CN109794921B - 一种带机械臂的智能循迹搬运小车 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带机械臂的智能循迹搬运小车，属于自动控制技术领域。带机械臂的智能循迹搬运小车包括底板、大功率直流减速电机、行驶机构、监测机构、机械臂和主控板。本发明通过红外接收模块接收外部控制信息，传到中央处理器，中央处理器命令机械臂执行动作搬运物料，再利用摄像头识别是否搬运成功，不成功则机械臂更改动作继续装料；之后小车根据灰度传感器收集的地面信息进行循迹，激光测距模块判断前方是否有障碍物，到达指定地点后，中央处理器令机械臂放下物料，实现搬运物料的功能。本发明智能化程度高，搬运灵活且具有极高的稳定性，提高物料搬运效率，为后续工厂车间自动化提供经验。
Description
技术领域
本发明属于自动控制技术领域，具体涉及一种带机械臂的智能循迹搬运小车。
背景技术
随着科学技术的发展，机器人已经遍布人类社会生活的各个方面，其中，智能小车，即轮式机器人，凭借其易于开发的特性，越来越成为一项广受关注的高科技项目，在智能家居、车间自动化等领域得到了广泛应用。
现有的搬运机器人搬运物料种类单一，机械臂控制繁琐且搬运过程不够灵活。
发明内容
为解决现有车间中的搬运机器人不够灵活、搬运物料单一、不够智能的问题，本发明提供一种带机械臂的智能循迹搬运小车，所采用的技术方案是：
一种带机械臂的智能循迹搬运小车，包括底板6、大功率直流减速电机3、行驶机构、监测机构、机械臂和主控板17；
其中，底板6主要用于承载智能循迹搬运小车上部的机械臂及连接智能循迹搬运小车的其他部件；
行驶机构包括抓地轮胎5和万向轮19；所述抓地轮胎5位于智能循迹搬运小车的前端，其通过大功率直流减速电机3驱动；所述万向轮19通过铜柱1固定在智能循迹搬运小车底板6的下方、位于智能循迹搬运小车的后端；
监测机构包括灰度传感器2、红外接收模块4、激光测距模块21和摄像头12；其中，灰度传感器2用于检测智能循迹搬运小车行驶的轨道位置，其通过铜柱1固定在底板6下部、位于智能循迹搬运小车前端；红外接收模块4和激光测距模块21均固定在底板6的下表面、位于智能循迹搬运小车前端，分别用于接收红外光和用于识别智能循迹搬运小车前方障碍物；所述摄像头12安装在机械臂末端13处，用于检测机械臂末端13装料、放料；
机械臂包括多个舵机、多个连杆组件、机械臂底座18与机械臂末端13；其中，机械臂底座18固定在底板6的上表面，机械臂底座18上方安装有多个舵机和多个连杆组件组合成的机械臂；所述机械臂为六个自由度，每个自由度处放置一个舵机进行控制，通过脉冲宽度调制来控制六个舵机转动的角度，从而令机械臂末端13到达三维空间一定范围内的任意点，实现物料抓取与放置；
主控板17固定在底板6上，主控板17是小车控制电路部分，用于控制小车的行为。
所述机械臂进一步为：舵机F20的旋转部位连接在机械臂底座18的下表面，舵机F20与舵机A7无直接连接，舵机F20控制机械臂沿机械臂底座18径向转动；所述连接组件为“门”字型，舵机A7的非旋转部位及连杆组件a8的开口端固定在机械臂底座18的上表面，连杆组件a8的闭口端与连杆组件b9的闭口端固定连接，连杆组件b9的开口端固定连接舵机E16；舵机E16的旋转部位与连杆组件c10的闭口端连接，连杆组件c10的开口端与舵机B11固接；舵机B11与舵机D15固接，舵机D15与机械臂末端13通过齿轮固接，所述齿轮上连接舵机C14；舵机A7、舵机B11、舵机D15和舵机E16控制机械臂在三维空间的伸展，舵机C14控制机械臂末端13的抓料与放料；
进一步地，所述主控板17包括单片机最小系统电路板以及转接电路板，单片机最小系统电路板插在转接电路板上；单片机最小系统电路板包括中央处理器、按键、发光二极管以及蜂鸣器，所述按键、发光二极管和蜂鸣器组成人机交互界面；中央处理器由单片机芯片、复位电路、时钟电路、晶振电路组成；转接电路板包括各舵机接口、灰度传感器2接口、大功率直流减速电机3接口、红外接收模块4接口、摄像头12接口、激光测距模块21接口、防反接电路以及降压电路；单片机芯片通过转接电路板上的各类接口与监测机构、机械臂、电机驱动模块以及电源连接；
