餐饮机器人原理.doc

_TECHNOLOGYWIND TECHNOLOGYWIND摘 要 餐饮服务机器人是一种适用于餐饮行业的，能够代替部分服务员工作的服务型机器人。以STC89C51型单片机为控制核心，通过对红 外传感器的检测，实现机器人循迹、防撞，通过对两个直流电机的控制，实现机器人的行走功能，达到准确到达餐桌；通过MG-995舵机组成 的三自由度机械臂的控制，实现机械手传菜的功能，最终达到机器人传送餐盘的目的。此机器人具有灵活性、准确性、安全性等特点。 Abstract Catering service robot is a kind of suitable for the catering industry, service robots can replace part of the work. By using the STC89C51 SCM as control core, through the detection of the infrared sensor, the robot tracking, collision avoidance, through the control of the two DC motor, realize the walking function of the robot, to accurately reach the table; by MG-995 servo manipulator with three degrees offreedom control, realizes the manipulator dish function, finallyreach the purpose ofa robotic transfer plate. The robot has the characteristicsofflexibility,accuracy,safetyetc. 关键词 STC89C51单片机；直流电机；舵机；三自由度机械臂 Keywords STC89C51SCM； DCmotor；servo；manipulatorwiththreedegreesoffreedom餐饮服务机器人的研究与实现 廖栏椿 陈 燚 张 俊 （重庆文理学院电子电气工程学院，重庆市 402160）当下我国机器人的应用十分广泛并且种类繁多，形式多样，包括： 服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机 器人化机器等，而应用于餐饮行业的机器人相对较少。采用 STC89C51单片机、MG- 995舵机设计一款用于餐饮行业的机器人， 准确的将餐盘送到餐桌上，MG- 995舵机可以通过编程精确控制其旋 转的角度，可很好的控制机器人的灵活性和平稳性。本设计把智能循迹 机器人和三自由度机械臂进行有效的改装组合，形成了可应用于餐饮行 业的服务型机器人。机器人可以实现的功能有：智能循迹，智能蔽障， 将餐盘送上桌等。 1 餐饮机器人工作原理 1.1 餐饮机器人的整体结构 本餐饮机器人针对有单列餐桌的基础设计，机器人的整个系统控 制框图如图1所示，框图中包括：机器人的行走机构（直流电机1和直 流电机2及辅助传感器），腰部转身机构（执行部件为一个舵机）和机 械臂部分。机器人的核心处理器是STC98C51单片机。餐饮机器人的 工作流程如下：当按下按键（按键为桌号），机器人得到命令，51单片 机控制直流电机工作，并以红外传感器的检测信号为辅助，使机器人经 循迹、蔽障后到达对应的餐桌旁停下，然后单片机控制机器人腰部的舵 机，使舵机向右旋转90，让餐盘正对着餐桌，然后通过“手臂”将 餐盘放到餐桌上，之后再收回“手臂”同时向右转体90，此时机器 人正对着起始点，最后返回到起始点。机器人的行走机源自智能循迹小 车的智能行走及循迹功能，手臂采用由以舵机为执行部件的三自由度机 械臂。以下仅对餐饮机器人的机械臂进行分析及设计与仿真。图1 机器人系统框图 1.2 机器人上半身的设计 基于51单片机的舵机控制方法具有简单、精度高、成本低、体积 小的特点，并可根据不同的舵机数量加以灵活应用。机器人转身的动力 机构采用了辉盛MG- 995型舵机，其旋转角度从- 90到+90，能 够用PWM波实行精确控制其转动的角度，并且扭矩大，正符合了机 器人在运作过程的精确定位，并且用51单片机产生PWM波行之有 效。在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。 舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控 制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。 1）舵机控制原理。舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需 要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接 收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准 电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输 出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减 速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。舵机的控制 信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。当方波的脉 冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化 成正比。2）三自由度机械臂的电路设计。在机器人的上身正对着餐桌 后，就可以为把餐盘送上桌做好准备。