基于Arduino的家用搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

趙 莉，溫偉東

（1.隴東學(xué)院電氣工程與信息工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2.中國鐵塔股份有限公司慶陽市分公司，甘肅 慶陽745000）

1 概述

生活中，機(jī)器人這一名詞并不陌生，從工業(yè)到農(nóng)業(yè)，從軍事到科學(xué)，機(jī)器人無處不在，但多數(shù)人對機(jī)器人存在一定的誤解，機(jī)器人不一定具備手、眼睛、腿這樣類似人一樣的肢體，如滅火機(jī)器人、自動掃地機(jī)器人，機(jī)器人是按照人們的意愿完成某些特定動作的機(jī)器[1-2]。

智能機(jī)器代替人力已經(jīng)在各行各業(yè)有明顯的體現(xiàn)，尤其在制造行業(yè)，機(jī)器人的出現(xiàn)解放了大量勞動力。隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展與完善，對機(jī)器人的需求逐漸增加，未來智能裝備替換勞動力是必然的趨勢[3-4]。機(jī)器人有著效率高，降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)人工難以達(dá)到的精準(zhǔn)操作，在制造業(yè)中可提高制造裝配準(zhǔn)確度，使其達(dá)到0.01mm，并能夠從事危害性工作，到常人難達(dá)到的地方，它已經(jīng)備受各行各業(yè)喜愛，同時，也給人們和企業(yè)帶來了大量的效益和便捷[5-6]。

機(jī)器人可運(yùn)用于制造、安裝、檢測、物流等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，制造中包含產(chǎn)品的精確組裝和質(zhì)量檢測以及物流包裝[7-8]。機(jī)器人代替勞動力發(fā)展極快，同時提高的生活質(zhì)量，機(jī)器人可以做到人們做不到的事，在合理程序作用指引下，可以模擬人的性格，代替兒女陪伴老人，使老人們不再感到孤獨(dú)[9，10]。

基于此，本文研究了機(jī)器人如何通過特定操作來實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能。依據(jù)系統(tǒng)的功能，選取了恰當(dāng)?shù)目刂菩酒?；通過軟硬件結(jié)合，采用模塊化技術(shù)，選用Arduino作為主控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括控制模塊、機(jī)械臂搬運(yùn)模塊、藍(lán)牙通訊模塊、驅(qū)動模塊和太陽能充電模塊等，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人可通過遙控設(shè)備將物品搬運(yùn)到指定地點(diǎn)的遠(yuǎn)程控制，并由機(jī)械臂完成三百六十度無死角選擇并抓取物品，同時系統(tǒng)可進(jìn)行太陽能自給充電；系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)具有良好的控制性能和控制精度。

2 總體方案設(shè)計(jì)

家用搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為控制模塊、通訊模塊、太陽能充電模塊以及機(jī)械臂搬運(yùn)模塊，可通過手機(jī)APP進(jìn)行控制。

本系統(tǒng)由藍(lán)牙與芯片內(nèi)部通訊，進(jìn)而驅(qū)動電機(jī)，對機(jī)械臂進(jìn)行控制。在光照的作用下，太陽能電池板可發(fā)出5v電壓，及時補(bǔ)充電能。總體方案原理圖如圖1所示。

圖1 家用搬用機(jī)器人的總體方案原理圖

所研究的家用搬運(yùn)機(jī)器人，通過無線控制完成搬運(yùn)重物，具體功能如下：

1）能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制；

2）可通過遙控設(shè)備將物品搬運(yùn)到指定地點(diǎn)；

3）可三百六十度無死角選擇物品并抓??；

4）可進(jìn)行太陽能自我供給電能。

2.1 控制芯片選擇

方案一：IAP15F2K61S2單片機(jī)，采用串口下載的方式，儲藏容積大，在燒錄程序時，相對于Arduino較復(fù)雜，并且，計(jì)算速度慢。它可以在程序中進(jìn)行操作，掉電后數(shù)據(jù)也不會丟失；方案二：Ardiuno主板，Arduino可以不用了解其內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)和寄存器設(shè)置，僅僅知道它的端口作用即可。只要會簡單的C語言，就可用Arduino編寫程序。相比較于其他的開發(fā)板，處理數(shù)據(jù)的速度快，制作成本低。

根據(jù)以上的分析，結(jié)合系統(tǒng)的要求選擇方案二Ardiuno主板。

2.2 電源芯片選擇

方案一：LM7805三端穩(wěn)壓器。該穩(wěn)壓電源需要的外圍元件較簡單，由LM78/LM79系列三端穩(wěn)壓IC來構(gòu)造，電路內(nèi)部還具備過流、過熱和調(diào)整管保護(hù)電路，使用便捷，成本低廉；方案二：AMS1117-5.0穩(wěn)壓器，AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，固定輸 出 電 壓 為 1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精確度。

