第 23卷第 8期 2006年 8月 机 　电 　工 　程 Mechanical & Electrical Engineering Magazine Vol. 23 No. 8 Aug. 2006 机器人技术 一种小型自主移动式搬运机器人的设计与实现 袁 　勇 ,吴来杰 ,李吉春 (中国地质大学 机电学院 ,湖北 武汉 430274) 摘 　要 :模拟真实的工作环境 ,设计出了一种小型自主移动式搬运机器人 。该机器人结构轻巧 ,成 本低廉 ,易于制作 。介绍了该机器人的组成 、工作循环和控制软件流程框图 。实践表明 ,该机器工 作稳定可靠 、性能达到设计要求 。 关键词 :搬运机器人 ;寻线行驶 ;工作循环 ; STC89C52 中图分类号 : TP242. 6　　　　文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 4551 (2006) 08 - 0024 - 03 The design and im plem en ta tion of a sma ll autonom ous m ob ile tran sporting robot (M echanical & E lectron ic Eng ineering College, China U n iversity of Geosciences, W uhan 430274, Ch ina) YUAN Yong, WU Lai jie, L I J i chun robot was given. The robot has some advantages such as low cost, easy to make, etc. The composition, work circulation, control p rogram diagram about the robot Abstract: A design about small autonomous mobile transporting simp le structure, were briefed. The p ractice shows the robot works stably and reliably and its performance can meet the design needs. Key words: transporting robot; line tracing; work circulation; STC89C52 0　前 　言 自主移动式搬运机器人主要用于柔性加工线、自 动化仓库等场合的物料搬运工作。本研究模拟真实 的工作环境 ,设计出一种小型的自主移动式搬运机器 人。该机器人可从起点 (卸料区 )出发 ,沿预先设定的 路线自主行驶 ,到达终点 (装料区 )后 ,自主完成装料 作业。之后 ,机器人寻线返回 ,自主完成卸料作业 [ 1 ] 。 1　机器人组成 机器人的整体结构 ,如图 1所示。它由机器人底 盘、物料装卸机构、传感器模块和控制系统四部分组成。 1. 1　机器人底盘 机器人底盘由两层塑料板组成支撑架 ,上层塑 料板主要安装有控制货叉移动的电机 M3、电池盒 , 下层塑料板主要安装有控制系统的电路板 、万向轮 、 驱动轮 、驱动轮电机 M1 和 M2。 在寻线传感器和控制系统的作用下 ,机器人底 盘可沿预先设定的路线自主行驶 。 图 1　机器人的整体结构 1. 2　物料装卸机构 物料装卸机构由货叉 、导向杆 、电机 M3 和多个 传感器组成。货叉由多根较短的杆件组成 ,成直角 状 ,其水平杆件的前部装有 2个红外反射式障碍物传 收稿日期 : 2006 - 04 - 06 作者简介 :袁 　勇 (1965 - ) ,男 ,湖北蕲春人 ,主要研究方向为机电工程及机器人技术。 

2 第 8期 袁 　勇 ,等 :一种小型自主移动式搬运机器人的设计与实现 ·52· 感器。导向杆由 2根较长的杆件组成 ,垂直固定在机 器人底盘上 ,其顶部和底部各装有 1个接触开关。导 向杆一方面对货叉的上、下移动起导向作用 ,另一方 面利用其上的 2个接触开关可以控制货叉的上、下移 动距离。电机 M3 通过绳索带动货叉上、下移动 [ 2 ] 。 1. 3　传感器模块 传感器模块由寻线检测传感器 、障碍物检测 传感器 、起点 /终点判别传感器及货叉行程接触开 关组成 。 1. 3. 1　寻线检测传感器 4个寻线检测传感器选用国产的 ST 188 型反 射式红外线传感器 ,其检测距离可达 40 mm ,安装在 机器人的底部 。利用黑色吸光和白色反光的原理 , 机器人可以识别黑白色 ,从而实现对预先设置的黑 线的追踪 。 1. 3. 2　障碍物检测传感器 为了降低成本和简化电路设计 , 2 个障碍物检 188 型反射式红外线传感器 。 测传感器也选用 ST 当机器人在行驶中检测到前方有障碍物时 ,立即停 止前进 ,原地等待 ,直至障碍物消失再继续前进 。 1. 3. 3　起点 、终点判别传感器 起点 、终点判别传感器还是选用 ST 188型反射 式红外线传感器 。在接近起点和终点处各装有一个 白色挡块 ,当机器人驶达起点或终点时 ,白色挡块使 起点或终点判别传感器产生反射信号 ,从而启动机 器人开始卸料或装料作业 。 1. 3. 4　货叉行程接触开关 2个接触开关选用普通的微型行程开关 。