基于Mecanum轮的物流机器人控制系统设计_孙雷.pdf

Application 创新应用78 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月了仓储效率6。但有些小型物流中心货架间距小，自动导引车无法适应仓储狭窄的巷道。而货架位置的经常改变将引起导引车的路线改变与导引装置更换，费时费力。因此本文将设计一种适用于狭窄物流仓储环境下的小型化货物搬运智能机器人来解决该问题。2 系统功能需求及设计参数搬运机器人在仓储环境下搬运作业，货架间距1m，转弯时要控制转弯半径。因此提出如下功能需求：（1）搬运机器人实现在货架之间的直线行走，45转弯和直角转弯等。（2）搬运机器人实时显示运行速度，方便工作人员查看。（3）搬运机器人0.3m/s匀速运行，可以自我调节速度。本设计运动平台尺寸长宽高为0.7m0.7m 0.4m。平台的长宽保证机器人内部电气元器件合理安装。平台高度保证人在货架上作业时堆放快件的舒适性。平台额定载重50kg，平台自重50kg。自重大，平台不容易倾倒。虽然降低了负载能力，但保证了货物的安全。3 控制系统方案设计能实现全方位移动的运动机构常采用三轮式或四轮式。机器人平台工作负载较大，为保证平台的稳定性与安全性，采用四轮组合驱动方式。该方式0 引言在互联网电商和中国制造2025的共同推动下1，物流行业获得飞速发展。传统的物流货物分拣依靠人力，效率低、工人苦、从业意愿弱，限制了物流行业的发展。搬运机器人也称AGV，广泛应用于物流搬运。1 研究背景1959年AGV首次用于仓储自动化2，然后快速发展。2015年，美国亚马逊公司推出了一款具备智能导航功能的机器人“Kiva”，可以将货架整体抬起搬运，广泛应用于物流仓储货物搬运。美国Fetch Robotics公司也推出了成套的两款机器人Fetch和Freight。Fetch负责取货物，Freight负责货物的搬运3。2019年东京测量技术展览会上Fanuc推出了移动机器人RocoMoV，它可以全方位运行，最大搬运重量64kg；它体积小，狭窄通道下也可正常工作。国内AGV起步比较晚，但发展迅速。1995年我国的AGV技术出口韩国，标志着我国自主研发的机器人走向国际市场4。苏州海豚之星的小海豚MP10S，是比较典型的搬运机器人。作为一款轻小型叉车AGV，主要应用于工厂内，转弯半径1m，额定负载1t5。沈阳新松的AGV平台，适用于大型仓储环境。最大负载500kg，可以分拣货物，提高基金项目：宿迁市指导性科技计划项目（Z2022102），宿迁学院人才引进科研启动基金项目（2023XRC004）。作者简介：孙雷，宿迁学院；研究方向：机器人控制系统。收稿日期：2023-01-12；修回日期：2023-05-12。摘要：阐述Mecanum轮的物流搬运机器人控制系统的设计，根据机器人技术参数需求，设计了机器人控制平台方案，分析轮系的受力特点，选定控制系统的器件及型号。关键词：控制系统，Proteus仿真，Mecanum轮。中图分类号：TP242文章编号：1000-0755(2023)05-0078-03文献引用格式：孙雷.基于Mecanum轮的物流机器人控制系统设计J.电子技术,2023,52(05):78-80.基于Mecanum轮的物流机器人控制系统设计孙雷（宿迁学院，江苏 223800）Abstract This paper expounds the design of the control system of the logistics handling robot of Mecanum wheel,designs the robot control platform scheme according to the requirements of the robot technical parameters,analyzes the force characteristics of the gear train,and selects the components and models of the control system.Index Terms control system,Proteus simulation,Mecanum wheel.Design of Logistics Robot Control System Based on Mecanum WheelSUN Lei(Suqian University,Jiangsu 223800,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月 79加速度和承载能力强，运行稳定，在地面平整度不高环境下，适用性强。四轮Mecanum轮的排列方式有6种。本设计选用外八字形，对角两个轮子的小辊子轴线方向相同，形成合力大；该安装方式，便于实现轮系的运动控制。控制系统采用8位的89C51主控芯片，通过按键控制电机的运行，通过驱动器驱动电机运转，通过编码器获取电机的速度信息，经过数据处理后与要求速度进行比对，LCD实时显示平台速度。4 受力分析及运动原理如图1所示，对单个轮子（轮1）进行受力分析可知，当轮 1 顺时针旋转时，轮子受到的反作用力F垂直轮子轴线方向，对力F进行分解，分力分别是沿辊子轴线方向的力 F1和辊子轴线垂直的力F27，由于力F1与地面给机器人平台的力相互抵消，所以电机驱动轮子时，只有分力F2作为主驱动力，推动机器人平台向 F2的方向运动。四个轮子不同的转向，可以实现机器人平台不同的运动方向。下面以直线前向运动为例分析如下。