进一步地，所述灰度传感器2包含八组检测单元，每组检测单元包括一个光敏电阻以及一个高亮LED，八组检测单元以等间隔焊接在灰度传感器2上；所述红外接收模块4芯片为TCRT5000，所接受外部红外光的波长为850nm，用脉冲宽度调制来控制红外光闪烁，红外接收模块4根据红外光闪烁频率来识别不同的信息；所述激光测距模块21包括单片机芯片、发射激光部分以及接收激光部分，激光测距模块21能识别高于底板6的障碍物，其最大测量距离为2m；
进一步地，所述降压电路采用asm1117-3.3芯片将5V电压降为单片机芯片可用的3.3V；单片机芯片为stm32f103c8t6单片机，其内部有三个时钟，外部连接有一个32.768KHz的石英晶振以及一个8MHz的石英晶振，晶振两端连接有电容，以提高时钟信号的稳定性；所述复位电路方式为手动复位，当系统不能正常工作时用于重启系统；
进一步地，抓地轮胎5的直径66mm，宽27mm，自重34g；底板6由3mm亚克力经激光切割而成，底板6上有连接其他部件的安装孔，其中，中间大圆槽用于固定机械臂底座18，方槽用于固定电线，小圆槽用于连接3mm螺丝钉；所述连杆组件的材料为铝合金；
进一步地，机械臂末端13采用爪形末端，其由3mm亚克力经激光切割而成，爪形末端适用于运输重量200g以内的较大型物料，物料形状不限；
进一步地，机械臂末端13采用圆盘形末端，其由3mm亚克力经激光切割而成，所述圆盘形末端包括两个圆盘，上下放置的两个圆盘通过联轴器连接，舵机C14转动令位于下方的圆盘转动，上方的圆盘与机械臂固定连接；所述圆盘形末端适用于运输钢球物料，通过更改两个圆盘的孔直径来运输不同直径的钢球物料。
本发明有益效果：本发明一种带机械臂的智能循迹搬运小车具有高度的智能化、可靠性特点，可以在车间实现自动化搬运物料，且搬运灵活稳定，实现准确装料与卸料，并能成功躲避障碍物，为后续车间自动化提供经验。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构框图。
图2为本发明实施例的降压电路图。
图3为本发明实施例的晶振电路图。
图4为本发明实施例的复位电路图。
图5为本发明实施例的转接板PCB图。
图6为本发明实施例的机械臂单元图。
图7为本发明实施例的机械臂圆盘形末端示意图。
图8为本发明实施例的机械臂爪形末端示意图。
图9为本发明实施例的底板俯视图。
图10为本发明实施例的轨道示意图。
图11为本发明实施例的系统程序框图。
图12为本发明实施例的小车斜视图。
图中：1.铜柱；2.灰度传感器；3.大功率直流减速电机；4.红外接收模块；5.抓地轮胎；6.底板；7.舵机A；8.连杆组件a；9.连杆组件b；10.连杆组件c；11.舵机B；12.摄像头；13.机械臂末端；14.舵机C；15.舵机D；16.舵机E；17.主控板；18.机械臂底座；19.万向轮；20.舵机F；21.激光测距模块。
具体实施方式
下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施方式。
一种带机械臂的智能循迹搬运小车，包括底板6、大功率直流减速电机3、行驶机构、监测机构、机械臂和主控板17；
其中，底板6主要用于承载智能循迹搬运小车上部的机械臂及连接智能循迹搬运小车的其他部件；
行驶机构包括抓地轮胎5和万向轮19；所述抓地轮胎5位于智能循迹搬运小车的前端，其通过大功率直流减速电机3驱动；所述万向轮19通过铜柱1固定在智能循迹搬运小车底板6的下方、位于智能循迹搬运小车的后端；
