基于STM32的物料搬运控制系统

[35]。麦克纳姆轮模型的优点在于其全向移动性，这意味着使用麦克纳姆轮模型的移动设备无需额外的转向机构或复杂的机械结构，减少了车辆故障率与重量，使车辆能够适应更加复杂多变的工作环境，提高了操作灵活性。通过控制每个电机实现不同转动，可以控制麦克纳姆轮模型实现精准定位。因此，使用麦克纳姆轮模型的移动设备在自动化工厂，物流仓储得到广泛使用，特别是在狭窄或运动轨迹复杂的场景。通过对以上四种物理模型的分析与比较可得出，最适合STM32物料搬运机器人的模型为麦克纳姆轮模型。麦克纳姆轮具有全向移动性、高效性、精准定位性、微调能力高、对控制信号反应迅速、适应性强等特点，与物料搬运机器人的机械臂配合使用，可以完成多领域，多方面的复杂场景应用。6测试与仿真6.1仿真通过使用Protue8Professional对物料搬运机器人绘制仿真，搭建了对应的电路模型。因物料搬运机器人需要移动并操控机械臂进行物料搬运，仿真中搭建了四个L9110控制四个直流减速电机；三个舵机控制着机械臂与机械爪的动作；一个PS2接口作为整个物料搬运机器人的控制信号输入端。在仿真过程中，对物料搬运机器人进行多种功能的模拟测试，以确保其准确性与可靠性，经测试得到，物料搬运机器人的电机模块与机械臂模块可以根据指令的改变其运行状态改变。并根据仿真结果对物料搬运小车进行结构优化，以提高其在物料搬运过程中的稳定性与准确性。图6.7为物料搬运机器人仿真图。图6.7物料搬运机器人的仿真Fig.6.7Simulationofmaterialhandlingrobot6.2测试遥控设备使用2节7号电池供电的PS2遥控手柄与2.4G无线接收器，可实现半径10米的无线覆盖。图6.1是PS2遥控手柄。图6.2是2.4G无线接收器。图6.1PS2遥控手柄Fig.6.1PS2remotecontroller图6.22.4G无线接收器Fig.6.22.4Gwirelessreceiver将整个机械臂框架搭建好并正确接线后，开始测试机械臂的性能。机械臂的结构使其能够抬升、下放、前伸、回拉，预测机械臂可以完成相应的搬运动作。接通电源，连接无线遥控手柄，向下拨动右侧摇杆或按下右侧X键，机械臂抬升；向上拨动右侧摇杆按下△键，机械臂下放；向右拨动右侧摇杆或按下⚪键，机械臂前伸；向左拨动右侧摇杆或按下□键，机械臂回拉。将测试结果与预测结果进行比对分析，机械臂的结构设计符合预期，能够进行对应的动作，可作为机械爪的载体用来控制机械爪在不同的位置进行物料抓取与放置，如图6.3为机械臂不同状态图。图6.3机械臂不同状态Fig.6.3showsdifferentstatesoftheroboticarm机械爪相当于人手，承担着物料抓取与放置的功能，是整个物料搬运机器人的重要组成部分。机械爪连接在机械臂的末端，两个抓手可以张开与闭合，预测机械爪可以完成不同高度的物料抓放。将两个物料分别放置在水平地面与高处，并设定一个位于水平面、一个处在高处的物料存放地点，接通电源，连接无线遥控器，按下右侧1键，机械爪张开；按下右侧2键，机械爪闭合。因此，该机械爪可进行物料抓放动作。调整物料搬运机器人至水平地面物料旁，按下右侧2键，机械爪闭合，正确抓住物料，向下拨动右侧摇杆或按下右侧X键，机械臂抬升，此时机械爪抓住物料至高处的物料存放地点，按下1键，机械爪张开，物料成功放置在指定位置。同理，调整机械爪至高处物料，按下遥控器按钮，使机械爪抓取高处物料，带动物料至水平地面放置点并成功放置物料。测试结果表明，物料搬运机械爪与机械臂相互配合，可实现物料搬运机器人对不同高度的物料进行抓取并放置到不同高度的物料存放地点。如图6.4不同高度物料抓取放置图。图6.4不同高度物料抓取放置Fig.6.4Graspingandplacingmaterialsatdifferentheights物料搬运机器人使用麦克纳姆轮，因此具有全向移动的能力，该能力可以在狭窄地域通行并可行驶在相对复杂的路面。