基于Arduino的小型物品搬運(yùn)機(jī)器人

陳杭龍 袁紅星 童春芽

摘 要：搬運(yùn)機(jī)器人作為一種典型的工業(yè)機(jī)器人，在交通運(yùn)輸、化工、食品加工、醫(yī)療等行業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的搬運(yùn)機(jī)器人主要針對(duì)大型物品，沒(méi)有充分考慮小型物品。針對(duì)該問(wèn)題，該文設(shè)計(jì)了一款安卓手機(jī)App控制的小型搬運(yùn)機(jī)器人。為能穩(wěn)定抓取小型物品， 該文參照人類(lèi)手臂結(jié)構(gòu)，通過(guò)大擺臂控制小擺臂，以實(shí)現(xiàn)靈活的操作;同時(shí)在小擺臂前端安裝了可以自由開(kāi)合邊緣具有嚙合齒的機(jī)械爪，在不損壞物品的前提下防止抓取物品的脫落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠牢牢抓取小型物品，并運(yùn)輸?shù)街付ǖ攸c(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 搬運(yùn)機(jī)器人;搬運(yùn);抓取;機(jī)械臂;控制

中圖分類(lèi)號(hào)：TP24? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2022）04-0082-02

1 引言

隨著工業(yè)自動(dòng)化水平不斷提高，人們對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的需求逐年遞增。搬運(yùn)機(jī)器人可根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程的要求，按一定的程序、時(shí)間、地點(diǎn)完成貨物的運(yùn)輸和裝卸[1-5]。當(dāng)前的搬運(yùn)機(jī)器人研究，主要集中在車(chē)間的大型物品搬運(yùn)方面[6]，對(duì)于小型物品的搬運(yùn)研究較少。而小型物品搬運(yùn)在家庭生活中則比較普遍。

2 硬件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人硬件部分由七個(gè)獨(dú)立的模塊組成，分別是：直流電源模塊、電壓表模塊、Arduino主控模塊、底盤(pán)運(yùn)動(dòng)控制模塊、機(jī)械臂模塊、藍(lán)牙控制模塊以及手機(jī)App模塊，具體如圖1所示。本文的主控模塊采用的是Arduino UNO[7-8]。下面重點(diǎn)敘述機(jī)械臂的設(shè)計(jì)思路。

本文將驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在機(jī)器人底座下方。底座可由電機(jī)從0°開(kāi)始驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)到180°。另一部分是上臂和下臂，安裝在底座上方，這一部分稱(chēng)為大擺臂。采用兩臺(tái)電機(jī)對(duì)大擺臂進(jìn)行控制。正常工作時(shí)，電機(jī)齒輪可以從0°開(kāi)始至180°轉(zhuǎn)動(dòng)，即大擺臂可以從上到下順利擺動(dòng)。在大擺臂安裝完成后進(jìn)行小擺臂的安裝，將可連接三個(gè)連桿的小關(guān)節(jié)安裝在機(jī)械手的兩個(gè)關(guān)節(jié)的不同側(cè)處，從而能夠利用大擺臂控制小擺臂的各種動(dòng)作，保證擺臂的靈活性。在小擺臂的前端安裝了可自由開(kāi)合的機(jī)械爪，該機(jī)械爪的邊緣有嚙合齒，可保證貨物在搬運(yùn)時(shí)不會(huì)掉落。同時(shí)，利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)為機(jī)械爪的開(kāi)、閉提供動(dòng)力。機(jī)械爪電機(jī)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度為0°順時(shí)針轉(zhuǎn)到90°，因此機(jī)械爪的開(kāi)閉范圍為0°～180°。機(jī)械爪后端的嚙合齒輔助開(kāi)啟，嚙合齒的最大擺動(dòng)范圍為90°，因此機(jī)械爪的設(shè)計(jì)最大開(kāi)閉范圍為180°。

機(jī)械臂模塊設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

主控板根據(jù)藍(lán)牙接收器接收到的數(shù)據(jù)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行控制。手機(jī)App通過(guò)函數(shù)定義的F（前進(jìn)），B（后退），R（右轉(zhuǎn)），L（左轉(zhuǎn)）將指令通過(guò)藍(lán)牙模塊傳送給Arduino主板，主板根據(jù)指令更新電機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的前進(jìn)后退右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)的功能。

機(jī)械臂部分分為上臂、下臂、底座及機(jī)械爪，每個(gè)小部分都由一個(gè)單獨(dú)的舵機(jī)進(jìn)行控制。機(jī)械爪舵機(jī)由myservo1.write函數(shù)進(jìn)行打開(kāi)閉合的定義，上臂舵機(jī)由myservo2.write函數(shù)進(jìn)行向上向下的角度定義，下臂舵機(jī)由myservo3.write函數(shù)進(jìn)行上升下降角度的定義，底座舵機(jī)由myservo4.write函數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)角度定義。機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)子程序的流程圖如圖3所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，控制機(jī)器人在貨架上夾取小型物品，其中一個(gè)測(cè)試結(jié)果如圖4所示。測(cè)試結(jié)果表明設(shè)計(jì)的機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上下臂擺動(dòng)、底座左右旋轉(zhuǎn)、機(jī)械爪打開(kāi)閉合、無(wú)線藍(lán)牙遙控等功能。

5 結(jié)論

基于Arduino開(kāi)發(fā)的面向小型物品抓取、搬運(yùn)的機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)小型物品的抓取，模擬人的手臂結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了具有上下臂的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并采用邊緣具有嚙合齒的機(jī)械爪防止抓取物品的滑落。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在手機(jī)App的控制下能夠完成小型物品的抓取及運(yùn)輸工作。

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收稿日期：2021-09-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（201911058004）;寧波市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2019A610106）

作者簡(jiǎn)介：陳杭龍（2000—），男，浙江臺(tái)州人，本科生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制;袁紅星，教授，博士;童春芽，副教授，博士。