基于amega16單片機的智能搬運機器人的設計

基于amega16單片機的智能搬運機器人的設計

0智能機器人系統(tǒng)的發(fā)展歷程在日常生產中，許多工作場所要求工人重復，如自動倉庫和工業(yè)線。長時間進行同一項工作容易使人身體靈敏度降低,勞動效率不高,且容易引發(fā)事故。隨著經濟的不斷發(fā)展,人們迫切需要找到一種能夠進行簡單重復性操作,且投入少、效率高的機械設備,由此,智能機器人便應運而生。智能機器人技術是控制技術、機械工程技術、傳感器技術、通信技術和計算機技術等多學科領域的交叉綜合。由于其在工業(yè)上的巨大價值,各國的大學和研發(fā)機構在智能機器人系統(tǒng)開發(fā)上投入巨大。我國這方面的研究起步于20世紀80年代,經過20多年的發(fā)展,已取得長足的進步。本文設計的智能搬運機器人,能夠自動檢測設置的標識,實現(xiàn)了自動抓取、搬運和碼放貨物的功能,提高了勞動效率,具有較高的應用價值。1系統(tǒng)總體結構智能搬運機器人的硬件系統(tǒng)由主控制器模塊、電源管理模塊、路徑識別模塊、黑線檢測模塊、電機驅動模塊、舵機控制模塊、蜂鳴提示模塊和下載模塊組成。總體結構如圖1所示。系統(tǒng)采用ATmega16單片機作為核心控制器,由安裝在行動部分前端的渦流傳感器進行路徑識別,同時由安裝在后端和機械手臂頂端的紅外傳感器進行倉庫位置(以黑線標識)和貨物位置的探測,并將獲得的信息實時傳遞給主控單元進行分析處理。而后核心控制器根據分析結果對驅動電機和舵機進行PWM控制,實現(xiàn)循跡行進和對5自由度機械手臂的控制。2硬件系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)2.1主控制器設計系統(tǒng)要滿足循跡和對機械手臂的控制,就需要同時控制2個步進電機、5個舵機和6個傳感器。也就是說,至少需要13個I/O口,按照經濟、實用、方便的原則,我們選用ATmega16單片機作為主控制器。其主要特點是高性能、低功耗,功能高度集成,無需擴展就能滿足本系統(tǒng)的全部需求,并且支持C語言編程。系統(tǒng)設計中,采用PC0、PC1端口連接渦流傳感器實時讀取路徑信號,經單片機處理后輸出給PD6、PD7,控制步進電機完成循跡運動。用PD2-PD5檢測4個紅外傳感器信號,信號經分析處理后輸出給PA0-PA4,控制機械手臂上5個舵機的PWM輸出,完成收放臂和抓貨、放貨動作。系統(tǒng)整體電路如圖2所示。2.2反射式紅外傳感器搬運系統(tǒng)采用2個LJ8A3-2-Z/AY型渦流式傳感器。安裝在系統(tǒng)前部正下方,距離地面1.5～2mm,作為路徑識別元件。4個反射式紅外傳感器,分布在系統(tǒng)后部和手爪上,起黑線檢測和貨物位置判定作用。應用這兩種傳感器使得電路簡單,信號處理速度快,不易受干擾。其中,路徑引導線由錫箔紙鋪成,倉庫位置由黑塊標識。渦流傳感器利用錫箔紙的金屬特性,動態(tài)監(jiān)測路徑的存在,完成循跡運動。紅外傳感器在循跡過程中,將檢測到的光信號變化轉化為電信號變化,判定取貨地和放貨倉庫的位置。2.3個模式裝置設計機械手臂的運動由5個舵機控制,模擬轉動基座、肩、肘、手腕、手指共5個關節(jié),中間采用孔件相連,手指末端裝有紅外傳感器。通過軟件調節(jié)控制每個舵機關節(jié)的轉角,從而協(xié)調控制機械手的整體運動姿態(tài)。機械結構如圖3所示。系統(tǒng)選用FUTABA-S3003型舵機,對舵機的控制通過調整PWM信號脈寬的占空比實現(xiàn)。PWM信號通過ATmega16單片機模擬產生,信號頻率為50Hz,選用4MHz的外部晶振可滿足要求,且沒有誤差積累。脈寬的調整采用脈沖計數(shù)方法實現(xiàn),將電脈沖信號轉變成角位移,其脈寬決定舵機的輸出轉角,非常適合于單片機控制。驅動原理如圖4所示。2.4分時驅動控制智能搬運機器人行動部分的兩側履帶采用兩個PARALLAX步進電機進行驅動。采用該步進電機的優(yōu)點在于,它不像舵機那樣受到旋轉角度的束縛,可以無限制的實現(xiàn)正轉和反轉,且驅動力較大,適合作為車體的驅動電機。