黎炜桁;吴萌;程昭勋;冯译萱;张月霞
【摘 要】针对家具重量一般较大、搬运费时费力的问题,本文提出了一种基于物联网的家居搬运机器人.该系统由硬件和软件两部分组成.硬件部分包括运动模块、WiFi模块、机械臂模块、视频模块和传感器模块等部分.软件部分包括系统初始化、指令读取与解析、控制子函数等部分.通过软硬件协同设计,实现了控制机器人对物体进行抓取、视频监视与传输、巡线避障等功能.经过系统测试,该机器人易于使用、成本低廉、适用范围广,具有巨大的应用潜力. 【期刊名称】《电脑与电信》
【年(卷),期】2017(000)012
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】物联网;搬运机器人;单片机控制
【作 者】黎炜桁;吴萌;程昭勋;冯译萱;张月霞
【作者单位】北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101;北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京 100101
【正文语种】中 文
【中图分类】TP242;TP368.1
1 引言
随着技术的发展和科学的进步，科技正在不断地改变着人们的生活，物联网概念的提出使智能机器人的研究成为社会的焦点，结合物联网技术可以实现众多的功能[1,2]。现今各类智能家居层出不穷，重量和体积也逐渐增加。但至今为止，家居搬运仍以人力为主，家居重量一般较大，搬运费时费力，浪费资源。而现有的搬运机器人多针对工业领域，并不适合家用。因此，本文设计了一款基于物联网的家居搬运机器人，填补了这方面的空白，具有实际的应用意义。
在国外，搬运机器人大多应用于工业领域，大型、高性能的搬运机器人已经非常成熟，应用普遍[3]，而在家用方面主要还是存在于实验室中没有普及[4]。而国内的家居智能机器人主要用于清洁打扫、家庭安全等[5]，在搬运机器人方面，主要是利用单片机进行控制以达到简单的搬运物体的功能。以上的机器人已经具有一定的实用性，然而同样也存在缺陷。首先，市场上还没有出现针对家居搬运的专用机器人；其次，国内已有的搬运机器人功能过于单一，并不能满足现今生活的需求。基于以上原因，本文对此做出了一定的改进。
衣架钩
针对家具重量一般较大、搬运费时费力的问题，本文提出了一种基于物联网的家居搬运机器人，该系统由硬件和软件两部分组成，通过PC或者手机进行控制。硬件部分包括运动模块、WiFi模块、机械臂模块、视频测试和传感器模块等部分。软件部分包括系统初始化、指令读取与解析、控制子函数等部分。通过软硬件协同设计，实现了控制机器人对物体进行抓取、视频监视与传输、巡线避障等功能。经过系统测试，该机器人易于使用、成本低廉、适用范围广，具有巨大的应用潜力[6,7]。
2 系统总体设计
基于物联网的家居搬运机器人的设计包括硬件设计和软件设计两部分，总体设计图如图1所
主轴加工
示。机器人的硬件系统由WiFi模块、单片机、传感器模块、运动模块、视频模块和机械臂模块构成。机器人的软件系统主要包括烧写在单片机上的控制程序，由主函数、命令解析函数、控制各个模块的子函数组成。
图1 基于物联网的家居搬运机器人的总体设计图
首先，控制端通过WiFi对系统发出指令，系统指令由WiFi模块接收，经过指令解析后传输至单片机，单片机驱动连接在单片机上的相应模块，如运动模块、机械臂模块等，实现对应功能。
3 系统硬件设计
3.1 硬件系统总体设计
硬件系统选择了低功耗、高性能以及性价比高的元器件和电路设计方案，使整个系统满足了运行稳定、正常运作、基本功能有效实现的目标。
3.2 嵌入式系统
该系统由Arduino MEGA 2560[8]单片机进行控制，用户从PC端或者移动端通过WiFi模块对单片机发送指令，以实现对机器人的控制。Arduino MEGA 2560的电路板采用了USB接口，处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），非常适合需要大量输入输出的应用，另外还拥有16路模拟输入，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，4路UART接口，一个电源插座，一个复位按钮和一个ICSP header。相比于基础版Arduino UNO R3来说，Arduino MEGA 2560具有更多的引脚，可支持连接更多的组件，扩展性更好。
