基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

付裕

摘要：針對傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人存在的工作范圍狹窄、只能工作于平坦地形等問題，文章提出一種將STM32單片機(jī)作為核心結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)，采用型號為NRF24L01的無線傳輸模塊，使有效傳輸距離超過100 m，滿足STM32單片機(jī)對電壓的實(shí)際需求。為保證搬運(yùn)機(jī)器人的靈活性，將人類手臂的分關(guān)節(jié)靈活彎曲工作特點(diǎn)作為主要依據(jù)，建立六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂。該機(jī)器人具有較高的使用價值，可最大限度地節(jié)約人力以及時間成本，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線搬運(yùn)的智能化、高效化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：STM32單片機(jī)；搬運(yùn)機(jī)器人；六自由度機(jī)械臂；工位呼叫器

中圖分類號：TP242文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著我國科技的迅速發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域逐漸走向智能化。由于機(jī)器人可以在極其惡劣的環(huán)境下高效完成電氣焊接、流水線以及高空作業(yè)等工作，具有較強(qiáng)的工作穩(wěn)定性，越來越多的機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的多個領(lǐng)域，替代人類完成各項(xiàng)高危工作。但是傳統(tǒng)搬運(yùn)機(jī)器人主要采用固定式或輪式平臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方式對于機(jī)器人的移動范圍具有局限性，只能將其應(yīng)用于平坦地形。為此，本文提出一種基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，方案將人類手臂的分關(guān)節(jié)靈活彎曲工作特點(diǎn)作為主要依據(jù)，建立六自由度關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，使機(jī)器人的可控角度更大。

1 基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案

為了實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的整體控制，在對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，可以分為移動控制和機(jī)器人與工位呼叫器通信兩部分。其中，移動控制部分主要負(fù)責(zé)控制搬運(yùn)機(jī)器人的移動路線；工位呼叫器通信部分主要負(fù)責(zé)建立機(jī)器人與外界的聯(lián)系，有利于操作者實(shí)時掌握搬運(yùn)機(jī)器人的工作狀態(tài)，搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體方案如圖1所示［1］。

搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的工作流程為：通過工位呼叫器喚醒?？吭谲囬g坐標(biāo)原點(diǎn)的搬運(yùn)機(jī)器人，使搬運(yùn)機(jī)器人恢復(fù)工作狀態(tài)，由操作者利用工位呼叫器向搬運(yùn)機(jī)器人的控制中心發(fā)送搬運(yùn)指令，當(dāng)指令最終到達(dá)機(jī)器人的目的工位坐標(biāo)后，搬運(yùn)機(jī)器人會成功接收指令，然后根據(jù)循跡算法控制自身移動路線，以此實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)的目的。在循跡算法的支持下，搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)具有循跡、避障以及無線收發(fā)等功能。搬運(yùn)機(jī)器人到達(dá)指定地點(diǎn)后，工人將需要搬運(yùn)的產(chǎn)品放置于機(jī)器人的托盤上，按下機(jī)器人機(jī)身的搬運(yùn)鍵，機(jī)器人可按照系統(tǒng)設(shè)定路線完成產(chǎn)品搬運(yùn)。若機(jī)器人在產(chǎn)品搬運(yùn)期間接收到來自工位呼叫器傳輸?shù)男轮噶?，則返回初始位置，完成下一次搬運(yùn)任務(wù)［2］。

1.2 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人的核心結(jié)構(gòu)為關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，機(jī)械臂有利于提高搬運(yùn)機(jī)器人整體活動的靈活性，實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)品的精準(zhǔn)搬運(yùn)。為了保證搬運(yùn)機(jī)器人工作的靈敏度，對搬運(yùn)機(jī)器人的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，將人類手臂的分關(guān)節(jié)靈活彎曲工作特點(diǎn)作為主要依據(jù)，設(shè)計(jì)出一種六自由度機(jī)械臂?；诹杂啥鹊年P(guān)節(jié)型機(jī)械臂可對產(chǎn)品進(jìn)行精準(zhǔn)定位及抓取，具有較高的靈活性和精準(zhǔn)性。機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)主要包括基座、手臂、手腕以及夾持器，為實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂各部分結(jié)構(gòu)的緊密相連，采用多個合金支架，利用螺絲將機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)組成零件與舵機(jī)建立連接。機(jī)械臂與舵機(jī)成功建立連接后，可通過搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制器對每個舵機(jī)進(jìn)行控制，達(dá)到搬運(yùn)物品的目的。