监测机构包括灰度传感器2、红外接收模块4、激光测距模块21和摄像头12；其中，灰度传感器2用于检测智能循迹搬运小车行驶的轨道位置，其通过铜柱1固定在底板6下部、位于智能循迹搬运小车前端；红外接收模块4和激光测距模块21均固定在底板6的下表面、位于智能循迹搬运小车前端，分别用于接收红外光和用于识别智能循迹搬运小车前方障碍物；所述摄像头12安装在机械臂末端13处，用于检测机械臂末端13装料、放料；
机械臂包括舵机A7、舵机B11、舵机C14、舵机D15、舵机E16、舵机F20、连杆组件a8、连杆组件b9、连杆组件c10、机械臂底座18与机械臂末端13；其中，机械臂底座18固定在底板6的上表面，舵机F20的旋转部位连接在机械臂底座18的下表面，舵机F20与舵机A7无直接连接，舵机F20控制机械臂沿机械臂底座18径向转动；多个连接组件为“门”字型，舵机A7的非旋转部位及连杆组件a8的开口端固定在机械臂底座18的上表面，连杆组件a8的闭口端与连杆组件b9的闭口端固定连接，连杆组件b9的开口端固定连接舵机E16；舵机E16的旋转部位与连杆组件c10的闭口端连接，连杆组件c10的开口端与舵机B11固接；舵机B11与舵机D15固接，舵机D15与机械臂末端13通过齿轮固接，所述齿轮上连接舵机C14；通过脉冲宽度调制来控制六个舵机转动的角度，舵机A7、舵机B11、舵机D15和舵机E16控制机械臂在三维空间的伸展，舵机C14控制机械臂末端13的抓料与放料；
主控板17固定在底板6上，主控板17是小车控制电路部分，用于控制小车的行为；主控板17包括单片机最小系统电路板以及转接电路板，单片机最小系统电路板插在转接电路板上；单片机最小系统电路板包括中央处理器、按键、发光二极管以及蜂鸣器，所述按键、发光二极管和蜂鸣器组成人机交互界面；中央处理器由单片机芯片、复位电路、时钟电路、晶振电路组成；转接电路板包括各舵机接口、灰度传感器2接口、大功率直流减速电机3接口、红外接收模块4接口、摄像头12接口、激光测距模块21接口、防反接电路以及降压电路，当升级小车功能时，重新设计转接板即可，转接电路板具体见图5。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的整体系统结构框图如图1所示：整体系统由激光测距模块21、摄像头12模块、灰度传感器2、机械臂、人机交互界面、电机驱动模块、红外光接收模块4、中央处理器以及电源模块组成。中央处理器上的单片机芯片通过各类接口与红外光接收模块4、激光测距模块21、灰度传感器2、摄像头12、机械臂、人机交互界面、电机驱动模块以及电源模块有电气连接。该系统降压电路如图2所示，降压系统采用asm1117-3.3芯片将5V降为单片机芯片可用的3.3V。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的复位电路以及晶振电路分别如图3、图4所示：单片机芯片型号为stm32f103c8t6，供电电流为直流3.3V，单片机芯片指令的稳定执行需要良好的时钟信号，单片机芯片内部设有三个时钟，外部连接有一个32.768KHz的石英晶振以及一个8MHz的石英晶振，晶振两端连接有电容，以提高时钟信号的稳定性；复位电路方式为手动复位，当系统不能正常工作时用于重启系统。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的机械臂单元如图6所示：机械臂单元由六个舵机及三个连杆组件组成，所述连杆组件的材料为铝合金，相互之间通过螺丝钉固接。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的机械臂末端13采用圆盘形末端或者爪形末端，机械臂圆盘形末端如图7所示：该圆盘形末端由3mm亚克力经激光切割而成，圆盘1与圆盘2由联轴器连接，圆盘1在上，圆盘2在下；舵机C14转动只会令圆盘2转动，圆盘1与机械臂固定连接；该末端适用于运输钢球物料，通过更改两圆盘的孔直径来运输不同直径的钢球物料。机械臂爪形末端如图8所示：该爪形末端由3mm亚克力经激光切割而成，不同形状的亚克力零件通过螺丝钉紧固后，与舵机C14通过齿轮连接；该末端适用于运输重量200g以内的较大型物料，形状不限。