基于amega16单片机的智能搬运机器人的设计

基于amega16单片机的智能搬运机器人的设计

0智能机器人系统的发展历程在日常生产中，许多工作场所要求工人重复，如自动仓库和工业线。长时间进行同一项工作容易使人身体灵敏度降低,劳动效率不高,且容易引发事故。随着经济的不断发展,人们迫切需要找到一种能够进行简单重复性操作,且投入少、效率高的机械设备,由此,智能机器人便应运而生。智能机器人技术是控制技术、机械工程技术、传感器技术、通信技术和计算机技术等多学科领域的交叉综合。由于其在工业上的巨大价值,各国的大学和研发机构在智能机器人系统开发上投入巨大。我国这方面的研究起步于20世纪80年代,经过20多年的发展,已取得长足的进步。本文设计的智能搬运机器人,能够自动检测设置的标识,实现了自动抓取、搬运和码放货物的功能,提高了劳动效率,具有较高的应用价值。1系统总体结构智能搬运机器人的硬件系统由主控制器模块、电源管理模块、路径识别模块、黑线检测模块、电机驱动模块、舵机控制模块、蜂鸣提示模块和下载模块组成。总体结构如图1所示。系统采用ATmega16单片机作为核心控制器,由安装在行动部分前端的涡流传感器进行路径识别,同时由安装在后端和机械手臂顶端的红外传感器进行仓库位置(以黑线标识)和货物位置的探测,并将获得的信息实时传递给主控单元进行分析处理。而后核心控制器根据分析结果对驱动电机和舵机进行PWM控制,实现循迹行进和对5自由度机械手臂的控制。2硬件系统的设计和实现2.1主控制器设计系统要满足循迹和对机械手臂的控制,就需要同时控制2个步进电机、5个舵机和6个传感器。也就是说,至少需要13个I/O口,按照经济、实用、方便的原则,我们选用ATmega16单片机作为主控制器。其主要特点是高性能、低功耗,功能高度集成,无需扩展就能满足本系统的全部需求,并且支持C语言编程。系统设计中,采用PC0、PC1端口连接涡流传感器实时读取路径信号,经单片机处理后输出给PD6、PD7,控制步进电机完成循迹运动。用PD2-PD5检测4个红外传感器信号,信号经分析处理后输出给PA0-PA4,控制机械手臂上5个舵机的PWM输出,完成收放臂和抓货、放货动作。系统整体电路如图2所示。2.2反射式红外传感器搬运系统采用2个LJ8A3-2-Z/AY型涡流式传感器。安装在系统前部正下方,距离地面1.5～2mm,作为路径识别元件。4个反射式红外传感器,分布在系统后部和手爪上,起黑线检测和货物位置判定作用。应用这两种传感器使得电路简单,信号处理速度快,不易受干扰。其中,路径引导线由锡箔纸铺成,仓库位置由黑块标识。涡流传感器利用锡箔纸的金属特性,动态监测路径的存在,完成循迹运动。红外传感器在循迹过程中,将检测到的光信号变化转化为电信号变化,判定取货地和放货仓库的位置。2.3个模式装置设计机械手臂的运动由5个舵机控制,模拟转动基座、肩、肘、手腕、手指共5个关节,中间采用孔件相连,手指末端装有红外传感器。通过软件调节控制每个舵机关节的转角,从而协调控制机械手的整体运动姿态。机械结构如图3所示。系统选用FUTABA-S3003型舵机,对舵机的控制通过调整PWM信号脉宽的占空比实现。PWM信号通过ATmega16单片机模拟产生,信号频率为50Hz,选用4MHz的外部晶振可满足要求,且没有误差积累。脉宽的调整采用脉冲计数方法实现,将电脉冲信号转变成角位移,其脉宽决定舵机的输出转角,非常适合于单片机控制。驱动原理如图4所示。2.4分时驱动控制智能搬运机器人行动部分的两侧履带采用两个PARALLAX步进电机进行驱动。