通過對以上方案的對比，因LM7805的價格相對便宜，其性能也比較穩(wěn)定，外圍電路相對簡單，所以選擇LM7805為系統(tǒng)電源處理芯片。

2.3 遙控模塊選擇

方案一：BC417藍(lán)牙無線模塊和紅外發(fā)送接收模塊為此系統(tǒng)的兩個無線控制模塊。BC417是藍(lán)牙集成模塊，使用起來方便有效；方案二：紅外遙控方式目前主要運(yùn)用在電視、機(jī)頂盒、空調(diào)、投影儀上，由于紅外遙控的的成本比較低，所以采用紅外線模塊來進(jìn)行對小車兩個電機(jī)的控制。

通過對比可知，BC417藍(lán)牙無線模塊，其單個模塊可作為發(fā)送（TXD）端或接收端（RXD），無線收發(fā)模塊已經(jīng)高度集，可直接使用為的成品模塊，所以選擇BC417作為系統(tǒng)的通訊模塊，對小車用紅外線控制。

3 硬件設(shè)計(jì)

利用Arduino作為主控芯片，結(jié)合藍(lán)牙通訊、四自由度機(jī)械臂、光伏充電、紅外線控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境中難以搬動的物體進(jìn)行搬運(yùn)的智能控制裝置。該系統(tǒng)具有無線控制功能，方便操控、成本低。通過BC417藍(lán)牙通訊模塊將機(jī)器與手機(jī)連接到一起，BC417簡單，抗干擾性強(qiáng)，可用于小范圍控制，適用于家居環(huán)境。同時，制作太陽能充電模塊達(dá)到供給電能的目的。

3.1 總體設(shè)計(jì)

經(jīng)過對模型的設(shè)計(jì)與元器件的選擇，確定總體設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)電路圖

3.2 控制電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)采用ATMEGA328P-AU芯片作為主控制芯片，它是一種高性能，低功耗微控制器，結(jié)構(gòu)耐力強(qiáng)，可上電復(fù)位、編程、檢測，并且外部和內(nèi)部中斷源包括六個睡眠模式：空閑，ADC降噪，電源保存，關(guān)閉，待機(jī)狀態(tài)和待機(jī)擴(kuò)展。其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于單片機(jī)，這里采用封裝好的芯片作為控制電路的主板。

3.3 通訊模塊設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊可以與有藍(lán)牙功能的手機(jī)或者電腦相連接，設(shè)計(jì)中所采用的BC417具有安全性高和穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。藍(lán)牙適用于近距離的無線控制，通過Arduino對藍(lán)牙模塊進(jìn)行控制，建立藍(lán)牙模塊與手機(jī)之間的通信，達(dá)到手機(jī)對機(jī)器人控制的目的。藍(lán)牙電路原理圖如圖3所示。

圖3 藍(lán)牙模塊電路圖

3.4 控制電路設(shè)計(jì)

電源模塊是整個電路的關(guān)鍵，由于該設(shè)計(jì)采用的舵機(jī)功率比較小，所以我們可直接采用5伏電源供電。如圖4所示，該系統(tǒng)將9v電源整流為5v電源給電路供給電能。在所設(shè)計(jì)的電路中，電源部分需要同時向三處供電，分別為Arduino主板、機(jī)械手、驅(qū)動電路。

圖4 電源模塊原理圖

3.5 驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)

MX1508芯片適合于驅(qū)動電動玩具車的轉(zhuǎn)向輪及后輪驅(qū)動。該電路工作電壓范圍從2V到10V均，具有耐高溫的性能，同時可保護(hù)電路，轉(zhuǎn)向輪驅(qū)動和后輪驅(qū)動是由它控制的電流所決定的，在轉(zhuǎn)向輪子上流過的電流小，動作輕，而驅(qū)動輪是它的兩倍之多，提供強(qiáng)大的動力。該驅(qū)動電路內(nèi)置過熱保護(hù)電路。由于通過驅(qū)動電路的負(fù)載電流大于電路的最大電流，所以電路內(nèi)部芯片的溫度將會快速升高，一旦超過設(shè)定值，系統(tǒng)內(nèi)部電路將立即被關(guān)斷，切斷負(fù)載電流，避免燒毀電路。在確保電路恢復(fù)到安全溫度后，才允許再次對電路進(jìn)行控制。MX1508驅(qū)動模塊主要是對于小車底座的雙驅(qū)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動。

3.6 搬運(yùn)模塊設(shè)計(jì)

家用機(jī)器人搬運(yùn)模塊由機(jī)械臂來操作完成，通過手機(jī)控制端發(fā)送指令到藍(lán)牙模塊，再執(zhí)行所發(fā)指令選擇相應(yīng)的模式，分別控制每一部分的動完成。其機(jī)械臂由四個舵機(jī)來控制，舵機(jī)由直流電機(jī)，變速齒輪、控制電路板和可調(diào)電位器構(gòu)成。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 主程序設(shè)計(jì)