其控制方式與舵機類似,采用PWM信號控制電機的正反轉。為提高工作效率,單片機采取分時驅動控制模式,即在同一時間內只允許一個元器件工作。在極短的時間內交替給左右兩個電機輸入脈沖,使兩側履帶看起來像在同時運動。2.5-5.0v統(tǒng)一電路設計除上述模塊外,系統(tǒng)還包括穩(wěn)壓模塊、蜂鳴提示模塊和下載模塊。穩(wěn)壓模塊選用6節(jié)干電池和LM1117-5.0V穩(wěn)壓芯片為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的5V輸出電壓,電路連接采用穩(wěn)壓電路的典型接法(如圖2所示)。蜂鳴模塊在紅外傳感器檢測到黑線時觸發(fā),當后端傳感器滿足觸發(fā)條件時,單片機給蜂鳴器置一個短時間的高電平,觸發(fā)蜂鳴。為方便起見,本設計還采用標準的ISP下載線增強了單片機與電腦之間的信息交互性。3軟件的設計和實現(xiàn)3.1貨放貨部分整個系統(tǒng)采用6個傳感器實時讀取路況信息,渦流傳感器負責行動部分,紅外傳感器負責機械手臂取貨放貨部分。整個系統(tǒng)包括循跡子程序、取貨子程序和放貨子程序。首先調用循跡子程序前往貨物存放地,利用紅外傳感器檢測到的黑線作為觸發(fā)點,執(zhí)行取貨或放貨操作,而后前進一小段避開黑線,繼續(xù)執(zhí)行循跡操作,直至檢測到結束信號(兩個傳感器同時檢測到黑線)。主程序設計流程如圖5所示。3.2先進方向選取該部分主要利用兩個渦流傳感器讀取錫箔紙的位置,及時修正前進方向。由于錫箔紙寬度略小于兩個渦流傳感器的間距,可以保證機器人在行進過程中始終按照預定路徑行駛。具體工作流程如圖6所示。3.3靜坐標系的建立機械手臂的控制目的是使手爪準確地到達貨物的位置,由于舵機之間連桿的長度固定,5個舵機各自轉動的角度和手爪運動軌跡及最終位置之間的關系由坐標變換關系確定。由設計結構知,轉動基座和肩部舵機只能在水平平面運動,而肘部和手腕處的舵機只能在垂直平面內運動,故可簡化為對兩自由度機械連桿機構的數(shù)學分析。設四根連桿的長度分別為l1、l2、l3、l4,4個舵機的轉動角度分別為θ1、θ2、θ3、θ4,p(x,y)為手爪位置。對于垂直平面,通過連桿長度l3、l4,可求解出θ3、θ4。由圖7可得,手爪位置坐標為:y=l3cosθ3+l4cos(θ3+θ4)(1)z=l3sinθ3+l4sin(θ3+θ4)(2)y=l3cosθ3+l4cos(θ3+θ4)(1)z=l3sinθ3+l4sin(θ3+θ4)(2)通過逆解方程,可得轉角與連桿的關系為:θ4=π-α(3)θ3=arctan(zy)-arctan(l4sinθ4l3+l4cosθ4)(4)θ4=π?α(3)θ3=arctan(zy)?arctan(l4sinθ4l3+l4cosθ4)(4)其中,α=arccos(-(y2+z2)+l23+l242l3l4)(5)α=arccos(?(y2+z2)+l23+l242l3l4)(5)l1、l2繞基座和肩部關節(jié)點轉動,因此建立動靜兩個坐標系,如圖8所示。令基座關節(jié)點為空間靜坐標系O-XYZ的坐標原點(0,0,0),在初始位置時,靜坐標系O-XYZ與動坐標系O′-X′Y′Z′完全重合。令角γ為坐標軸OX與平面Y′O′Z′之間的夾角,則γ=arctanXYγ=arctanXY,坐標變換矩陣為:Τ=[-sinγcosγ0cosγsinγ0001](6)設被抓物體在空間的坐標為q=(x,y,z),則點q在動坐標系O′-X′Y′Z′中的坐標為:q′(x′,y′,z′)=q?Τ(7)由機械結構知,控制手腕的舵機在動平面Y′O′Z′內,設其空間坐標為a′(0,m,0),則其在靜坐標系O-XYZ中的坐標為:a=Τ-1?a′(8)在靜坐標系中應用公式(3)、(4)、(5)即可求得θ1、θ2。在動平面Y′O′Z′中以手腕關節(jié)為原點,應用式(3)、(4)、(5)即可求得θ3、θ4。這樣,由貨物的位置信息即可確定各個舵機的轉角,通過程序可以方便地實現(xiàn)收放臂的過程。4智能運算機器人為了滿足工業(yè)生產中搬運重物和提高勞動生產率的要求,我們本著簡單、