【自动避障搬运机器人设计8700字（论文）】

第I页第1章绪论1.1研究背景及意义 在全球经济飞速发展的情况下，制造业的崛起应运而生，同时各领域正在向智能化方面发展。在此背景下我们需要一款自动避障搬运机器人代替人们去完成那些劳累重复的工作。本课题主要以设计和制造一台自动避障搬运机器人为出发点，以替代手工作业，以节省人力，并以此为依据，减少成本。如今，自动化作业机器人已经被广泛地应用于科技、生产、加工、服务等各个领域。相对于一般的人力，自动化机器人的综合性能是人力所不能及的，而且在一些不适用于手工操作的工作环境中，自动化机器人不外乎是最优选择。首先，搬运机器人在很大程度上实现了自动化，可以实现更高的工作效率，从而克服了劳动生产率低、安全不保证、生产成本高的问题。其次，自动搬运机器人投入使用后，可以最大程度地降低或避免意外。利用机械臂取代人工，使加工与制造更有韵律。同时，自动搬运机器人的工作寿命和工作时间超过了通常的人工工作时间，同时也降低了人工的使用。降低劳动强度、提高生产率、严格控制节拍是现代工业发展必然要求。1.2自动搬运机器人国外研究现状自工业革命开始，科技逐渐成为第一生产力，机器人产业相继迎来了发展的新高度，进而搬运机器人市场也顺势而起。当前，在一些不适合于手工操作的环境中，会出现大量的搬运机器人。我国经济的快速发展，行业生产需求日益增长，对搬运机器人在性能、数量上都有了新的要求。搬运机器人最初广泛应用于汽车流水线，主要用于搬运体积大、质量大、不易搬运的坯料及工件，充分利用搬运机器人的承载能力优点。一些发达国家设定了人类搬运的极限，超出极限的工作只能由机械臂来完成。日本、美国是机器人技术发展最快并且使用量最大的国家，1960年美国第一批生产了运输机器人，20世纪中叶发明了Versatra和Unimate，由Umination公司负责，并且首次用于搬运工作。目前来讲，在机器人的研发和生产应用等方面美国仍然处于领先地位。美国洛克福特工厂制造的160毫米口径的弹体，它的重量大概在一百二十公斤左右，从原材料到组装，都不需要工人来完成。采埃孚是德国最大的齿轮箱供应商，使用了搬运机器人来处理大型部件。相对与美国而言，日本在机器人研发应用方面虽然不能说比美国强，但是日本在机器人数量等方面也一直领先世界上很对的国家。日本与美国的智能搬运机械公司进行了深入的沟通，将先进的机械加工技术引入日本，并将人力、技术资源整合到一起，到了20世纪90年代末，实际生产的自动搬运机器人已达一万多台。总体而言，国外相对于国内来说对机器人的认知及研发生产比国内较早。1.3自动搬运机器人国内研究现状但是国内也从来没有停止对机器人的探索及开发，北京起重机械研究所于1975年研制成功了我国首款以电磁导航为主的自动搬运机器人，其导向模式与国外传统的牵引式导向系统存在较大差异。为便于远程操作人员的管理，降低部分搬运作业中的不必要环节，国产搬运机器人增加无线通讯装置，以使之更加便利和实用。同时，在实际现场应用电磁导航技术，可以减少货物的运输时间，提高整体仓库的运转效率，并能有效地处理单个商品，适合食品加工厂等企业搬运。据相关资料查阅可知，国外自动搬运系统在90年代左右被引进我国某汽车生产公司，前期主要还是以人工为主，自动搬运机器人为辅来进行生产的，但是在长期的使用过程中发现自动搬运机器人的生产效率远大于人工操作，也因此越来越受众多企业的关注，更多企业更倾向于把自动搬运机器人以及相关的生产技术投入到生产实践中。为应对双十一的庞大货物分拣负荷，天猫集团在二零一五年引进了由Geek+公司开发的物流移动自动化机器人，并将由Geek+公司团队开发的智慧移动自动化机器人广泛应用于现场的产品分拣，从而有效分担了因双十一货物增加对公司物流配送所造成的影响。京东公司于2016年推出了自己的仓储和搬运机器人，这种机器人具有体型小、占地少、可装载300kg的货物的优点，可以充分满足物流仓库中的普通货物。缺点是这种类型的搬运机器人，必须将货物从架子上转移至分拣平台，再由人工进行二次分拣。