采用该步进电机的优点在于,它不像舵机那样受到旋转角度的束缚,可以无限制的实现正转和反转,且驱动力较大,适合作为车体的驱动电机。其控制方式与舵机类似,采用PWM信号控制电机的正反转。为提高工作效率,单片机采取分时驱动控制模式,即在同一时间内只允许一个元器件工作。在极短的时间内交替给左右两个电机输入脉冲,使两侧履带看起来像在同时运动。2.5-5.0v统一电路设计除上述模块外,系统还包括稳压模块、蜂鸣提示模块和下载模块。稳压模块选用6节干电池和LM1117-5.0V稳压芯片为系统提供稳定的5V输出电压,电路连接采用稳压电路的典型接法(如图2所示)。蜂鸣模块在红外传感器检测到黑线时触发,当后端传感器满足触发条件时,单片机给蜂鸣器置一个短时间的高电平,触发蜂鸣。为方便起见,本设计还采用标准的ISP下载线增强了单片机与电脑之间的信息交互性。3软件的设计和实现3.1货放货部分整个系统采用6个传感器实时读取路况信息,涡流传感器负责行动部分,红外传感器负责机械手臂取货放货部分。整个系统包括循迹子程序、取货子程序和放货子程序。首先调用循迹子程序前往货物存放地,利用红外传感器检测到的黑线作为触发点,执行取货或放货操作,而后前进一小段避开黑线,继续执行循迹操作,直至检测到结束信号(两个传感器同时检测到黑线)。主程序设计流程如图5所示。3.2先进方向选取该部分主要利用两个涡流传感器读取锡箔纸的位置,及时修正前进方向。由于锡箔纸宽度略小于两个涡流传感器的间距,可以保证机器人在行进过程中始终按照预定路径行驶。具体工作流程如图6所示。3.3静坐标系的建立机械手臂的控制目的是使手爪准确地到达货物的位置,由于舵机之间连杆的长度固定,5个舵机各自转动的角度和手爪运动轨迹及最终位置之间的关系由坐标变换关系确定。由设计结构知,转动基座和肩部舵机只能在水平平面运动,而肘部和手腕处的舵机只能在垂直平面内运动,故可简化为对两自由度机械连杆机构的数学分析。设四根连杆的长度分别为l1、l2、l3、l4,4个舵机的转动角度分别为θ1、θ2、θ3、θ4,p(x,y)为手爪位置。对于垂直平面,通过连杆长度l3、l4,可求解出θ3、θ4。由图7可得,手爪位置坐标为:y=l3cosθ3+l4cos(θ3+θ4)(1)z=l3sinθ3+l4sin(θ3+θ4)(2)y=l3cosθ3+l4cos(θ3+θ4)(1)z=l3sinθ3+l4sin(θ3+θ4)(2)通过逆解方程,可得转角与连杆的关系为: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绕基座和肩部关节点转动,因此建立动静两个坐标系,如图8所示。令基座关节点为空间静坐标系O-XYZ的坐标原点(0,0,0),在初始位置时,静坐标系O-XYZ与动坐标系O′-X′Y′Z′完全重合。令角γ为坐标轴OX与平面Y′O′Z′之间的夹角,则γ=arctanXYγ=arctanXY,坐标变换矩阵为:Τ=[-sinγcosγ0cosγsinγ0001](6)设被抓物体在空间的坐标为q=(x,y,z),则点q在动坐标系O′-X′Y′Z′中的坐标为:q′(x′,y′,z′)=q⋅Τ(7)由机械结构知,控制手腕的舵机在动平面Y′O′Z′内,设其空间坐标为a′(0,m,0),则其在静坐标系O-XYZ中的坐标为:a=Τ-1⋅a′(8)在静坐标系中应用公式(3)、(4)、(5)即可求得θ1、θ2。在动平面Y′O′Z′中以手腕关节为原点,应用式(3)、(4)、(5)即可求得θ3、θ4。这样,由货物的位置信息即可确定各个舵机的转角,通过程序可以方便地实现收放臂的过程。4智能运算机器人为了满足工业生产中搬运重物和提高劳动生产率的要求,我们本着简单、