预测物料搬运机器人具有全向移动的特性。接通电源，连接无线遥控器，向上拨动左侧摇杆或按下前进键，物料搬运机器人前进；向下拨动左侧摇杆或按下后退键，物料搬运机器人后退；向左拨动左侧摇杆或按下左移键，物料搬运机器人左移；向右拨动左侧摇杆或按下右移键，物料搬运机器人右移；按下左侧1键，物料搬运机器人向左原地旋转；按下左侧2键，物料搬运机器人向右原地旋转。根据测试结果分析，物料搬运机器人可实现全向运动。在较为平整的室内搬运场景中设置不同的障碍物，从而模拟狭窄地域。接通电源，连接无线遥控器，通过按下对应的按键控制物料搬运机器人通过不同的狭窄地域，测试结果表明，物料搬运机器人移动灵活，反应迅速。图6.5机器人通过狭窄地域。图6.5机器人通过狭窄地域Fig.6.5Therobotpassesthroughanarrowarea物料搬运机器人使用直流减速电机，该电机有高扭矩输出特性，能提高物料搬运机器人的运行稳定性，四驱系统能够使物料搬运机器人有一定的障碍物通过性。测试时，在平整路面上设置橡皮等物体作为障碍物，在机械爪抓取物体的过程中控制物料搬运机器人运动，测试其在物料搬运过程中通过与躲避障碍物时的整体稳定性。接通电源，连接无线遥控器，控制物料搬运机器人抓取物料并通过障碍物。结果表明，搭载了直流减速电机的麦克纳姆轮物料搬运机器人在抓取物料时可以在较为复杂的路面运行且运行稳定。期间，物料搬运机器人可正常运动、停止、抓放物料。图6.6搬运物料通过恶劣路况。图6.6搬运物料通过恶劣路况Fig.6.6Handlingmaterialsthroughbadroadconditions结论本文根据论文选题，并搜集了当前国内外的物料搬运控制系统现状，与不同物料搬运方式的特点进行优劣总结，确定了需要制作一种用于狭窄空间或危险地带的物料搬运机器人，并讲解了论文研究思路。其中主要工作包括：论文通过查阅资料得到了当前物料搬运形式由手动搬运、半自动搬运系统、全自动搬运组成，并深入分析了这三种物料搬运的优点与缺点。根据论文题目，通过查阅资料得到了以STM32为主控制器的物料搬运控制系统在市场中的应用，确定了论文的研究方向。将STM32F103C8T6作为主控芯片；选用L9110电机驱动芯片与麦克纳姆轮作为整个系统的动力模块；将MicroServo9gSG90伺服电机作为机械臂的动力单元，实现快速定位、强力抓取；供电模块时12V三块18650串联电池。通过麦克纳姆轮与机械臂相互配合，可以灵活的抓取物料。尽管本文对物料搬运机器人进行了设计，但发现在思路上或是结构上仍有很多的不足之处。其一，麦克纳姆轮与机械臂虽然可以灵活的搬运物料，但是机械臂本身不能水平旋转，遇到狭窄地域不能转向且处在物料搬运机器人身后的物料则无法实现搬运。其二，机械爪的两个抓手不能182°张开，对于较大的物料无法抓取。受限于机器人的使用材料与功率限制，面对体积小且质量大的特殊物料，机械臂不能够对其进行搬运。其三，此物料搬运机器人采用蓄电池供电，可以在医院等有传染性病菌的场所使用，但其电池容量较低，未设置对应的磁吸充电设备，充电时需要手动接触电池充电口，有概率感染病毒。其四，遥控设备采用2.4G无线通信，有效遥控距离约为10米，不能进行远距离控制。因此，该物料搬运机器人的工作半径较小。由于2.4G无线接收模块较大，在一定程度上增大了物料搬运机器人的质量，降低了其灵活性。参考文献严续伟,戚家伟,王晨,等.物料搬运机器人的设计及运行[J].科技与创新,2024,(01):39-40+45.张兴华.基于机器视觉的智能物流搬运机器人的设计与研究[J].南方农机,2024,55(05):144-147+171.宋振伟,孙玉忠,李永华,等.基于Arduino的智能物料搬运机器人设计及样机试验[J].机电工程技术,2024,53(03):181-186.曾一凡,杨振南,王亚勇.基于STM32的智能物料搬运机器人的设计[J].