2 基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STM32單片機(jī)的最小系統(tǒng)與感知電路

對搬運(yùn)機(jī)器人的核心結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時，主要采用STM32F103C8T6主流控制器芯片，該芯片可對搬運(yùn)機(jī)器人的電機(jī)驅(qū)動電路、紅外循跡、避障功能電路等部分進(jìn)行精準(zhǔn)控制。其閃存為64 KB、供電電壓為3.3 V、主頻達(dá)到72MHz。內(nèi)部包含48個引腳，搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)可使用的GPIO超過32個。搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)在STM32單片機(jī)的支持下，可實(shí)現(xiàn)對移動范圍的精準(zhǔn)控制，有利于提升機(jī)器人的工作效率，滿足對搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求［3］。

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人主要面向?qū)捈s8m、長約20m、占地面積約160m2的生產(chǎn)線，為實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中無線通信模塊的有效傳輸，應(yīng)結(jié)合勾股定理，將該模塊的傳輸距離控制在22m以上。但是該模塊對短距離數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸時，無法達(dá)到有效通信的目的。將該模塊與短距離無線通信模塊進(jìn)行對比可知，短距離無線通信主要采用型號為NRF24L01的無線傳輸模塊，該模塊內(nèi)存為2.4G，有效傳輸距離超過100m，供電電壓為3 V～5.5 V。將該模塊與STM32單片機(jī)建立連接，并使用SPI總線通信方式中的PA4-PA9引腳與NRF24L01無線模塊連接在一起，可滿足STM32單片機(jī)對電壓的實(shí)際需求。

由于搬運(yùn)機(jī)器人主要通過紅外循跡傳感器識別路徑實(shí)現(xiàn)物品搬運(yùn)，為此選用XD-201型號的紅外循跡傳感器，該傳感器具有四路循跡功能，識別距離為2cm～30cm，檢測角度為35°，供電電壓為3 V～5 V，滿足搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。為最大限度地降低搬運(yùn)機(jī)器人搬運(yùn)物品過程中出現(xiàn)碰撞現(xiàn)象，需要搬運(yùn)機(jī)器人具備實(shí)時避障功能。但是紅外循跡傳感器易受外界光線干擾，遇到物品為透明狀態(tài)或者存在圓形凸物時，該傳感器的避障功能可能存在失效情況。為解決搬運(yùn)機(jī)器人的避障功能缺陷問題，采用PB8-PB9兩個引腳分別對超聲波模塊視為Trig和Echo兩個引腳進(jìn)行控制，該模塊型號為RCWL-1601，檢測距離為2cm～450cm，供電電源為3.3 V～5 V 。

2.2 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動電路

當(dāng)搬運(yùn)機(jī)器人處于實(shí)際工作狀態(tài)時，托盤內(nèi)部放置的溫控產(chǎn)品為1kg～4 kg。為保證搬運(yùn)機(jī)器人可承載物品勻速前進(jìn)，需要向機(jī)器人內(nèi)部輸入足夠的電機(jī)驅(qū)動電流以及堵轉(zhuǎn)扭矩，其數(shù)值至少大于4kg·cm，該數(shù)值下的電機(jī)驅(qū)動電流以及堵轉(zhuǎn)扭矩可成功驅(qū)動輪轂前進(jìn)。對電機(jī)驅(qū)動電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時，采用型號為L298n的電機(jī)驅(qū)動芯片，該芯片可持續(xù)穩(wěn)定輸出2A電流，最高工作電壓高達(dá)50 V。對電機(jī)驅(qū)動電路的輪轂設(shè)備進(jìn)行選擇時，采用型號為ZGB38RG的直流減速電機(jī)，該電機(jī)供電電壓為12 V，扭矩可達(dá)6.5kg·cm。在實(shí)際電路設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)向其中添加10 μF和104電容，以此作為濾波電容。