家用搬運(yùn)機(jī)器人的編程是基于C語言進(jìn)行的，編程工具是visual c++，將舵機(jī)分別連接到控制板A0，A1，A2，A3接口，相應(yīng)的接口將其分別定義為0，1，2，3， 其中 A0，A1，A2，A3 分別連接爪舵機(jī)，小臂舵機(jī)，大臂舵機(jī)和旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，其控制部分程序如下:

主程序流程圖如圖5所示，每一個模式選擇后都有相應(yīng)的延遲時間，延遲時間設(shè)定為10s，延遲的主要作用是防止抖動的，也就是說，延遲前和延遲后按鍵為同一個鍵才確認(rèn)是按鍵按下，否則認(rèn)為是錯誤的操作，系統(tǒng)不作處理，這也是一種抗干擾的措施。

圖5 主程序流程圖

4.2 通訊模塊軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)程序檢測到右轉(zhuǎn)信號時，則執(zhí)行右轉(zhuǎn)動作，否則直接跳出程序；當(dāng)程序檢測到左轉(zhuǎn)信號時，執(zhí)行左轉(zhuǎn)動作，否則直接跳出程序。同樣地，在藍(lán)牙模塊中也是如此，控制芯片通過對機(jī)械手的控制，從而連接相應(yīng)的數(shù)據(jù)接口來控制四個舵機(jī)，以此達(dá)到通訊的目的。

4.3 搬運(yùn)模塊軟件設(shè)計(jì)

搬運(yùn)物品是由對控制舵機(jī)來完成的，首先，系統(tǒng)初始化，servo1、servo2、servo3、servo4、分別代表機(jī)械手的四個舵機(jī)，通過手機(jī)端控制，當(dāng)控制端發(fā)出什么信號，系統(tǒng)就執(zhí)行相應(yīng)的動作，直到動作完成。為了使系統(tǒng)穩(wěn)定，在每一個動作之前，系統(tǒng)預(yù)先延遲10s，來保護(hù)電路。

5 系統(tǒng)調(diào)試

硬件做好之后，就到系統(tǒng)的調(diào)試了，這也是最重要和最困難的部分，會出現(xiàn)很多的設(shè)想不到的問題，比如：在最優(yōu)控制精度的基礎(chǔ)上怎樣做到四自由度的旋轉(zhuǎn)；在系統(tǒng)組裝上如何讓舵機(jī)角度適宜；電源部分是否調(diào)試好，太陽能電池板在陽光直射的情況下是否達(dá)到5V，在供電的過程中，是否直接給控制芯片供電等。此外，在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的最主要問題是機(jī)械臂一直在抖動，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終通過給機(jī)械臂加一個單獨(dú)的電源得以解決。

系統(tǒng)調(diào)試分為舵機(jī)角度調(diào)試、機(jī)械臂調(diào)試、電源調(diào)試、組裝調(diào)試和軟件調(diào)試。首先是對于舵機(jī)角度的調(diào)試，在電路中，如果沒有將角度調(diào)試好，會出現(xiàn)舵機(jī)燒壞，系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。之后將舵機(jī)組裝到機(jī)械臂中，使機(jī)械臂可以自如的運(yùn)行。在電源方面，直接用LM7805供電，電路盡可能簡單。軟件方面，從程序的編寫到燒錄再到上位機(jī)的調(diào)試，其調(diào)試軟件如圖6所示。

圖6 上位機(jī)調(diào)試軟件操作界面

圖6中，硬件與上位機(jī)軟件連接由COM4接口連接，很明顯，在軟件界面上，一共有四個橫條在上面，他們分別記錄四個舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，在設(shè)定、調(diào)試好之后，系統(tǒng)會記錄調(diào)試的動作，保存之后，會按照設(shè)定的動作進(jìn)行。本設(shè)計(jì)通過藍(lán)牙進(jìn)行無線控制，其調(diào)試過程簡單，只需要將二者連接即可，方便快捷有效。最后，將所有的硬件組裝完成后，進(jìn)行調(diào)試，保證所有的動作可以按規(guī)定完成。

6 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino的智能家用搬運(yùn)機(jī)器人，利用Arduino作為主控系統(tǒng)，結(jié)合藍(lán)牙通訊技術(shù)、機(jī)械臂、光伏充電技術(shù)等實(shí)現(xiàn)對家居環(huán)境中難以搬動的物體進(jìn)行搬運(yùn)的智能控制裝置。該系統(tǒng)具有無線控制功能，通過BC417藍(lán)牙通訊模塊將機(jī)器與手機(jī)連接到一起，操作方便、成本低。系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，小范圍控制精度高，適用于家居環(huán)境。