仪器仪表用户,2023,30(01):9-12.马甘霖,李发海,李沁怡.智能物料搬运机器人的设计与研究[J].电子制作,2020,(01):19-21.高源.坚定信心投身中国物料搬运行业高质量发展[J].起重运输机械,2023,(01):5-7+98.佟松贞.基于物料搬运系统认知自动化水平的制造柔性研究[D].清华大学,2013.石亮,刘晓琴,陆亦恺.全球领先物料搬运企业专利发展态势研究[J].物流科技,2017,40(02):16-23.吴菁芃.物流1.0时代:物流技术的起源——我国物流技术发展纵横论之一[J].物流技术与应用,2020,25(10):86-89.姚庆,穆怀辉,王瑞红.智能避障小车的设计与开发[J].南方农机,2023,54(18):161-164.鞠鹏程.电—气混合动力可重构搬运技术研究与实现[D].南京航空航天大学,2021.苏畅.双机械臂系统在协同模式下的动态路径规划方法研究[D].华中科技大学,2022.RooksB.AGVsfindtheirwaytogreaterflexibility[J].AssemblyAutomation,2001,21(1):38-43.郭根,过李峤,周振等.基于多传感器的智能物料搬运小车设计[J].物联网技术,2022,12(12):60-61+66.张海锋,韩娟,刘炳铭等.基于树莓派和STM32的智能仓管机器人设计[J].南方农机,2023,54(02):22-25.吕宁.智能生产线产品标签检测系统开发[D].天津职业技术师范大学,2022.CaganJ,ShimadaK,YinS.Asurveyofcomputationalapproachestothree-dimensionallayoutproblems[J].Computer-AidedDesign,2002,34(8):597-611.苗旭焘,张宇晨,成尔卓.基于STM32的智能送药机器人[J].物联网技术,2024,14(02):131-134.马烨霖,李晓文,路景顺等.建筑工程复杂环境下物料搬运方法研究[J].中国高新科技,2023,(17):19-21.范淇元,覃羡烘,黄文妹.基于模块化控制的多功能智能搬运小车的设计[J].自动化与仪表,2018,33(11):47-51.刘生承,马超,陈京宇.工业4.0背景下物料搬运系统的设计与优化策略[J].起重运输机械,2023,(16):71-76.张洁.中国物料搬运的现状及未来发展趋势[J].现代制造,2021,(15):7.孙建华.物料搬运设备制造企业直接物料采购与供应管理的研究[J].起重运输机械,2013,(06):7-10.张春蕾.考虑碳排放的机加工车间布局优化研究[D].中国矿业大学,2023.Martinez-Barbera,Humberto,Herrero-Perez,etal.DevelopmentofaflexibleAGVforflexiblemanufacturingsystems[J].TheIndustrialRobot,2010,37(5):459-468.黄曙光,黄振国,王晨星.HAZOP分析在大型散料搬运设备上的应用[J].起重运输机械,2015,(01):11-13.薛红,尹廷辉,苏勇等.循迹智能小车的系统设计[J].军事通信技术,2012,33(03):72-75.岑勋仪,黄学润,李家航等.基于STM32的智能仓储小车设计[J].机电产品开发与创新,2023,36(06):40-43.叶昊宸,王会良,张志高等.基于单片机控制的智能物料搬运小车的设计[J].科学技术创新,2021,(25):193-194.杨志,杨进,桂建平等.基于2.4G技术的高压配电柜点触式分合闸无线遥控装置设计[J].机电工程技术,2018,47(06):140-142.何光锋,王凌云,徐加鹏.基于模块化控制的多功能智能小车设计[J].现代电子技术,2013,36(16):137-139