目前国内部分啤酒企业已将搬运机器人用于生产啤酒，从而减少了生产中的损坏率，提高了工业的生产率，同时采用了先进的控制系统，很大程度上的保证了产品的稳定性和连贯性。尽管我国在自动搬运机器人领域的研究比较滞后，投入到实际生产中的时间也比较短，但是随着技术的发展，我国已经逐渐向自主研发转变。随着市场对产品工艺的日益增长，对自动化的要求也越来越高，这也是自动搬运机器人不断升级和更新的动力。1.3本文研究内容本设计的研究内容:搬运机器人以电动四驱小车为主要载体，搭载STM32F103C8T6最小系统安装为每个传感器模块的控制核心，利用红外循迹模块来测量车辆的行进路线，并利用超声波传感器实现防撞和测距，同时利用Aiduino和蓝牙无线通信模块通过调节舵机转动来控制四轴机爪抓取货物，对各模块反馈的信号进行算法处理，从而通过调节车辆的四个直流电机来调节前进速度和旋转方向，使机器人将货物放到指定位置。最后通过软件编程使机器人完成一系列的动作及路线。总体功能设计主要包括以下几个方面：通过跟踪模块检测和调整自动避障处理机器人的路径，通过避障模块为自动避障操作机器人执行避障和距离测量功能，以及通过控制电机驱动模块来控制自动避障处理机器人的行进速度和角度方向。最后，单片机通过各传感器模块的反馈信息控制DC电机的转速和方向，使机器人将货物运送到指定位置。最后，通过对系统软件编程，实现一系列行进及搬运过程。章节安排：第一章是绪论，主要对国内外自动搬运机器人的发展现状和趋势以及研究意义进行详细介绍。第二章主要介绍了本设计的总体设计方案以及设计构思，并以此完成了硬件的选型。第三章详细阐述了自动搬运机器人各功能模块的设计以及工作原理第四章是介绍了用于实现本设计的各个模块及其实现过程。第五章为系统调试，介绍了对本次设计从软硬件方面的调试。第2章搬运机器人总体方案设计2.1总体设计方案自动搬运机器人本设计的主要元素，主要由控制器、执行机构、循迹模块、通讯模块组成，现确定如下方案：自动避障搬运机器人从起始点出发，通过指定路线循迹到货物位置，自动避障搬运机器人停止循迹，操作机械爪抓取货物，然后调整机器人姿态继续循迹，检测到货物放置点时放置货物后循迹回到起始点。确定自动避障搬运机器人的主要功能如下：

（1）经单片机处理循迹模块采集的轨道信号，从而控制机器人循迹行走。（2）经单片机处理避障模块通过超声波采集的距离信息，对路线中的障碍物进行避障。（3）通过舵机机械爪转向角度，从而实现机械爪抓取货物。系统总体设计如图2-1所示。图2-1搬运机器人总体设计框图2.2各模块的选型2.2.1主控模块的选型51单片机和STM32单片机在主控模块的选择上最主要的两种方案。方案1：51单片机具有广泛的应用前景，但是它的运行速度太慢，部分功能需要扩充，对周边器件的要求也很高，这将会加重软件和硬件的负担。方案2：意法半导体集团开发的一系列微控制器之一就是STM32。STM32单片机本身有很多特点。STM32单片机包括增强I/O端口和APB总线，其中两条APB总线与设备相连，可以很好地控制外部设备。具有十分丰富的界面和功能模块，有完整的开发工具，有较多的开发材料，具有很好的实用价值。结合上述两个方案的对比，本设计选用STM32F103C8T6作为微控制器。图2-2STM32F103C8T6实物图2.2.2电源模块选型在正常供电的情况下，各个模块都能正常运行，自动避障搬运机器人能够有效的完成路线和动作，所以电源模块是本次设计的基本保证。有以下两种供电方案：方案1：电源选用锂电池，稳压后给自动搬运机器人系统供电。与干电池相比，锂电池具有更大的存储容量，可以提供更长的电池寿命，并且可以充电，但成本较高。广泛用于电动车、街灯、航灯、小型家电。方案2：选用12V干电池，通过调压器将12V的电压降低，为单片机系统和其他模块供电。广泛应用于如国防，科研，通讯，航海，航空，医学等国民经济。对本设计来说，选用了12V干电池作为电源，由于12V干电池在给主控芯片供电后也足以供给其他模块，使各模块能够正常运转，并且成本较低。