2.3 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)工位呼叫器電路

工位呼叫器電路主要采用STC15W408AS主控芯片作為核心部分，選擇SOP28進(jìn)行封裝。STC15W408AS主控芯片憑借較少的外圍電路、8K閃存、512字節(jié)SRAM以及SPI總線資源，使該芯片被廣泛應(yīng)用于無線傳輸模塊中，有利于實(shí)現(xiàn)對NRF24L01無線模塊的控制，并且STC15W408AS主控芯片只要插入電源即可工作。工位呼叫器主要使用矩陣鍵盤完成目標(biāo)工位號的輸入，對于成功輸入的目標(biāo)工位號，可通過LCD1602液晶顯示器完成目標(biāo)工位號及對應(yīng)工位號崗位的顯示。為了保證搬運(yùn)機(jī)器人能夠準(zhǔn)確地根據(jù)坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)路徑規(guī)劃，利用STC15單片機(jī)將采集信息譯碼成搬運(yùn)機(jī)器人可識別的坐標(biāo)，最后將譯碼完成的坐標(biāo)數(shù)據(jù)發(fā)送至無線傳輸模塊，由無線傳輸模塊將坐標(biāo)發(fā)送至機(jī)器人。

3 基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 搬運(yùn)機(jī)器人軟件控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要由主程序進(jìn)行控制，其運(yùn)作流程為：首先應(yīng)對系統(tǒng)內(nèi)部各個模塊以及用到的芯片進(jìn)行初始化設(shè)置；其次，初始化完成后，將無線遙控部分設(shè)置為紅燈模式，并通過AD轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對搬運(yùn)機(jī)器人舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度以及電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制，該操作屬于無線循環(huán)過程，直至所有物品搬運(yùn)完畢后，用戶可通過控制系統(tǒng)讓機(jī)器人回歸到初始位置，使機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)。其中，初始化設(shè)置指的是對時鐘、I/O接口、PS2無線遙控以及各個定時器等設(shè)備的配置。為了實(shí)現(xiàn)對控制系統(tǒng)主控板的整體控制，在主控電路中配置了PWM模式定時器，該定時器主要通過改變占空比，實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制，從而達(dá)到控制主控板的目的，搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)主程序流程如圖2所示［4］。

3.2 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)定時器配置程序

定時器的配置流程為：首先完成對結(jié)構(gòu)體的定義，并配置定時器的周期參數(shù)以及分頻參數(shù)，各項(xiàng)參數(shù)均配置完畢后，對定時器的運(yùn)作模式進(jìn)行選擇，最后使各項(xiàng)參數(shù)可通過PWM波通道完成輸出。對定時器進(jìn)行初始化時，需要對void setup_dj_timer（void）函數(shù)進(jìn)行配置，通過該函數(shù)即可配置一個向上計(jì)數(shù)的PWM波，由PWM波完成參數(shù)的傳輸。

3.3 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)GPIO電平反轉(zhuǎn)程序

GPIO電平反轉(zhuǎn)程序在控制系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)對機(jī)器人舵機(jī)轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，在控制舵機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)過程中，可利用void tb_gpio_init（void）函數(shù)作為核心函數(shù)，通過switch語句中12個不同分支的case語句中的任意兩句，即可完成對機(jī)器人舵機(jī)電平狀態(tài)的整體控制。若控制過程中出現(xiàn)舵機(jī)占空比的數(shù)值傳遞給定時器中的預(yù)裝載值時，可利用PS2手柄上的按鍵對占空比進(jìn)行改變，使占空比對應(yīng)的舵機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到控制搬運(yùn)機(jī)器人各個舵機(jī)的目的，有利于實(shí)現(xiàn)對物品的搬動。