然后机器人经其三自由度机械臂 将餐盘送到餐桌的上方。单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须 首先完成两个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，其次是脉宽 的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。用proteus软件电路设计如图3所示。51单片机的P1.1，P1.2，P1.3分别输 出不同的PWM波，来控制三自由度机械臂。图3 机器人转身及三自由度机械臂舵机电路设计3 ）三自由度机械臂的结构图设计。这部分设计涉及到机械臂结构 的设计，当机器人正对餐桌时，通过三自由度的机械臂把餐盘送到餐桌 的上方，如图4所示。机器人正对餐桌时机械手臂的位置如图4实线所 示，上臂处于竖直状态，上臂和中臂呈夹角，前臂呈水平状态。各 个舵机经过编程控制后使机械臂变到图4虚线位置，进一步控制使机械 臂达到图5虚线位置。这样客人（或者服务员）就可以很方便的将前臂 上的餐盘端放到餐桌上。图4 机械臂动作图 图5 机械臂动作图 机器人放盘完后再根据“机械臂放盘的设计”，控制机械臂收回， 腰部舵机再顺时针旋转90后，直流电机带动机器人按原路返回到起 始地点，等待下次命令。根据机械臂放盘设计的原理，就可以有效的编 程，使机械臂收回到图4中实线位置；再根据舵机工作原理，就可使腰 部舵机再旋转90（旋转到+90）；最后根据机器人行走机构的设 计，就可使机器人返回到起始位置。 2 餐饮机器人工作的程序设计 由于机器人的两只机械臂呈对称，因此只需控制一只机械臂就可 达到要求，而一只机械臂又是三自由度组成，所以须三个舵机来实现， 这三个舵机分别是肩部舵机、肘部舵机和腕部舵机，这样机械臂平稳放科技前沿532013 年 4月（下）餐盘到餐桌上是基于51单片机对三个机械臂的角度控制，使各自由度 相互配合实现的。根据图4和图5机械臂的动作图，就可以写出舵机控 制程序流程图如图6所示。图6 程序设计流程图 3 机器人腰部舵机及三自由度机械臂舵机的仿真 3.1 三自由度机械臂仿真 控制肩部舵机，肘部舵机，腕部舵机，从而控制机械臂，机械臂 的初始位置处于图4中实线位置（肩部舵机和肘部舵机均处于- 90位 置，腕部舵机处于+90位置，如图9所示）。再经过逐次编程编程控 制，使机械臂从图4中实线位置变换到虚线位置，再到图5中的虚线位 置。三自由度机械臂的控制仿真如图。图9 机械臂动作仿真 图10 机械臂动作仿真 图11 机械臂动作仿真控制舵机的第一步是保持舵机2的角度不变，舵机1和舵机3反 向转动相同的角度（舵机1逆时针转动，舵机3顺时针转动），使前臂 始终保持在水平位置。舵机1从- 90变到- 43，147.5； 舵机3从+90变到+42，248.5，舵机2保持- 90不变， 这样就使机械臂变到图4中虚线位置，编程仿真如图10所示。 第二步是保持舵机1位置不变（- 42.2），使舵机2顺时针旋转， 舵机3逆时针旋转并使前臂始终保持水平位置。舵机2从- 90旋转到 左右，347.5；舵机3从旋转到+90，448.5，如图 11所示。通过前面两个步骤就使机械臂向前伸长了一定的距离（图5 中L为机械臂的水平进深），利用这个特点，就可以调节舵机的初相位， 使机械臂有个确定的初始位置；用C语言编程，生成PWM波，控制 各舵机相应的旋转角度，使机械臂向前伸长，继而达到把手臂伸到餐桌 中央适当位置。 4 结论 把智能循迹机器人和三自由度机械臂的有效改装与组合，餐饮机 器人是完全可以实现的。此机器人适合餐桌呈单列排放的餐厅，若要机 器人给呈双列排放的餐桌送餐，则只须稍微修改下程序流程方可实现。 机器人从起始位置端着餐盘出发，到对应的餐桌旁停下，转顺时针身正 90对餐桌，然后经机械臂把餐盘送到餐桌中央，之后收回机械臂，上 半身顺时针旋转90后返回到起始位置。 中图分类号：TN919.81 文献标识码：A参考文献 1顾水恒,常红.机器人现状与前景分析J.现代商贸工业,2010. 2薛红,尹廷辉,苏勇,倪雪.循迹智能小车的系统设计J.军事通信技术,2009. 3陈雪姝.基于DSP的舵机控制系统D.西安电子科技大学,2009. 4时玮.利用单片机PWM 信号进行舵机控制J.今日电子,2005. 5蓝厚荣.单片机的PWM 控制技术J.工业控制计算机,2010. 6冯晓伟,王雷阳,李正生.多路舵机控制PWM 发生器的设计与Proteus仿真. 现代电子技术,2011.（上接第52页） 流为935A，5#变压器最大电流为762A，两者之和为1697A。而S11 - 2000kVA10/0.4kv型的变压器的额定电流为2886A，因而从变压器 允许的额度电流角度，两台变压器的负荷进行有效整合也就成为了可 能。整合后变压器仍接近于额定运行状态，所以从发热的角度也是可以 满足整合的要求的。根据以上的可行性分析，我们将4#变压器的负荷， 通过低压母联过渡到5#变压器上，原来的两台变压器的负荷均由5#变 压器统一带。 3 效果分析 3.1 节能分析 1 ）由于S9- 1250kVA10/0.4kv型的变压器，在正常运行时，空 载损耗每小时为1.95kW.h，负载损耗为12.8kW.h。那么停运一年，仅 空载损耗每年就节省电能约为1.95kW12 各月30 天24 小时 =16848kW.h。由于没有损耗也就没有二氧化碳的排放，给大气环境带 来了效益。 2 ）由于2#变压器的负荷转移到了1#变压器上，使变压器的负荷率由原来的56%增加到现在的73%，基本达到了变压器的经济运行。 3 ）由于S11- 2000kVA10/0.4kv型的变压器，在正常运行时，空 载损耗每小时为0.75kW.h，负载损耗为17.4kW.h。那么停运一年，仅 空载损耗每年就节省电能约为0.75kW12 个月30 天24 小时 =6480kW.h。 4 ）由于5#变压器的负荷转移到了4#变压器身上，使变压器的负 荷率由原来