小型太阳能仓储物流机器人设计

来源：本站 | 发布日期：2023-02-27

电商行业的蓬勃发展，对我国物流行业提出了更高的要求。物流设备的智能化也成为当今物流发展的主要趋势。同时，环保节能是当今社会永不改变的时尚理念。基于此，本文设计了一款小型太阳能仓储物流机器人，主要用于物流仓库内货物的拿取和搬运。

1 太阳能仓储物流机器人总体结构

太阳能仓储物流机器人采用太阳能作为整个系统的能源供给。以stc51单片机为作为物流机器人主控核心器件，按照物流机器人所要实现的功能，将物流机器人设计分为7个部分，分别为：主控模块、运动控制模块、避障模块、导航模块、无线通信模块、机械臂模块和光伏充电控制模块。具体框图如图1所示。

图1 小型太阳能仓储物流机器人总体框架

2 各功能模块设计

2.1 主控模块

主控模块的核心器件就是一块stc单片机，它相当于物流机器人的大脑，获取各功能模块反馈回来的信息，并根据获取的信息控制物流机器人的运行状态。

2.2 运动控制模块

物流机器人能够灵活实现前进、后退、左转、右转以及调速等功能。本文选用两个12v的直流减速电机作为驱动轮。利用典型H桥驱动电路驱动直流电机的转向和转速，控制所需的PWM信号由stc单片机产生。从而控制物流机器人的运动状态。

本部分的关键在于H桥的构建和PWM控制信号的生成。H桥基本工作原理如图2所示，当开关管Q1和Q4同时导通时，回路中电流从电源正极流经Q1,再从电机左侧流入右侧流出，最后经过Q4回到电源负极，此时电机将围绕箭头所示方向转动，定义为电机正转。如图3所示，控制信号使Q1、Q4截止，Q2、Q3导通，电流从电源正极经Q3从电机右侧流入左侧流出，再经Q2回到电源负极，此时电机将沿逆时针方向转动，定义为电机反转。通过控制电机的正反转来实现物流机器人的前进后退。

图2 电机正转

图3 电机反转

通过调节单片机产生的PWM信号占空比，来调节电机的转速，实现物流机器人运行速度的控制。同时调节使两个驱动轮的转速不一致，就能实现物流机器人的转弯。

2.3 导航模块

选用巡线的方式为物流机器人导航，到达相关指定区域。红外传感器（如图4）作为巡线传感器。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射强度的特点，在机器人行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收。如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。STC51芯片就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和机器人的行走路线。将红外寻线模块安装在物流机器人底板的几何中心，这样机器人就不会偏离既定线路。在仓库里根据需求铺设黑色线条，机器人利用传感器反馈的信息在预定的路线上行驶。对仓库每一个存储位置都预先设定好相应的行进路径，编写相应的控制程序，机器人根据控制端输入的地址编号，运行相对应的程序代码，到达指定位置。

图4 红外传感器

2.4 避障模块

物流机器人在行进过程中利用红外传感器检测障碍物，当检测到障碍物时，进行急停，然后等待直到障碍物被清除，成功避开行进中的障碍物，较好的防止了机器人发生碰撞。

2.5 通信模块

采用无线蓝牙技术与物流机器人进行通信。蓝牙连接简单快速，价格低廉，体积较小携带方便蓝，蓝牙4.0的数据传输速度达到了24 Mbps，传输距离达到50米。通过手机蓝牙信号将仓库目的地路径传输物流机器人。物流机器人根据蓝牙模块收到的信息，执行相应的路径程序，使物流机器人准确无误的到达目的地仓库。蓝牙模块如图5所示。

图5 蓝牙模块

2.6 机械臂及其控制

物流机器人的机械臂主要用于货物抓取，搬移，如图6所示。机械臂主要由铝合金支架，金属舵盘，杯式轴承，合金铝爪以及舵机构成。共有四个舵机，其中三个舵机控制机械臂在几何空间的X、Y、Z轴方位的转动。另外一个电机控制机械爪的张开和闭合。机械臂的4个舵机运行都受单片机控制，使用无线手柄发出控制信号，单片机根据接收到信号控制机械臂上舵机的运动，最终实现机械臂对货物抓取的动作。

2.7 太阳能充电控制系统和储能系统

在实验室选用10W单晶硅光伏板、12V7Ah铅酸蓄电池以及配套的充电控制器组建太阳能充电控制系统和储能系统。光伏板将太阳能转换成电能，通过充电控制器给蓄电池和直流电机供电。当光照强度较，光伏板输出电压达到直流电机工作电压时，充电控制器切换为光伏板直接给电机供电。当光照较弱，光伏板输出电压低于电机工作电压时，充电控制器切换为蓄电池供电。太阳能充电控制系统实现了实时充电和储能，解决了物流机器人能源动力问题。