3.4 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)無線通信模塊程序

無線通信模塊程序的運(yùn)作流程為：首先完成該模塊端口的初始化；其次利用void setup_ps2（void）函數(shù)建立機(jī)器人控制系統(tǒng)內(nèi)部主板與手柄之間的通信，通信建立成功后，對PS2手柄進(jìn)行初始化配置。由于PS2手柄包含兩種工作模式：紅燈、綠燈，為此本文經(jīng)過對比分析，最終選用紅燈工作模式完成搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的無線通信功能。PS2手柄采用紅燈工作模式時，利用void loop_ps2_data（void）函數(shù)對手柄上的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，讀取過程為循環(huán)狀態(tài)，數(shù)據(jù)讀取完畢后，向主機(jī)發(fā)送命令，由下位機(jī)接收命令并返回?cái)?shù)據(jù)，主機(jī)可對返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將得到的兩次按鍵值進(jìn)行對比，即可判斷是否產(chǎn)生動作［5］。

3.5 搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)工位呼叫器軟件程序

3.5.1 呼叫器鍵盤與顯示程序

對搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)的呼叫器鍵盤與顯示程序進(jìn)行設(shè)計(jì)時，首先應(yīng)對液晶顯示模塊進(jìn)行初始化，并通過P3口的8個引腳對呼叫器鍵盤進(jìn)行掃描，掃描完畢后即可確定按鍵碼。若判斷存在按鍵按下，則單片機(jī)讀回的P3口數(shù)值不等于0×F0，該數(shù)值即可確定第幾行被按下。將P3口數(shù)值設(shè)置為0×F0，利用單片機(jī)對P3口數(shù)值進(jìn)行判斷，若其數(shù)值不等于0×F0，可確定第幾列被按下。綜合行與列的數(shù)值，即可獲取按鍵碼，最后通過液晶顯示器LCD1602顯示該數(shù)字。呼叫器鍵盤與顯示程序流程如圖3所示。

3.5.2 呼叫器無線發(fā)送程序

呼叫器無線發(fā)送程序主要建立于SPI總線協(xié)議上進(jìn)行，其發(fā)送流程為：首先對NRF24L01無線模塊進(jìn)行初始化，將初始化數(shù)據(jù)發(fā)送至TX_BUF，對呼叫器無線發(fā)送程序的發(fā)送模式進(jìn)行設(shè)置，若數(shù)據(jù)成功發(fā)送，即可清除FIFO；若數(shù)據(jù)發(fā)送失敗，則返回上一級，重新發(fā)送數(shù)據(jù)，直至發(fā)送完成后停止操作。數(shù)據(jù)發(fā)送過程中，需要CE=1的持續(xù)時間為10 μs，持續(xù)130 μs后啟動發(fā)射，數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后，CNS=1關(guān)閉使能，呼叫器無線發(fā)送模塊自動轉(zhuǎn)為接收模式，等待應(yīng)答信號。

4 結(jié)語

為提升生產(chǎn)線的工作效率，本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)STM32的搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)將人類手臂的分關(guān)節(jié)靈活彎曲工作特點(diǎn)作為主要依據(jù)，建立核心結(jié)構(gòu)為六自由度的關(guān)節(jié)型機(jī)械臂，選用XD-201型號的紅外循跡傳感器對路徑進(jìn)行識別，通過機(jī)械臂有利于提高搬運(yùn)機(jī)器人的整體靈活性與物品搬運(yùn)的精準(zhǔn)度。該搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)不僅能夠替代人工模式進(jìn)行高危環(huán)境下的搬運(yùn)作業(yè)，而且能夠通過智能化的操作節(jié)約生產(chǎn)線工作成本，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有一定的實(shí)用價值。

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（編輯 李春燕）