机器 人驶达终点时进行装料作业 ,货叉向上移动 ,当货叉 碰压到导向杆顶部的行程开关时 ,启动机器人开始 返回行程 ;机器人驶达起点时进行卸料作业 ,货叉向 下移动 ,当货叉碰压到导向杆底部的行程开关时 ,启 动机器人开始下一轮的工作循环 。 1. 4　控制系统 控制系统 ,如图 2 所示 。它由 STC89C52 单片 机 、ISP接口电路 、电源模块 、电机驱动模块及传感 器接口模块组成 。 1. 4. 1　STC89C52单片机 STC89C52单片机是兼容 8051内核的新一代高 速 /低功耗单片机。其主要特点是 :片上集成有 512 B 的 RAM、8 kB 的 Flash,工作频率可达 48 MHz,具有 ISP功能 ,完全可以满足本机器人控制系统的需要。 图 2　机器人控制系统组成示意图 1. 4. 2　 ISP接口电路 在控制电路板上做一个 ISP接口 ,就可以用 PC 机通过串口线直接对电路板上的单片机编程 ,无需 专用编程器 ,不仅简化了编程操作 ,也方便了系统的 调试工作 ,有利于缩短系统的开发周期 。 STC89C52单片机的 ISP 接口电路 ,如图 3 所 示 。它由一片 MAX232串口电平转换芯片 U1及一 个 9针的串口插座 J1组成 。 图 3　 ISP接口电路 1. 4. 3　电源模块 由 8节电池组成的电池组为机器人提供两组电 压 。控制系统所需的 5 V稳定电压由电池组经三端 集成稳压器 7805稳压后提供 ,电机所需的 12 V 驱 动电压则由电池组直接提供 。 1. 4. 4　电机驱动模块 3个电机均选用 12 V 的直流减速电机 ,采用两 片集成式电机驱动芯片 L293D 来驱动 。L293D 的 控制端可与单片机直接相连 , 其电源 Vcc取 5 V; L293D的输出端电流达到 1 A ,可直接驱动电机 ,其 电源 Vdd取 12 V。 1. 4. 5　传感器接口模块 8个 ST 188 型反射式红外线传感器的信号均 通过比较器 LM324整形后输入单片机 , 2个接触开 关的信号则可直接输入单片机 。 

·62· 机 　电 　工 　程 第 23卷 2　机器人工作循环 机器人的工作循环 ,如图 4所示 。它分为 4 个 过程 :机器人从起点 (卸料区 )出发 ,寻线向终点 (装 料区 )行驶 ;在终点处进行装料作业 ;从终点寻线返 回起点 ;在起点处进行卸料作业 。 图 4　机器人的工作循环 2. 1　从起点寻线向终点行驶 机器人从起点向终点行驶的过程中 ,通过检测 4个寻线传感器的状态来感知机器人与黑线之间的 位置关系 ,从而控制机器人沿预先设定的黑线轨迹 行走 。机器人在行驶的过程中一直处于卸载状态 , 该状态下货叉位于导向杆的底部极限位置 。系统复 位时 ,机器人处于卸载状态 [ 3 ] 。 2. 2　在终点处进行装料作业 当机器人驶达终点时 ,白色挡块触发终点判别 传感器 ,机器人停止寻线行驶 ,驱动轮的 2 个电机 M1 和 M2 停转 ,同时启动货叉电机 M3 正转 ,货叉带 着物料沿导向杆向上移动 ,当货叉在向上移动过程 中碰压到导向杆顶部的接触开关时 ,货叉电机 M3 停转 ,驱动轮的 2个电机 M1 和 M2 启动 ,机器人开 始寻线返回行程 。 2. 3　从终点寻线返回起点 机器人从终点返回起点的过程中 ,同样是通过 检测 4个寻线传感器的状态来感知机器人与黑线之 间的位置关系 ,从而控制机器人沿预先设定的黑线 轨迹返回 。在此过程中 ,机器人一直处于装载状态 , 该状态下的货叉位于导向杆的顶部极限位置 。 2. 4　在起点处进行卸料作业 当机器人返回起点时 ,白色挡块触发起点判别 传感器 ,机器人停止寻线行驶 ,驱动轮的两个电机 M1 和 M2 停转 ,同时启动货叉电机 M3 反转 ,货叉带 着物料沿导向杆向下移动 ,当货叉在向下移动过程 中碰压到导向杆底部的接触开关时 ,货叉电机 M3 　 停转 。系统延时 3 s后 (等待卸下的物料被移走 ) , 驱动轮的两个电机 M1 和 M2 启动 ,机器人开始下一 轮的工作循环 。 在起点和终点处物料的移出和送入需由人工完 成 。若要实现机器人的完全自主工作循环 ,则需在 起点和终点处装有物料自动输送机构 。 3　机器人的控制软件 机器人从起点或终点出发后 ,每隔 50 m s读取 一次 P1 口 。若前方有障碍物 (即 P1. 4 脚或 P1. 5 脚检测到反射信号 ) ,则机器人原地等待 ;若到达终 点或起点 (即 P1. 7脚或 P1. 6脚检测到反射信号 ) , 则机器人开始装料或卸料作业 。否则 ,机器人进行 正常的寻线行驶 。其控制软件流程图 ,如图 5所示 。 图 5　机器人的控制软件流程图 4　结束语 本研究设计的自主移动式搬运机器人结构轻 巧 ,成本低廉 ,易于制作 。实验表明 :该机器人行走 稳定 ,物料装卸机构工作可靠 ,主要性能指标达到了 设计要求 。 参考文献 : [ 1 ] 　张正义. AGV 技术发展综述 [ J ]. 物流技术与应用 , 2005, (7) : 67 - 73. [ 2 ] 　丹尼斯 ·克拉克 ,迈克乐 ·欧文斯. 机器人设计与控 制 [M ]. 北京 :科学出版社 , 2004. [ 3 ] 　西山一郎 ,兆十. 自律型机器人制作 [M ]. 北京 :科学 出版社 , 2002. [编辑 :李 　辉 ]