基于STM32的智能搬運(yùn)機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

姚思嘉，劉蕓，邵銘旭，王鵬家

（北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京,100192）

0 引言

在中國，60歲以上的老年人口已經(jīng)超過2億。預(yù)計(jì)到2030年，老年人口可達(dá)4億，養(yǎng)老問題日趨嚴(yán)峻，中國對(duì)護(hù)理人員需求約增加到兩千萬人次。由于護(hù)理老年人的工作量大，護(hù)理人員較少，尋找護(hù)理人員極為困難。研制養(yǎng)老服務(wù)機(jī)器人代替人工輔助老年人進(jìn)行一些基本抓取活動(dòng)，可有效緩解家庭負(fù)擔(dān)，減輕護(hù)理市場人員短缺的壓力，提升老年人的生活質(zhì)量，保障社會(huì)的穩(wěn)定發(fā)展[1]。目前市場上的服務(wù)類機(jī)器人多用于工廠方面，本文設(shè)計(jì)了一種操作簡單、智能性高、能適應(yīng)多種操作環(huán)境，基于STM32單片機(jī)，輔助老年人日常行為活動(dòng)的智能搬運(yùn)機(jī)器人。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路

機(jī)器人系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)以STM32單片機(jī)[2]為主控，機(jī)器人主要由傳感器系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置、行進(jìn)機(jī)構(gòu)等模塊組成。通過裝載的超聲模塊，可以得到機(jī)器人與障礙物的距離，實(shí)現(xiàn)自主避障。紅外模塊對(duì)超聲模塊的測(cè)量死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償，傾角模塊感知機(jī)器人的方位角度，輔助運(yùn)動(dòng)裝置運(yùn)行，保障機(jī)器人的平穩(wěn)行進(jìn)。

圖1 總體架構(gòu)

2 智能搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)

2.1 行進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是機(jī)器人的行走裝置，負(fù)責(zé)接收控制核心的命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行智能循跡，超聲避障等操作。行走機(jī)構(gòu)共有兩種設(shè)計(jì)方案，均可滿足控制需求。

（1）方案一輪式行走結(jié)構(gòu)

輪式行走機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，自身需要消耗一定的功率，一部分功率用于克服摩擦阻力，另一部分消耗在滑轉(zhuǎn)上。四輪行走機(jī)構(gòu)加裝在機(jī)器人的機(jī)體下，提高了機(jī)器人的承載能力，其機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單，易于控制。輪式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 輪行走機(jī)構(gòu)

（2）方案二履帶行走機(jī)構(gòu)

圖3 輪履行走機(jī)構(gòu)

相對(duì)于輪式行走機(jī)構(gòu)，履式行走機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜。履式行走機(jī)構(gòu)將輪子與機(jī)構(gòu)相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境的穩(wěn)定行駛。在復(fù)雜路面情況下正常工作，履式行走機(jī)構(gòu)越障能力相比輪式更優(yōu)越，具有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)化適應(yīng)力。履式行走機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖所示。

通過對(duì)比分析優(yōu)劣，機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了方案二。

2.2 抓取機(jī)構(gòu)

機(jī)械臂作為機(jī)器人最主要的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，對(duì)它的研究是人工智能和機(jī)器人學(xué)的重要研究課題。目前，大多數(shù)機(jī)器臂都是安裝在固定基座上的，它們的操作范圍十分有限。

智能搬運(yùn)機(jī)器人要求機(jī)器臂的抓持器能夠以準(zhǔn)確的位置和姿態(tài)移動(dòng)到定點(diǎn)，機(jī)器人需要具有一定數(shù)量的自由度[3]。自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，由機(jī)器人的結(jié)構(gòu)決定，直接影響機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性。機(jī)械臂能夠?qū)ψ鴺?biāo)系進(jìn)行獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的數(shù)目稱為自由度，機(jī)械臂能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)包括（圖4）：

圖4 機(jī)械臂自由度

沿坐標(biāo)軸Ox，Oy和Oz的三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)Tx，Ty，Tz；

繞著坐標(biāo)軸Ox，Oy和Oz的三個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)Rx，Ry，Rz。

一般來說自由度越多，機(jī)械臂的靈活性越大，通用性越廣，其結(jié)構(gòu)越復(fù)雜。機(jī)器臂的自由度是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵參數(shù)，工作空間中機(jī)械臂要想達(dá)到任意位姿，自由度數(shù)目應(yīng)該與所要完成的任務(wù)相匹配。

