基于Arduino的家用搬运机器人设计＊

赵 莉，温伟东

（1.陇东学院电气工程与信息工程学院，甘肃 庆阳 745000；2.中国铁塔股份有限公司庆阳市分公司，甘肃 庆阳745000）

1 概述

生活中，机器人这一名词并不陌生，从工业到农业，从军事到科学，机器人无处不在，但多数人对机器人存在一定的误解，机器人不一定具备手、眼睛、腿这样类似人一样的肢体，如灭火机器人、自动扫地机器人，机器人是按照人们的意愿完成某些特定动作的机器[1-2]。

智能机器代替人力已经在各行各业有明显的体现，尤其在制造行业，机器人的出现解放了大量劳动力。随着机器人技术的发展与完善，对机器人的需求逐渐增加，未来智能装备替换劳动力是必然的趋势[3-4]。机器人有着效率高，降低生产成本和提高产品质量的优点，实现人工难以达到的精准操作，在制造业中可提高制造装配准确度，使其达到0.01mm，并能够从事危害性工作，到常人难达到的地方，它已经备受各行各业喜爱，同时，也给人们和企业带来了大量的效益和便捷[5-6]。

机器人可运用于制造、安装、检测、物流等生产环节，制造中包含产品的精确组装和质量检测以及物流包装[7-8]。机器人代替劳动力发展极快，同时提高的生活质量，机器人可以做到人们做不到的事，在合理程序作用指引下，可以模拟人的性格，代替儿女陪伴老人，使老人们不再感到孤独[9，10]。

基于此，本文研究了机器人如何通过特定操作来实现搬运功能。依据系统的功能，选取了恰当的控制芯片；通过软硬件结合，采用模块化技术，选用Arduino作为主控制系统，系统包括控制模块、机械臂搬运模块、蓝牙通讯模块、驱动模块和太阳能充电模块等，实现了机器人可通过遥控设备将物品搬运到指定地点的远程控制，并由机械臂完成三百六十度无死角选择并抓取物品，同时系统可进行太阳能自给充电；系统调试进一步验证系统具有良好的控制性能和控制精度。

2 总体方案设计

家用搬运机器人的设计分为控制模块、通讯模块、太阳能充电模块以及机械臂搬运模块，可通过手机APP进行控制。

本系统由蓝牙与芯片内部通讯，进而驱动电机，对机械臂进行控制。在光照的作用下，太阳能电池板可发出5v电压，及时补充电能。总体方案原理图如图1所示。

图1 家用搬用机器人的总体方案原理图

所研究的家用搬运机器人，通过无线控制完成搬运重物，具体功能如下：

1）能实现远程控制；

2）可通过遥控设备将物品搬运到指定地点；

3）可三百六十度无死角选择物品并抓取；

4）可进行太阳能自我供给电能。

2.1 控制芯片选择

方案一：IAP15F2K61S2单片机，采用串口下载的方式，储藏容积大，在烧录程序时，相对于Arduino较复杂，并且，计算速度慢。它可以在程序中进行操作，掉电后数据也不会丢失；方案二：Ardiuno主板，Arduino可以不用了解其内部硬件结构和寄存器设置，仅仅知道它的端口作用即可。只要会简单的C语言，就可用Arduino编写程序。相比较于其他的开发板，处理数据的速度快，制作成本低。

根据以上的分析，结合系统的要求选择方案二Ardiuno主板。

2.2 电源芯片选择

方案一：LM7805三端稳压器。该稳压电源需要的外围元件较简单，由LM78/LM79系列三端稳压IC来构造，电路内部还具备过流、过热和调整管保护电路，使用便捷，成本低廉；方案二：AMS1117-5.0稳压器，AMS1117是一个正向低压降稳压器，固定输 出 电 压 为 1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V，具有1%的精确度。

通过对以上方案的对比，因LM7805的价格相对便宜，其性能也比较稳定，外围电路相对简单，所以选择LM7805为系统电源处理芯片。

2.3 遥控模块选择

方案一：BC417蓝牙无线模块和红外发送接收模块为此系统的两个无线控制模块。BC417是蓝牙集成模块，使用起来方便有效；方案二：红外遥控方式目前主要运用在电视、机顶盒、空调、投影仪上，由于红外遥控的的成本比较低，所以采用红外线模块来进行对小车两个电机的控制。

通过对比可知，BC417蓝牙无线模块，其单个模块可作为发送（TXD）端或接收端（RXD），无线收发模块已经高度集，可直接使用为的成品模块，所以选择BC417作为系统的通讯模块，对小车用红外线控制。

3 硬件设计

利用Arduino作为主控芯片，结合蓝牙通讯、四自由度机械臂、光伏充电、红外线控制等技术来实现对家居环境中难以搬动的物体进行搬运的智能控制装置。该系统具有无线控制功能，方便操控、成本低。通过BC417蓝牙通讯模块将机器与手机连接到一起，BC417简单，抗干扰性强，可用于小范围控制，适用于家居环境。同时，制作太阳能充电模块达到供给电能的目的。

3.1 总体设计

经过对模型的设计与元器件的选择，确定总体设计电路图如图2所示。

图2 总体设计电路图

3.2 控制电路设计

本文设计采用ATMEGA328P-AU芯片作为主控制芯片，它是一种高性能，低功耗微控制器，结构耐力强，可上电复位、编程、检测，并且外部和内部中断源包括六个睡眠模式：空闲，ADC降噪，电源保存，关闭，待机状态和待机扩展。其性能远远优于单片机，这里采用封装好的芯片作为控制电路的主板。

