孙梅

摘 要：机器人的制造及应用能力，代表了一个国家的机械制造业水平，发展机器人产业应上升到国家战略高度。通过利用一种新型综合技术，开发了一种能实现在场地或车间自动避障行走、寻找货物、装货、原路返回、缷货的循环作业功能的搬运机器人。具有智能化高、成本低、故障少、适用性强的优点，对搬运机器人研发具有一定的借鉴意义。

关键词：智能小车;单片机;传感器;机械手

中图分类号：TP242        文献标识码：A

0 引言

众所周知，运货是各个行业不可缺少的过程，人工搬运货物与传统的车辆运输货物的方式随着经济的快速发展，已不能完全满足市场的需求。特别是当今的仓储物流搬运动作非常频繁、行走空间狭窄，利用人工搬运生产成本很高，劳动强度非常大。尤其是机械加工车间将毛坯加工成零件的过程中，有一些因温度高、湿度大、腐蚀性强、危险性大的场合，存在生产加工速度快、重复动作频率高、边角余料锋利的问题，釆用人工搬运货物，极易发生安全事故。因此，开发一种搬运机器人来代替人工搬运势在必行。

1 搬运机器人的研究与总体设计

该搬运机器人利用目前成熟的节能电动车，配备相应的简易机械手，再利用单片机、传感器控制技术有机结合研制而成，主要由电源、智能小车、单片机控制模块、机械手和各种传感器等部分构成，如图1所示。电源由充电式锂蓄电池提供整机电量。工作时，智能小车由各种传感器发出信号指令，通过单片机控制模块控制智能小车，按照一定要求的行驶路线进行自动行走和寻找装货、缷货的目的地。在各种传感器的作用下，再通过单片机控制模块发出指令给机械手，使机械手自动进行抓取货物装车与卸货，从而达到机器人自动搬运货物的目的。

智能小车由行走底盘模块、动力驱动与制动模块、行走与转向控制模块、传感器检测模块四大模块组成，智能小车的行走底盘模块可以釆用常规的发动机驱动式和电动机驱动式两种形式来实现。釆用发动机驱动式的动力驱动与制动模块结构复杂，噪音大，环保差，总体结构尺寸也更大些。釆用电机驱动式结构简单，且噪音小、重量轻、驱动、制动操纵方便。目前，市场上销售的技术成熟、节能的电动四轮车，其装载量可达300～400 kg，小巧灵活、大小适宜，很适合做仓储、车间搬运机器人的行走底盘。本搬运机器人的智能小车釆用市场上销售的技术成熟、节能的电动四轮车作为智能小车的行走底盘模块。将原有的电动四轮车电子动力驱动系统与制动系统，改为由单片机控制的伺服电机控制模块电路，单片机发出指令由伺服电机完成动力驱动系统中加速、减速的旋转动作和制动系统中拉刹和松刹的动作;将原有的人工操纵行走转向控制系统，改为由伺服电机控制的转向机构。转向时，由各传感器按照一定要求的行驶路线发出信号给单片机控制模块，由单片机控制模块发出指令给伺服电机，再由伺服电机自动操作转向机构完成转向与修正行驶方向;传感器检测模块由寻向避障和货场检测两部分组成，寻向避障传感器根据行驶方向中的障碍物或转向实时发出信号给单片机控制模块，单片机控制模块将信号处理后发出指令给伺服电机，由伺服电机自动实时操作转向机构修正行驶方向;货场检测传感器根据检测货物场地的远近距离，实时发出信号给单片机控制模块，由单片机控制模块信号处理后发出指令给伺服电机，伺服电机控制转向机构及时修正行驶方向靠近货物场地，当达到最佳货物场地时单片机控制模块使动力驱动系统断电，行走底盘模块平稳停车，准备装货或缷货。

1.抓爪模块 2.支臂模块 3.主臂模块

4.伺服电机 5.蜗轮蜗杆 6.伺服电机

为满足电动四轮车300～400 kg的装载量，本机械手一次抓取量理论设计为10 kg左右。该机械手的组成主要由抓爪模块、支臂模块、主臂模块组成三关节的简易机械手，如图2所示。主臂模块由伺服电机、齿轮和位置检测传感器组成，利用位置检测传感器检测信号与伺服电机驱动，使主臂可作360°方位的旋转完成对应方位的运动;支臂模块由伺服电机蜗杆蜗轮和位置检测传感器组成，利用位置检测传感器检测信号和电机蜗轮蜗杆驱动装置使支臂作上下摆动，完成上下位置的调整;抓爪模块由另一个伺服电机和四杆机构组成，利用伺服电机的旋转带动四杆机构运动，去完成抓爪抓物与松开物体的动作。各位置检测传感器信号传递给单片机控制模块，由单片机控制模块进行协调处理，并发出相应指令给各执行机构去完成上述货物的装车或缷车的对应动作。

4 单片机控制模块的研究与设计

单片机控制模块由89C52RC集成块芯片作为本搬运机器人的控制模块，其电路连接如图3所示。通过89C52RC集成块中的I/O接口，分别连接着智能小车行走控制模块电路、機械手操作模块控制电路、各种传感器模块电路和电源电路。所配置的各种传感器为89C52RC集成块提供行走状态和装货、缷货电信号。再由89C52RC集成块内部的微处理、数据寄存器、程序寄存器、并行I/O口、串行口、定时/计数器、中断系统、保护系统及特殊功能寄存器等，对智能小车的行走、避障、转向、停车与制动、掉头返回的控制和对机械手的主臂旋转、支臂上下摆动、抓爪的抓物与松放、装车与缷货等动作进行控制，其控制流程图如图4所示。

1.模块电路 2.单片机电路 3.电源电路 4.控制模块电路

5.机械手操作模块控制电路

5 结论

通过对搬运机器人的试制与试验，实现了搬运机器人的前进、后退、左右转向、停车与制动，以及寻找货物场地、机械手抓取10 kg以下的单一货物这些最基本的功能。但在搬运机器人避障行进方面、适应不同的路况方面、适应不同的货物抓取、抓取不同货物重量的适应性还有待改进。目前，人们都在研究各种机器人，对于仓储、车间、物流拥有搬运机器人，将不再是科幻。虽然现在还很难设计出一个全智能的搬运机器人来代替人工搬运， 但至少可以实现将一些简单、轻载货物搬运到指定的仓储、指定位置的要求。随着我国经济市场的不断发展与需求增加，发展智能化、高可靠性、低成本和易于集成的搬运机器人技术的研究与开发，将是机器人项目研究的永久课题。

参考文献：

[1] 梁森，王侃夫，黄杭美.自动检测与转换技术[M].2版.北京：机械工业出版社，2007.

[2] 何为民， 单片机应用系统设计[M].北京：航天航空大学出版社.

[3] 顾震宇.全球工业机器人产业现状与趋势[J].机电一体化，2006，12（2）：6-9.

[4] 李桂杰，杨青彩，郭翠荣.浅谈对机器人的发展和应用的认识[J].中国科技博览，2012（27）：419.