2.2.3电机驱动模块的选型为了让搬运机器人运动，须采用电动机传动装置。目前市面上使用最多的是L298N和L293D。如表2-1所示从表中数据来看，L298N各方面都优于L293D。L298N比较适合本设计的性价比。综上所得，搬运机器人的移动系统设计是由12V干电池作为电源，通过电机驱动L298N模块控制直流电机转动实现机器人在地面的自由移动。因此，本设计选用L298N双H桥DC电机作为主驱动模块。2.2.4电机的选型对于电机选型主要有两种方案：方案一：使用DC电机。DC电机的优势在于灵活、频带宽、运行稳定、噪音低、效率高。方案二：步进电机控制简单，精度高，无累积误差。但它的缺点也很明显，噪音分贝高，高速时扭矩低，启动频率低。基于以上比较，认为DC电机相对比较节约成本。2.2.5循迹模块该方案中的循迹模块可以使自动搬运机器人沿着黑色胶带所规划的路径进行自行移动，在常规的设计中，一般都是通过红外探测来完成。因为黑胶与白纸之间的反光系数有差异，因此可以根据其特性来设计循迹。如图2-3所示。图2-3红外对管实物图2.2.6避障和测距模块的选型本设计考虑了以下两种常用传感器的性能，主要是为了达到避障和测距的目的，最后并加以选择。方案一:超声波传感器，主要通过发射和反射声波来完成。将物体放在传感器前面，当声波与物体接触后，会将声波传递给传感器，从而测量距离。方案二:红外传感器，通过发射红外光和反射光来测量距离。红外线照射在目标表面，使其反射红外线。当红外线传感器再一次收到反射的光线时，可以用方程式来求出距离。但是红外线感应器易受到其它因素的影响而产生偏移或误差。根据设计要求，采用基于HC-SR04的超声波传感器实现避障和测距。当搬运机器人与前面的障碍之间的距离低于预定的10公分时，自动搬运机器人停止移动。由此可知，搬运机器人的循迹系统设计为五个红外对管组成，中间两个为检测循迹路线，两边各一个是为了检测地点。实现在规定路线内重复运动。图2-4HC-SR04实物图2.2.7搬运模块本设计中，配合操舵控制器的角度转换，利用机械手机构来搬运和卸货，以完成物品的搬运和卸载。本方案选用了SG90型舵机，其控制方式简单，便于与单片机接口，并可调整执行机构的角度。舵机实物如图2-5所示。图2-5舵机实物图第3章系统硬件设计该系统主要包括5个模块：主控、电机驱动、循迹、测距避障、搬运。3.1控制模块设计循迹、避障、主控等是该部分的主要模块。3.1.1STM32F103C8T6最小系统单片机可以通过单片机最小化系统在最短的时间内完成程序。机器人的处理器需要与外界通讯，控制小车的电机满足调速要求，并对各模块的信号进行整合处理。如图3-1所示。图3-1STM32F103C8T6最小系统原理图最小的单片机系统一般有以下几个模块：1、电源电路为主控系统为各模块正常工作提供驱动。由于各模具有不同块的额定电压值，调节器模块降压后，要把原来的12V的电压转换为每个组件所需的额定电压。2、晶体振荡器电路，也称为时钟电路。该系统可以为主控芯片提供系统时钟，为CPU等模块的正常运行奠定基础。3.1.2超声波避障模块本设计中，自动搬运机器人的避障和测距由HC-SR04超声波模块完成，如图3-2所示。图3-2超声波模块原理图其原理是:在I/O口先输出一个高电平后，超声波模块会立刻发出超声波。同时，定时器开启并检测连接到I/O端口的电位。当检测到返回的声音后，回声发出高电压，定时器关闭。此时，超声波传感器从发射信号到接收器的反馈信号所用的时间为计时器所读取的时间。由此，根据式(3-1)可计算出距离。式(3-1)式中，c为超声波直线传播的速度，是传感器测量的时间之和，n是测量的次数。结果会随着测量次数的增多而变得越来越准确。自动搬运机器人与障碍物之间的距离d，可以通过三个参数和标准公式计算。该模块采用多次连续测量来减小测量误差。当d值低于编程值时，自动搬运机器人停止。综上所述，搬运机器人的避障系统采用超声波测距避障，可精确判断障碍物距离并且及时做出动作。