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车底板6俯视图如图9所示：该底板由3mm亚克力经激光切割而成，中间圆槽用于固定机械臂，方槽用于固定电线，小圆槽用于连接3mm螺丝钉；各传感器都通过螺丝钉固定于底板，各部件的电气连接通过电线以及转接电路板接口连接。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的轨道示意图如图10所示：轨道宽为2cm，颜色为黑色，轨道之外的颜色为白色。车间放置该轨道并在不同车站安放850nm红外光发生装置后，通过设置小车参数，小车可实现在不同车站进行装料以及放料操作，以完成任务。
本发明带机械臂的智能循迹搬运小车的系统运行过程如图11所示：将带机械臂的智能循迹搬运小车放到车间运输轨道的装料处，按下开机键后，系统初始化，蜂鸣器响，发光二极管亮，显示系统状态。此时，可以通过按键进行人机交互操作，用以设定参数如行驶速度。当红外接收模块4检测到可靠的红外光频率后，小车开始根据频率信息装料，若没有检测到可靠的红外光频率，程序停留在人机交互界面。装料时，六个舵机分别转动不同角度，机械臂末端13抓住物料，物料可上色，Openmv摄像头12通过颜色来判断是否装料成功，若不成功，则继续装料。之后，带机械臂的智能循迹搬运小车在轨道循迹，开始运输，灰度传感器2传输给中央处理器轨迹与小车的相对位置，中央处理器根据位置信息控制电机直走、左转、右转，若运输过程中激光测距模块21检测到前方有障碍物，小车停车并发出警报；运输到放料处后，机械臂放料，Openmv摄像头12检测是否成功放料，若不成功，则持续放料。之后，带机械臂的智能循迹搬运小车在车间循环往复，进行物料搬运。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (6)
1.一种带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述带机械臂的智能循迹搬运小车包括底板（6）、大功率直流减速电机（3）、行驶机构、监测机构、机械臂和主控板（17）；
所述底板（6）主要用于承载智能循迹搬运小车上部的机械臂及连接智能循迹搬运小车的其他部件；
所述行驶机构包括抓地轮胎（5）和万向轮（19）；所述抓地轮胎（5）位于智能循迹搬运小车的前端，其通过大功率直流减速电机（3）驱动；所述万向轮（19）通过铜柱（1）固定在智能循迹搬运小车底板（6）的下方、位于智能循迹搬运小车的后端；
所述监测机构包括灰度传感器（2）、红外接收模块（4）、激光测距模块（21）和摄像头（12）；其中，灰度传感器（2）用于检测智能循迹搬运小车行驶的轨道位置，其通过铜柱（1）固定在底板（6）下部、位于智能循迹搬运小车前端；红外接收模块（4）和激光测距模块（21）均固定在底板（6）的下表面、位于智能循迹搬运小车前端，分别用于接收红外光和用于识别智能循迹搬运小车前方障碍物；所述摄像头（12）安装在机械臂末端（13）处，用于检测机械臂末端（13）装料、放料；
所述机械臂包括多个舵机、多个连杆组件、机械臂底座（18）与机械臂末端（13）；其中，机械臂底座（18）固定在底板（6）的上表面，机械臂底座（18）上方安装有多个舵机和多个连杆组件组合成的机械臂；所述机械臂为六个自由度，每个自由度处放置一个舵机进行控制，通过脉冲宽度调制来控制六个舵机转动的角度，从而令机械臂末端（13）到达三维空间一定范围内的任意点，实现物料抓取与放置；
所述主控板（17）固定在底板（6）上，主控板（17）是小车控制电路部分，用来控制小车的行为；
