定位系統(tǒng)：電機(jī)編碼器給定搬運(yùn)車行駛距離，有助于搬運(yùn)車實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

3 pcb板圖設(shè)計(jì)與電路搭建

PCB板將mega2560主控芯片和L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)集合，做成集成電路。并將其他物料搬運(yùn)所需傳感器引腳簡(jiǎn)化整合，如圖二所示。

該P(yáng)CB板中顏色傳感器、二維碼識(shí)別模塊、四個(gè)灰度模擬傳感器、兩個(gè)數(shù)字紅外傳感器這些傳感器的GND、VCC、信號(hào)引腳被設(shè)計(jì)于圖示下方處。構(gòu)成機(jī)械臂的五個(gè)舵機(jī)的引腳被放置于圖示PCB板上方位置處。四個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電機(jī)引腳放置于PCB板四角位置。另外，該集成電路板附帶WIFI通訊模塊（位于圖示芯片左側(cè)），并分別帶有5V（傳感器供電）、7V（驅(qū)動(dòng)舵機(jī)）、12V（L298N模塊供電）電源供電引腳及其地線引腳。極大地節(jié)省了器件使用數(shù)量、簡(jiǎn)化的電路連接方式，并最大程度的減輕機(jī)器人重量，使機(jī)器人的整個(gè)穩(wěn)定性能得到了大幅度提高。

圖二pcb板圖

機(jī)器人電路系統(tǒng)由電源模塊、穩(wěn)壓模塊、移動(dòng)模塊、循跡模塊、任務(wù)識(shí)別處理模塊、抓取模塊以及主控板七部分組成。其中電源模塊采用12v2200毫安直流電源，穩(wěn)壓模塊采用LM2596恒流恒壓電源模塊給用電器提供穩(wěn)定的7v驅(qū)動(dòng)電壓，能夠有效保持機(jī)器人搬運(yùn)時(shí)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。移動(dòng)模塊采用GM37—520直流減速電機(jī)和麥克納姆輪，可以保證搬運(yùn)平臺(tái)全向移動(dòng)，具有極強(qiáng)的靈活性和高效性。循跡模塊采用模擬灰度傳感器，可以進(jìn)行差分方法，更能適應(yīng)更廣范圍的工作光線狀況，而不是像如紅外傳感器那樣只能輸出數(shù)字值，減少了尋跡過(guò)程中發(fā)生脫離軌跡的概率。任務(wù)識(shí)別處理模塊采用GM65掃描設(shè)備模塊，其優(yōu)點(diǎn)是功耗低，工作電流小于150mA，一體化設(shè)計(jì)，體積小準(zhǔn)確性高；顏色識(shí)別模塊采用GY—31 TCS230顏色識(shí)別傳感器，可以讀出物料的RGB值，進(jìn)行RGB-HSV轉(zhuǎn)換進(jìn)行色域分析，從而可以讀出不同物料的顏色參數(shù)。抓取模塊采用自行設(shè)計(jì)的機(jī)械手爪與DS3230舵機(jī)配合，實(shí)現(xiàn)物料的抓取與擺放。

4 物料搬運(yùn)系統(tǒng)控制算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化

內(nèi)部程序主要有三大模塊構(gòu)成：第一個(gè)是運(yùn)動(dòng)模塊：運(yùn)動(dòng)模塊由小車運(yùn)動(dòng)和機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)函數(shù)共同構(gòu)成，內(nèi)部程序中Move函數(shù)內(nèi)嵌PID算法，控制機(jī)器人的穩(wěn)定移動(dòng)和循跡。Action函數(shù)內(nèi)嵌舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)函數(shù)，控制機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)和抓取。第二個(gè)是信息模塊：由顏色傳感器和二維碼傳感器模塊組成，二維碼傳感器從外部獲取搬運(yùn)任務(wù)，顏色函數(shù)識(shí)別物料顏色信息，再將其與二維碼信息對(duì)比。第三個(gè)是傳感器定位模塊：四個(gè)模擬灰度傳感器幫助小車穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)前后方向的循跡。三個(gè)數(shù)字傳感器作為觸發(fā)中斷函數(shù)控制小車精準(zhǔn)停車。

在此程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中搬運(yùn)車在全程的穩(wěn)定運(yùn)行取決于很多因素的協(xié)調(diào)配合，其中對(duì)搬運(yùn)車運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定有重要作用的是PID算法和編碼器定位，其中PID保證了搬運(yùn)車在物料輸送與前往任務(wù)區(qū)讀取任務(wù)過(guò)程中穩(wěn)定移動(dòng)，較高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，使車身?yè)u擺幅度降到最低。編碼器幫助搬運(yùn)車實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

4 總結(jié)

本文以提高車間物料搬運(yùn)高效性與安全性為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)二維碼物料搬運(yùn)任務(wù)識(shí)別，物料識(shí)別，自主路徑規(guī)劃，自動(dòng)循跡，LED顯示搬運(yùn)任務(wù)，物料抓取與擺放，任務(wù)完成反饋等功能的全自動(dòng)物料搬運(yùn)機(jī)器人。經(jīng)組裝調(diào)試測(cè)驗(yàn)，該機(jī)器人系統(tǒng)功能穩(wěn)定完善，操作簡(jiǎn)單，搬運(yùn)效率高，投入成本低，響應(yīng)迅速，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化智能物料搬運(yùn)的同時(shí)避免了由于人工搬運(yùn)物料所產(chǎn)生的安全問(wèn)題。