同时超声波避障相比于红外传感器来讲，超声波避障不受光照影响，因此更适用于相对复杂的环境下。3.3搬运模块设计搬运模块主要由蓝牙模块、舵机，机械爪构成。3.3.1蓝牙模块本设计选用HC-05蓝牙模块控制舵机转向和机械爪完成货物的抓取。如图3-3所示。图3-3HC-05蓝牙模块原理图HC-05是CSR的主流蓝牙芯片，功能齐全，功耗低，价格便宜，是一种以蓝牙标准V2.0为基础的数字传输模块，具有3.3V的工作电压，可设定的波特率在4800-1382bit/s之间，2.4GHz为蓝牙的工作频率，预计可以达到10米左右的距离，但是在实际应用中会根据场地不同而变化[22，23]。HC-05模块通过蓝牙遥测控制器与主控芯片相连，是蓝牙APP与主控芯片之间的数据通讯桥梁，既能接收数据，又能传输数据。在发送端，负责将处理设备的状态反馈给APP。在HC-05模块与主控芯片对接过程中，其主要功能是将HC-05的串口收发端与单片机的串口收发端相通信。3.3.2舵机SG90舵机作为该部分的核心硬件。如图3-4所示。图3-4SG90舵机原理图主要结构包括：减速齿轮组、电机、电位器和控制电路。通过接收端将控制信号输入到信号调制晶片中，并将其转换成直流偏压。通过对直流偏压与电位计的电流进行对比，可以得出平均值，然后将其输出。最后，压力传递至电力驱动芯片，调节电动机的正反向。当电机转速不变时，电位器由串联减速器驱动，使电位器的差值变为0，电机将停止运转。通常情况下，舵机的控制要求在20毫秒内完成，以180度角伺服系统为例，其脉冲幅值与马达转动角的相应控制关系如下表3-1所示：在本设计中，在所有的控制算法都已完成之后，由单片机将所得的数据转化为PWM信号，并将其输入至操舵系统。由于单片单片机仅依靠硬件的计数就能完成对控制信号的变化。3.3.3搬运装置设计搬运装置是由一个四轴机械爪通过Arduino和蓝牙模块控制舵机转动方向来实现货物的抓取和放置。Arduino原理图如图3-5所示。图3-5Arduino原理图第4章系统软件设计自动避障搬运机器人的硬件系统是软件设计，通过软件编程实现硬件驱动的设想。软件的设计主要由主程序和其它子程序两部分组成，在设计软件的编程部分，使用了cubemx软件和Hal驱动程序库。为了便于迁移，在keiluvian5中开发了驱动程序库。4.1主程序设计自动避障处理机器人的整体操作通过红外跟踪模块和避障模块接收并生成各种信号，通过红外、超声波等信息的反馈，控制电机的运行，实现方向和速度的调节。总体设计图如图4-1所示。图4-1自动避障搬运机器人主程序4.2避障程序设计本部分超声波传感器通过对搬运机器人周围环境的探测，整个跟踪过程中，会触发障碍物和距离测量功能。超声波光会被超声波传感器反射在障碍物上，之后再被超声波传感器转变成视觉信息，再经过整形并传递到单片机，使其根据反馈信息工作。使用设定的程序，当超声波模块探测到移动机器人和障碍物之间的距离大于十厘米时，机器人会继续沿着轨迹移动，在距离障碍10公分以内时停止移动。如图4-2所示。图4-2避障流程图4.3红外循迹程序设计该部分通过红外线到自动避障搬运机器人前端底部的管子来探测跟踪路线，红外线向管子发射红外线，不同光线可以转换成不同的阻力信号。当检测到路面是白色或黑色时，红外探头的相应端口分别输出低电平和高电平。通过传感器的反馈，单片机反向调节DC电机来调节机器人的运行状态，通过中间三条红外线对管道的反馈，调节自动避障搬运机器人在预定路线上的自动跟踪。自动搬运机器人的红外跟踪过程如图4-3所示。图4-3循迹流程图第5章系统调试验证5.1系统调试首先确认电路是否正常，烧入程序控制电机转动，电机正常运转，表示电机和电机驱动无故障。然后烧入避障程序，在正常运行的小车前面放上障碍物，小车在接近障碍物时停止运动，拿走障碍物后小车继续行走，说明避障模块可以正常使用，然后通过手机APP连接蓝牙模块控制舵机转动和机械爪的操控，发现舵机可以正常转动并且机械爪也可以正常操控。