3.3 通讯模块设计

蓝牙模块可以与有蓝牙功能的手机或者电脑相连接，设计中所采用的BC417具有安全性高和稳定性好的特点。蓝牙适用于近距离的无线控制，通过Arduino对蓝牙模块进行控制，建立蓝牙模块与手机之间的通信，达到手机对机器人控制的目的。蓝牙电路原理图如图3所示。

图3 蓝牙模块电路图

3.4 控制电路设计

电源模块是整个电路的关键，由于该设计采用的舵机功率比较小，所以我们可直接采用5伏电源供电。如图4所示，该系统将9v电源整流为5v电源给电路供给电能。在所设计的电路中，电源部分需要同时向三处供电，分别为Arduino主板、机械手、驱动电路。

图4 电源模块原理图

3.5 驱动模块设计

MX1508芯片适合于驱动电动玩具车的转向轮及后轮驱动。该电路工作电压范围从2V到10V均，具有耐高温的性能，同时可保护电路，转向轮驱动和后轮驱动是由它控制的电流所决定的，在转向轮子上流过的电流小，动作轻，而驱动轮是它的两倍之多，提供强大的动力。该驱动电路内置过热保护电路。由于通过驱动电路的负载电流大于电路的最大电流，所以电路内部芯片的温度将会快速升高，一旦超过设定值，系统内部电路将立即被关断，切断负载电流，避免烧毁电路。在确保电路恢复到安全温度后，才允许再次对电路进行控制。MX1508驱动模块主要是对于小车底座的双驱电机进行驱动。

3.6 搬运模块设计

家用机器人搬运模块由机械臂来操作完成，通过手机控制端发送指令到蓝牙模块，再执行所发指令选择相应的模式，分别控制每一部分的动完成。其机械臂由四个舵机来控制，舵机由直流电机，变速齿轮、控制电路板和可调电位器构成。

4 软件设计

4.1 主程序设计

家用搬运机器人的编程是基于C语言进行的，编程工具是visual c++，将舵机分别连接到控制板A0，A1，A2，A3接口，相应的接口将其分别定义为0，1，2，3， 其中 A0，A1，A2，A3 分别连接爪舵机，小臂舵机，大臂舵机和旋转舵机，其控制部分程序如下:

主程序流程图如图5所示，每一个模式选择后都有相应的延迟时间，延迟时间设定为10s，延迟的主要作用是防止抖动的，也就是说，延迟前和延迟后按键为同一个键才确认是按键按下，否则认为是错误的操作，系统不作处理，这也是一种抗干扰的措施。

图5 主程序流程图

4.2 通讯模块软件设计

当程序检测到右转信号时，则执行右转动作，否则直接跳出程序；当程序检测到左转信号时，执行左转动作，否则直接跳出程序。同样地，在蓝牙模块中也是如此，控制芯片通过对机械手的控制，从而连接相应的数据接口来控制四个舵机，以此达到通讯的目的。

4.3 搬运模块软件设计

搬运物品是由对控制舵机来完成的，首先，系统初始化，servo1、servo2、servo3、servo4、分别代表机械手的四个舵机，通过手机端控制，当控制端发出什么信号，系统就执行相应的动作，直到动作完成。为了使系统稳定，在每一个动作之前，系统预先延迟10s，来保护电路。

5 系统调试

硬件做好之后，就到系统的调试了，这也是最重要和最困难的部分，会出现很多的设想不到的问题，比如：在最优控制精度的基础上怎样做到四自由度的旋转；在系统组装上如何让舵机角度适宜；电源部分是否调试好，太阳能电池板在阳光直射的情况下是否达到5V，在供电的过程中，是否直接给控制芯片供电等。此外，在设计中出现的最主要问题是机械臂一直在抖动，经过反复调试，最终通过给机械臂加一个单独的电源得以解决。

系统调试分为舵机角度调试、机械臂调试、电源调试、组装调试和软件调试。首先是对于舵机角度的调试，在电路中，如果没有将角度调试好，会出现舵机烧坏，系统不能正常运行。之后将舵机组装到机械臂中，使机械臂可以自如的运行。在电源方面，直接用LM7805供电，电路尽可能简单。软件方面，从程序的编写到烧录再到上位机的调试，其调试软件如图6所示。

图6 上位机调试软件操作界面

图6中，硬件与上位机软件连接由COM4接口连接，很明显，在软件界面上，一共有四个横条在上面，他们分别记录四个舵机的旋转角度，在设定、调试好之后，系统会记录调试的动作，保存之后，会按照设定的动作进行。本设计通过蓝牙进行无线控制，其调试过程简单，只需要将二者连接即可，方便快捷有效。最后，将所有的硬件组装完成后，进行调试，保证所有的动作可以按规定完成。

6 总结

本文设计了一款基于Arduino的智能家用搬运机器人，利用Arduino作为主控系统，结合蓝牙通讯技术、机械臂、光伏充电技术等实现对家居环境中难以搬动的物体进行搬运的智能控制装置。该系统具有无线控制功能，通过BC417蓝牙通讯模块将机器与手机连接到一起，操作方便、成本低。系统抗干扰能力强，小范围控制精度高，适用于家居环境。