一種倉庫搬運機器人分類入庫系統(tǒng)的設(shè)計

劉建興

（青島工學(xué)院 266300）

1 搬運機器人總體設(shè)計分析

智能倉庫是物流過程中的一個環(huán)節(jié)，智能倉庫的應(yīng)用，使我們物流環(huán)節(jié)的速度大大加快，在企業(yè)生產(chǎn)管理中起重要性作用。該系統(tǒng)設(shè)計的是一個小型的輪胎搬運機器人，模擬人類辨別貨物和搬運入庫的能力。搬運機器人將不同顏色的貨物分類之后運送到設(shè)定的貨區(qū)，搬運完后自主回到待命區(qū)。

根據(jù)機器人入庫分類系統(tǒng)使得搬運機器人進行以下工作：搬運機器人從待命區(qū)出發(fā)，在未分類的貨物放置區(qū)里自動抓取帶顏色的貨物，判別貨物顏色，根據(jù)貨物顏色選擇貨區(qū)路徑，然后按照路徑將抓取到的貨物放置到其對應(yīng)顏色的貨區(qū)上。比如抓取了紅色貨物后，搬運機器人直走至拐彎處，拐彎下行至路徑選擇點，根據(jù)所判斷的貨物顏色選擇路徑，將貨物搬入紅色貨區(qū)。搬運機器人在運輸?shù)倪^程中，按照擺放順序依次抓取一個貨物，判別顏色后，依次送入對應(yīng)顏色的貨區(qū)，直到倉庫上沒有貨物之后，搬運機器人自動回到啟動區(qū)上小車區(qū)。

2 搬運機器人的硬件設(shè)計分析

該系統(tǒng)設(shè)計的搬運機器人選用三個輪胎的結(jié)構(gòu)，車體前方的兩個輪胎分別配用一個電機進行驅(qū)動，車體后邊的一個后輪使用的是隨動萬向輪，不必配用電機驅(qū)動模塊，就可達(dá)到靈活轉(zhuǎn)向，且起到了平衡作用。運動機構(gòu)選擇直流電機，具有簡單且調(diào)速方便的優(yōu)勢。

根據(jù)搬運機器人的設(shè)計目標(biāo)，選用舵機配合機械手來對貨物的進行抓取動作。建議使用Arduino 1 自由度機械手臂。

當(dāng)搬運機器人前進時，利用紅外測距傳感器探測貨物是否進入其機械手夾取范圍內(nèi)。

該系統(tǒng)采用了 LED 白光燈提供照射光源。要實現(xiàn)將紅、黃、藍(lán)這 3 種不同顏色貨物放到對應(yīng)顏色的貨區(qū)的功能，重點就是能夠辨別貨物的顏色的三基色的值。設(shè)計采用了 TCS3200D 顏色傳感器，工作原理是貨物顏色通過調(diào)節(jié)濾波器濾出該貨物顏色的原色，進一步檢測濾出的原色中 R、G、B 的成分。

人為規(guī)定A、B、C 3個倉庫的到達(dá)路徑以及取貨路徑。若是未檢測到貨物，則原路返回。當(dāng)主動輪轉(zhuǎn)軸以固定的角速度旋轉(zhuǎn)時，每當(dāng)一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，計算出行走路程的脈沖數(shù)，即可確定搬運機器人行走的距離。

設(shè)計選擇了以STC12C5A60S2作為搬運機器人的微控制器的增強型 8051 單片機。

步進電機也叫步進器，它利用電磁學(xué)原理，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機，是現(xiàn)代數(shù)字程序控制系統(tǒng)中的主要執(zhí)行元件，應(yīng)用極為廣泛。我們將步進電機與單片機相連并給予電源，在系統(tǒng)識別出小球的顏色以后，單片機給步進電機一個脈沖，步進電機根據(jù)這個脈沖轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度，使小球進入到與它顏色相對應(yīng)的位置，完成顏色的分揀。步進電機作為一個軸，軸上面是一個特制原板，原板上面有個圓弧放置小球。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時帶動擋板可以來控制小球的方向。我們還要給步進電機加一個驅(qū)動源來驅(qū)動它。通過控制步進電機的步數(shù)可以控制步進電機轉(zhuǎn)動的度數(shù)，360°是397步。當(dāng)識別為紅色時，步進電機轉(zhuǎn)動60°，紅色小球進入藍(lán)色洞中；當(dāng)識別為綠色時，步進電機轉(zhuǎn)動120°，綠色小球進入綠色洞中；當(dāng)識別為藍(lán)色時步進電機轉(zhuǎn)動180°，藍(lán)色小球進入藍(lán)色洞中。單片機P1.0口接電動機1B端口， p1.1口接電動機2B接口，p1.2接電動機3B接口。

3 搬運機器人的電路設(shè)計分析

該系統(tǒng)中的搬運機器人采用了L298作為其直流電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動核心，用 1個L298芯片能夠同一時間驅(qū)動兩個直流電動機。STC12C5A60S2 單片機自己帶的 PWM 波來控制 ENB、ENA 的占空比，能進一步控制電動機的轉(zhuǎn)速。L298N 的 IN2 和 IN1 兩個引腳分別與 8051 單片機的 P4.4、P4.5 相連接，用以控制電機A正反轉(zhuǎn)；IN3、IN4 兩個引腳分別與P4.3、P4.2 相連接，用來控制電機B正反轉(zhuǎn)；OUT1和OUT2接電機A，OUT3和OUT4接電機B； ENB、ENA 兩個控制使能端分別與 P4.0、P4.1 相連接，用以對電機的進行控制。舵機與STC12C5A60S2 的 P2.4 口相連接，其工作原理為單片機產(chǎn)生的周期信號用以通過控制高脈沖的寬度實現(xiàn)舵機正反轉(zhuǎn)的功能，進一步帶動機械手臂抓取和歸放貨物。

STC12C5A60S2 芯片的 P1.4口與紅外測距傳感器的模擬輸出口相連，其工作原理為單片機將紅外測距傳感器輸出的模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓，然后根據(jù)數(shù)字電壓的大小與預(yù)定的閾值相比較，判別出機械手的探測范圍內(nèi)是否有貨物。

TCS3200D 顏色傳感器與單片機連接，以STC12C5A60S2為微控制器的8051單片機的P2.0、P2.1分別連接S2、S3兩個端口，用以選擇所需要的二極管類型。

TCS3200D顏色傳感器的使能端口 OE 連接低電平，S0、 S1 兩個引腳都連接高電平，輸出比例因子是100%，輸出引腳連接到以 STC12C5A60S2為微控制器的8051單片機的定時器輸入端T1上。TCS3200D顏色傳感器的工作原理是用定時器/計數(shù)器 T1 對顏色傳感器輸出的脈沖數(shù)進行計數(shù)，用所計數(shù)值來確定貨物顏色的原色的R、G、B三值，以此來判斷貨物顏色。

4 總結(jié)

該系統(tǒng)是采用以STC12C5A60S2的微控制器為核心硬件的增強型8051單片機，利用顏色傳感器TCS3200D判斷識別貨物的顏色；利用紅外測距傳感器探測機械手附近環(huán)境是否存在貨物，用以探測貨物所在方位；利用霍爾傳感器CS3020測量搬運機器人行走距離，用以測量路徑；應(yīng)用PWM波技術(shù)動態(tài)控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向；本設(shè)計中的機器人控制系統(tǒng)是在keil uvision3軟件上編輯程序來設(shè)計搬運機器人控制系統(tǒng)，實現(xiàn)機器人行走、轉(zhuǎn)彎以及自動分揀等精準(zhǔn)控制。