基于单片机的模拟工业搬运机器人

摘要：模拟工业搬运机器人采用STC15单片机为主控芯片，直流电机驱动电路采用四通道驱动集成芯片L298N，并采用PWM脉宽调制驱动直流电机和舵机。结合光电传感器，舵机、红外避障模块来模拟工业物流搬运系统，能实现自动检测货物并自动抓取，循迹行进，自动卸货的功能。

关键词：单片机；PWM脉宽调制；光电传感器；舵机

一、概述

运货是各个行业不可或缺的过程，人工运货随着经济的快速发展，不能完全满足市场的需求。[1]世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。智能搬运机器人可以安装不同的末端以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，可以广泛应用于机床上下料，冲压机自动化生产线，自动装配流水线，码垛搬运，集装箱等的自动搬运，大大减轻了人类繁重的体力劳动，具有广阔的市场前景。[2]

以STC15单片机为基础，设计了模拟工业搬运系统。

二、模拟工业搬运机器人系统的总体设计

红外循迹模块，把采集出来的赛道信息反馈给单片机，单片机识别之后，给四个电机不同的PWM信号，使电机稳定的旋转。同时，红外收发管，一直在检查前方道路上是否有物块，一旦发现物块，单片机会送给舵机不同的PWM信号，舵机开始夹取，并放置到指定的位置。总体设计如下：

图1 系统的总体设计思想

三、系统的硬件设计

1.电机驱动模块设计

电机驱动采用L298N双H桥直流/步进电机驱动芯片。通过单片机模拟PWM信号，控制电机的转速。

图 2.L298N双H桥电机驱动电路

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。并且可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较方便。

3.舵机模块设计

采用三个MG995舵机模拟人的手臂及肘部。控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制脉冲周期20ms，脉宽从0.5ms-2.5ms，分别对应-90度到+90度的位置。三个舵机由于需要足够大的电流，所以需要双电源分别单独供电。

机械手的夹取通过左右两个舵机的配合来实现，左边的的舵机向右转一定的角度，右边的舵机向左一定的角度，从而实现夹取货物的目的。

机械手的抬起是通过中间舵机的顺时针转一定的角度来实现的。

4.循迹及红外避障模块

根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。黑色和白色路面对光的反射程度不同，白色反射程度强，黑色反射程度弱。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；当红外线遇到黑线时红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。

当光电传感器检测检测到黑线时，将输出一个高电平的信号给单片机。当光电传感器检测检测到白色区域时，将输出一个低电平的信号给单片机。

单片机按照光电传感器反馈回来的信号来确定小车的位置，判断小车是否偏移轨道。

5.电源模块

电源电路采用基于LM7805的输出电压为+5V输出电流为1.5A的稳压电源它包括桥式整流电路Dl到D4，电源变压器B，防止自激电容C12C13，滤波电容C1lC13及一个固定式的三端稳压器78L05，电路搭建简捷方便

图4 基于LM7805的稳压电源

图5.系统总体流程

四、系统的软件设计

系统由一下五个模块构成，分别是：主程序模块、

PWM调速模块、循迹模块、避障模块、PWM控制舵机

模块、系统总体流程如右图：

（1）主程序模块：主要完成程序的初始化，以及对各个模块进行调用；

（2）PWM调速模块：主要用于对电机的速度进行控制；

（3）循迹模块：此模块主要用来检测路线；

（4）避障模块：用来寻找前方的货物，以确定否要夹取；

（5）PWM控制舵机模块：此模块主要用来控制舵机夹取货物时的张角。

五、系统的性能测试

在进行实际的设计过程中，首先进行了软件仿真，然后实际制作电路模型在电路中输入程序，进行了实物的调试，对舵机的张角进行调试，在抓取货物或者卸下货物时，以期望达到有合适的张角，，实际测试与数据分析表明，此系统能够达到预期的效果，稳定性好。在实际中遇到的问题主要有两个方面，第一，由于舵机需要的电流较大，当使用一个电源控制四个电机与三个舵机时，电机速度过慢，于是，采用了双电源供电，此问题得到解决。第二，电机速度过快时，会冲出路线，于是，采用PWM调速，可把电机速度控制在合适的范围内，问题可得到解决。

六、结论

将电子技术实际运用到日常生活中，能解决实际生活和生产中的很多问题。从此意义上来说，找到了需求，因此，设计的产品会有更强的生命力。此系统模拟了现实生活中物流搬运系统，投入使用时能大大节省人力物力，为工业自动化奠定基础。且灵敏性好，稳定性高，简单方便，稍加扩展，便能够具有更广泛的推广和应用价值。

参考文献：

[1]骆盛来.大载荷搬运机器人结构设计与研究[D].东北大学.2010.5：30-48

[2]朱遂伍，孙杏初.工业机器人平衡系统的研究[J]；北京航空航天大学学报.1995.02：40-53.

[3]刘凤臣.姚赟峰.刘黎明.金杰锋.林纪良.郭湖兵.高速搬运机器人产业应用及发展[J].轻工机械。2012.2.50-71

指导教师：王彩霞