从以上调试可以看出机器人的电路、电机、STM32主控、电机驱动模块、避障模块、蓝牙模块等均可以正常使用。因此机器人整体系统调试没发现问题。机器人整体图片如图5-1所示。图5-1机器人整体图5.2硬件设计对各个硬件按照自动避障搬运机器人功能要求连接好每个器件的电源线，并且确保电源正负极不会接反，再将信号线连接到单片机上并且检查每个引脚是否接对。安装电池打开电源仔细检查各路线是否有短路或者发热现象。硬件组装成品如图5-2所示。图5-2硬件设计图5.3软件设计5.3.1电机调试利用干电池为直流电机提供12V的电压，可以看到电机可以正常转动，然后将正负极反接，电机开始反转，则证明直流电机正常。然后，将准备好的两台DC电机接入L298N驱动模块的两个输出端口。接着，连续改变ENA和ENB使能引脚的PWM信号。此时，将观察到两个DC电机的转速已经改变，并且测试是正确的。最后，调整直流电机的速度，以防止小车速度过快导致跟踪过程中出现较大偏差。最后，通过调节速度，来控制自动搬运机器人可以正常运行。如图5-3所示。图5-3电机结构图5.3.2循迹模块调试启动电源后，自动搬运机器人沿着预定的路线行进，起初因为速度太快，很容易出现偏差，调整了速度后，机器人的轨迹循迹精度就会提高。但是，由于用于追踪的红外对管位置比较高，有时会受到光线的干扰，调整后，将红外定位管放置在小车底部。通过调整电位计，提高了跟踪灵敏度，从而提高机器人的跟踪精度。如图5-4：图5-4循迹实拍图总结在全球经济飞速发展的情况下，制造业的崛起契机应运而生，同时各领域正在向智能化方面发展。在此背景下我们需要一款自动避障搬运机器人代替人们去完成那些劳累重复的工作，而且搬运机器人不知疲倦，节省了大量的人力，提高了效率并且在搬运及分拣当中不会因为物品的过大而造成人员的受伤，大大保障了人员的安全，因此搬运机器人的诞生和发展逐步成为社会的主流，搬运机器人已经占据了工业机器人很大一部分，目前在全球的制造业范围内搬运机器人已经成为了生产制造过程中不可或缺的工具。就目前来说，搬运机器人的设计经过总体设计、硬件选型和选择、软件设计、硬件组装、软硬件调试，能够实现预设的基本功能，将误差和失误减少到一定范围，实现移动、避障和携带等功能。有希望解决传统搬运机器臂只能固定在定点进行搬运的弊端。本次工作总结如下。（1）依据本设计的要求，通过查阅资料分析搬运背景和搬运机器人的国内外现状并明确了研究意义。（2）搬运机器人的移动系统设计是由12V干电池作为电源，通过电机驱动L298N模块控制直流电机转动实现机器人在地面的自由移动。（3）搬运机器人的循迹系统设计为五个红外对管组成，中间两个为检测循迹路线，两边各一个是为了检测地点。实现在规定路线内重复运动。（4）搬运机器人的避障系统采用超声波测距避障，可精确判断障碍物距离并且及时做出动作。同时超声波避障相比于红外传感器来讲，超声波避障不受光照影响，因此更适用于相对复杂的环境下。

参考文献NikNurZuliyanaMohdRajdiNJ.IntelligentWheelchairControlPrototypeUsingVoiceRecognitionSystemforDisabledPatients[J].InternationalJournalofEngineering&Technology，2019SimpsonRC.Smartwheelchairs:Aliteraturereview[J].TheJournalofRehabilitationResearchandDevelopment，2005，42(4):423.RuzaijMF，NeubertS，StollN，etal.HybridVoiceControllerforIntelligentWheelchairandRehabilitationRobotUsingVoiceRecognitionandEmbeddedTechnologies[J].JournalofAdvancedComputat