依據(jù)以上條件，抓取機(jī)構(gòu)采用了六自由度鏈?zhǔn)疥P(guān)節(jié)。抓取器的三維建模如圖5所示。

圖5 機(jī)械抓取裝置

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊是機(jī)器人的“感知器官”，負(fù)責(zé)采集外部信息，將被測(cè)量按照數(shù)學(xué)函數(shù)法則轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)，提高機(jī)器人的自主性。其中搬運(yùn)機(jī)器人的超聲模塊發(fā)出超聲波碰到雜質(zhì)或者分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。依據(jù)此原理，機(jī)器人常采用渡越時(shí)間法[4]有效躲避障礙。超聲模塊的工作方式如圖6所示。

圖6 超聲模塊工作方式

機(jī)器人裝載的ADXL345傾角傳感器可檢測(cè)自身狀態(tài)，調(diào)控機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)側(cè)翻恢復(fù)。不同的傳感器收發(fā)裝置共同組成傳感模塊。

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置

主控模塊是機(jī)器人的大腦，負(fù)責(zé)處理感知機(jī)構(gòu)所收集的外界環(huán)境信息，形成指令下發(fā)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)采用高精度數(shù)字舵機(jī)，機(jī)器人行進(jìn)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)內(nèi)部自動(dòng)進(jìn)行保護(hù)，調(diào)控履帶的行進(jìn)方式。

3 程序設(shè)計(jì)

機(jī)器人使用32位基于ARM的微控制器控制，所編譯的程序建立于定義的固態(tài)函數(shù)庫之上，每一個(gè)器件的驅(qū)動(dòng)程序的編寫都在Keil上完成。在程序驅(qū)動(dòng)下，STM32單片機(jī)完成系統(tǒng)初始化，串口與使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NRZ異步串行數(shù)據(jù)格式的外部設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，檢測(cè)當(dāng)前運(yùn)行模式，控制機(jī)器人實(shí)現(xiàn)超聲避障、定距抓取等功能。機(jī)器人采用模塊化編程，功能模塊控制程序編寫成各個(gè)功能子程序，分為循跡，抓取，智能跟隨等。

3.1 循跡子程序

在行走環(huán)境和空間結(jié)構(gòu)變化不大的情況下，單片機(jī)獲取傳感器傳輸有效信號(hào)完成循跡避障。當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，減速慢行，紅外模塊檢測(cè)障礙物返回低電平，機(jī)器人停止直行調(diào)轉(zhuǎn)方向，精準(zhǔn)調(diào)控行進(jìn)方向，完成規(guī)劃路徑。

3.2 定距抓取子程序

當(dāng)有控制信號(hào)傳輸給單片機(jī)時(shí)，首先鎖定物品，待機(jī)器人移動(dòng)到最佳區(qū)域，輸出停車信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)控制高自由度舵機(jī)進(jìn)行抓取。

3.3 智能跟隨子程序

單片機(jī)首先將4個(gè)IO口初始化為輸入口，通過預(yù)設(shè)代碼確定兩個(gè)變量speed1，speed2控制兩條履帶的速度，同時(shí)設(shè)置另外兩個(gè)變量Ar1、Ar2判斷履帶轉(zhuǎn)向，驅(qū)動(dòng)機(jī)器人完成智能跟隨。電機(jī)驅(qū)動(dòng)函數(shù)配合定時(shí)器執(zhí)行，由PWM來控制電機(jī)速度。定時(shí)器中調(diào)用另一函數(shù)，滿足100us調(diào)用一次的條件即達(dá)到1KHz的頻率，就由控制函數(shù)實(shí)現(xiàn)超聲模塊和電機(jī)裝置的聯(lián)結(jié)。程序通過判斷超聲波距離來確定小車是否前進(jìn)或者后退，不滿足設(shè)定條件則后退，小于則前進(jìn)，運(yùn)行流程如圖7所示。

圖7 智能跟隨流程

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32的智能搬運(yùn)機(jī)器人，該機(jī)器人可運(yùn)用于家庭等小空間場合，配合行為困難者完成一些簡單的抓取活動(dòng)，此種搬運(yùn)機(jī)器人切合當(dāng)今社會(huì)需求，對(duì)養(yǎng)老助殘機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。分析比較履帶式行走機(jī)構(gòu)與輪式行走機(jī)構(gòu)的優(yōu)劣，對(duì)機(jī)器人的履帶行走結(jié)構(gòu)傳動(dòng)布局進(jìn)行了簡單的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。簡述機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)和控制問題。機(jī)器人通過傳感器模塊識(shí)別路徑、發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)定距抓取，智能循跡等功能，研究了機(jī)器人的算法問題。以下是樣機(jī)成品圖8。

圖8 實(shí)物樣機(jī)