所述机械臂进一步为：舵机F（20）的旋转部位连接在机械臂底座（18）的下表面，舵机F（20）与舵机A（7）无直接连接，舵机F（20）控制机械臂沿机械臂底座（18）径向转动；连接组件为“门”字型，舵机A（7）的非旋转部位及连杆组件a（8）的开口端固定在机械臂底座（18）的上表面，连杆组件a（8）的闭口端与连杆组件b（9）的闭口端固定连接，连杆组件b（9）的开口端固定连接舵机E（16）；所述舵机E（16）的旋转部位与连杆组件c（10）的闭口端连接，连杆组件c（10）的开口端与舵机B（11）固接；所述舵机B（11）与舵机D（15）固接，舵机D（15）与机械臂末端（13）通过齿轮固接，所述齿轮上连接舵机C（14）；舵机A（7）、舵机B（11）、舵机D（15）和舵机E（16）控制机械臂在三维空间的伸展，舵机C（14）控制机械臂末端（13）的抓料与放料；
所述机械臂末端（13）采用圆盘形末端，其由亚克力经激光切割而成，所述圆盘形末端包括两个圆盘，上下放置的两个圆盘通过联轴器连接，舵机C（14）转动令位于下方的圆盘转动，上方的圆盘与机械臂固定连接；所述圆盘形末端适用于运输钢球物料，通过更改两个圆盘的孔直径来运输不同直径的钢球物料。
2.根据权利要求1所述的带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述主控板（17）包括单片机最小系统电路板以及转接电路板，单片机最小系统电路板插在转接电路板上；单片机最小系统电路板包括中央处理器、按键、发光二极管以及蜂鸣器，所述按键、发光二极管和蜂鸣器组成人机交互界面；中央处理器主要由单片机芯片、复位电路、时钟电路、晶振电路组成；转接电路板包括各舵机接口、灰度传感器（2）接口、大功率直流减速电机（3）接口、红外接收模块（4）接口、摄像头（12）接口、激光测距模块（21）接口、防反接电路以及降压电路；单片机芯片通过转接电路板上的各类接口与监测机构、机械臂、电机驱动模块以及电源连接。
3.根据权利要求1或2所述的带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述灰度传感器（2）包含八组检测单元，每组检测单元包括一个光敏电阻以及一个高亮LED，八组检测单元以等间隔焊接在灰度传感器（2）上；所述红外接收模块（4）芯片为TCRT5000，所接受外部红外光的波长为850nm，用脉冲宽度调制来控制红外光闪烁，红外接收模块（4）根据红外光闪烁频率来识别不同的信息；所述激光测距模块（21）包括单片机芯片、发射激光部分以及接收激光部分，激光测距模块（21）能识别高于底板（6）的障碍物，其最大测量距离为2m。
4.根据权利要求2所述的带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述降压电路采用asm1117-3.3芯片将5V电压降为单片机芯片可用的3.3V；单片机芯片为stm32f103c8t6单片机，其内部有三个时钟，外部连接有一个32.768KHz的石英晶振以及一个8MHz的石英晶振，晶振两端连接有电容，以提高时钟信号的稳定性；所述复位电路方式为手动复位，当系统不能正常工作时用于重启系统。
5.根据权利要求1、2或4所述的带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述底板（6）由亚克力经激光切割而成，底板（6）上有连接其他部件的安装孔，其中，中间大圆槽用于固定机械臂底座（18），方槽用于固定电线，小圆槽用于连接螺丝钉；所述连杆组件的材料为铝合金；所述机械臂末端（13）采用爪形末端，其由亚克力经激光切割而成，爪形末端适用于运输重量200g以内的较大型物料，物料形状不限。
6.根据权利要求3所述的带机械臂的智能循迹搬运小车，其特征在于，所述底板（6）由亚克力经激光切割而成，底板（6）上有连接其他部件的安装孔，其中，中间大圆槽用于固定机械臂底座（18），方槽用于固定电线，小圆槽用于连接螺丝钉；所述连杆组件的材料为铝合金；所述机械臂末端（13）采用爪形末端，其由亚克力经激光切割而成，爪形末端适用于运输重量200g以内的较大型物料，物料形状不限。
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