薄膜发电3.3 运动模块芯片处理
复合膜
运动模块的左右履带由两个直流电机分别驱动，其驱动电路采用SGS-THOMSON Microelectronics公司生产的L298N，它是双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver)，该芯片是一种专用于二相步进电机和四相步进电机的驱动器，拥有4信道的逻辑驱动电路，内部含有二个双全桥式驱动器，可以接收标准的TTL电平信号，并且电压电流在46V、2A以下的步进电机可以直接驱动，另外可输出电压直接通过电源来调节，并能直接通过单片机的IO端口来提供模拟时序信号对电机进行控制[9]。运动模块电路图如图2所示。
3.4 WiFi模块
WiFi模块采用高通的AR9331芯片，承担接收控制端指令以及传感器数据上传的任务。AR9331集成了1个802.11n MAC/BB/Radio，也拥有PA与LNA。在802.11n模式下，芯片若使用20MHz模拟频宽，最高无线速率可达72Mbps；若使用40MHz模拟频宽，最高无线速率可达150Mbps。另外，AR9331内部集成了存储器，可以存储无线校准信息、MAC地址等，模块电路图如图3所示。
WiFi模块通过网口转串口模块收发指令，创建无线热点与控制端连接以传输指令。
3.5 视频模块
视频模块由720p摄像头及两个伺服舵机组成，可实现对机械臂运动及周围环境的监视。摄像头通过USB串口连接至WiFi模块，WiFi模块直接将视频流传输至控制端，实现每秒约30帧的视频图像。伺服舵机左右摆动可动角度约180°，上下摆动约90°，基本满足监视机械臂运动的需求。
3.6 机械臂模块
图2 运动模块电路图
图3 WiFi模块电路图
机械臂模块由四个伺服舵机和抓手等部件构成，是机器人的主要部分，控制端通过直接设定四个舵机的角度实现对机械臂的控制，为了方便控制，可以通过预设机械臂的抓取角度及放置角度实现机械臂的自动抓放。
3.7 传感器及功能模式模块
连接在单片机上的红外及超声波传感器可配合运动模块实现避障、巡线等多种功能。红外传感器位于机器人的底部，可检测发射的红外线反射情况，并以电压变化的形式传递给单片机，当传感器下方为黑时，红外线反射较强，电压为高电平，当偏离轨道时，传感器反馈为低电平，依此单片机可判断机器人的轨迹实现巡线功能。超声波传感器位于机器人的正面，向正前方发射超声波，通过计时超声波返回的时间及声速得出机器人与前方障碍物的距离以实现避障功能。
4 系统软件设计
本系统软件采用Arduino IDE进行编程，它采用类C语言的环境进行编程，具有简单、通用、易于上手的特点。软件分为各个控制函数、命令读取及解析函数、主函数。主函数仅用于初始化串口及接收指令，调用指令解析函数来完成对各个控制函数的调用。这样的架构也方便后期的进一步开发，只需要更改指令解析函数即可完成模块功能添加，软件系统流程图如图4所示。
4.1 系统初始化
系统启动后会首先调用系统初始化函数，系统初始化调用保存在单片机寄存器中的舵机角度值以完成对机器人的初始化，若寄存器中无相关参数，则调用默认设置完成初始化，并将随后用户设置的角度值保存在寄存器中。
图4 软件系统流程图
4.2 指令解析
初始化成功后机器人进入工作模式。控制端向单片机发送10位十六进制指令，指令由包头、指令、包尾组成，中间6位指令数据依次为类型、命令位、数据位，指令解析函数对其
进行解析并依此调用对应子函数，如机械臂运动、转向等，实现对应功能。
5 系统测试碟形螺母
软件程序编写完成后，通过Arduino IDE将程序烧录到单片机上，观察单片机工作情况并测试系统运行和功能是否正常。基于物联网的家具搬运机器人部分控制界面如图5所示。
图5 基于物联网的家居搬运机器人部分控制界面
硬件系统测试包括运动模块测试、WiFi模块测试、机械臂模块测试、视频模块测试和传感器模块测试等。
机器人启动后对视频模块进行测试，控制端显示的视频画面如图6所示。