图2所示，展示了机器人平台前向直线运动时，四个轮子转向和轮子上小辊子轴线的方向，图中小椭圆表示小辊子的轴线方向。1轮、3轮小辊子的轴线方向相同，2轮、4轮的小辊子的轴线方向相同。1轮、3轮正转时，其有效作用力的方向指向右前方45方向，2轮、4轮正转时，其有效作用力的方向指向左前方45方向，由于其水平方向合力为零8，所以整个机器人平台获得了向前的合力，实现了向前的直线运动。其他运动方向与前向直线运动分析类似，当1轮、3轮反转时，2轮、4轮反转时，其有效作用力的方向指向左后方45方向，整个机器人平台获得了向后的合力，实现了向后的直线运动。当1轮、3轮向后转动时，2轮、4轮向前转动时，会形成左前方45的合力，在这两个合力的作用下，机器人平台最终会获得一个整体向左的合力，整个机器人运动平台会向左垂直转弯运动。当1轮、3轮向前转动时，2轮、4轮向后转动时，整个机器人运动平台会向右运动。当1轮、3轮正转，2轮、4轮抱死，机器人沿右前45方向运动。同样的分析方式可以得到其他几种运动方式。5 硬件电路设计与仿真本设计以台湾宏晶公司的STC89C51为控制核心，该单片机的时钟信号通常有两种方式。（1）内部时钟，（2）外部时钟9。本设计采用内部时钟方式，外接12MHz晶振源，电容值为30pF。而复位方式也有两种：（1）上电复位，（2）上电与按键均有效的复位。本文采用按键与上电均有效的复位电路，利用按键完成复位操作10，方便程序的调试。光电编码器有增量式和绝对值式。增量式光电编码器由于机械振动产生计数错误，断电丢失位置信息，容易产生累计误差。绝对式编码器直接输出数字信号指示编码器位置，消除了累积误差。本设计要求平台的速度保持在0.3m/s,且误差控制在1个脉冲以内，选用宜科公司的绝对式光电编码器EB58G15-L5PR-1024。四个电机单独控制四个轮子，要分别显示四个轮子的运行速度。本设计采用常见的LCD1602液晶显示屏。LCD1602可以显示两行信息，每行可以显示16个字符。比数码管显示的内容更丰富，且驱动简单。本设计用独立键盘控制器人运动平台。该模块一共需要7个按键来控制机器人平台的停止、前进、后退、左转、右转、左前、右前。电源为整个系统提供动力，采用玮孚公司生产的24V锂电池，最大充电电流2A，最大放电电流12A。本设计中电机需要24V工作电压，而芯片需要5V工作电压，需要设计降压电路。直流无刷伺服电机需要专门的驱动器来驱动，选用艾思控AQMD6010BLS驱动器。该驱动器支持电压最低9V，最高60V。可以驱动额定电压24V电机，对于额定功率150W以下的电机，可以长时间工作，本设计选用的直流伺服电机功率为图1 单个车轮受力分析图2 小车前向直线行走Application 创新应用80 电子技术 第 52 卷 第 5 期（总第 558 期）2023 年 5 月60W，该驱动器完全满足要求。将所有的器件根据功能需求连接成完整的电路图。为了验证系统是否能满足设计要求，采用Proteus软件对电路进行仿真。在Proteus库中，没有与驱动器相同型号的驱动元件，仿真的时候用L298驱动芯片来代替。L298引脚使能端ENA、ENB同时为高电平才能工作，都为低电平时驱动器不工作。在Proteus元件库中，Motor encoder是一款自带编码功能的直流电机。绿色数字为转速显示表，单位是圈每分钟。本设计一共需要驱动四个直流伺服无刷电机，每两个电机共用一个驱动器L298驱动，利用反相器74LS04实现驱动接口IN1、IN2、IN3、IN4。本设计采用脉宽调制法，通过控制引脚输出频率或者调节占空比来控制电机转速的。脉宽调制法响应速度快，精度及可靠性都很高，被广泛应用于的速度控制上。本设计利用Keil4编写主函数和各个功能模块代码，生成Hex文件后写到Proteus中的单片机中，测试相关功能。按下S2键机器人前进，四个电机正转，显示屏显示实时速度，如图3所示。按下S3键机器人后退，四个电机反转，显示屏显示实时速度。按下S4键机器人左移，1号、3号电机反转，2号、4号电机正转，显示屏显示实时速度。按下S5键机器人右移，1号、3号电机正转，2号、4号电机反转，显示屏显示实时速度。按下S6键机器人停止，四个电机停止转动，显示屏显示速度为零。按下S7键机器人向左前方45方向运动，1号、3号电机停止转动，2、4电机正转，显示屏显示实时速度。按下S8键机器人向右后方45方向运动，1号、3号电机停止转动，2号、4号电机反转，显示屏显示实时速度。仿真结果表明，设计的控制系统能够实现既定的功能需求。6 结语本文设计了一个基于Mecanum轮的移动机器人控制系统。首先分析了系统的功能需求、设计参数及控制方案，然后设计控制系统结构、分析受力，并将硬件模块连接成完整电路。最后根据受力分析编写了软件功能代码，并进行了Proteus软件仿真。仿真结果表明，本设计可以实现机器人的狭窄空间转弯功能。参考文献1 姚茜嵘.中国制造2025技术创新驱动方针下智能制造对经济增长的影响J.中国市场,2022(08):1-4+20.2 吴雄喜.AGV自主导引机器人应用现状及发展趋势J.机器人技术与应用,2012(03):16-17.3 唐先军,李国臣,陈俊超.试析智能化的物流搬运AGV机器人J.科技创新导报,2020,17(04):94+96.4 葛研.AGV自动导引车在国内的发展前景探讨J.设备管理与维修,2021(Z1):157-159.5 孙昊.海豚之星：小海豚 大能量专访苏州海豚之星智能科技有限公司总经理姚海进J.中国储运,2021(12):82-83.6 任芳.新松：柔性物流系统助力智能制造升级访沈阳新松机器人自动化股份有限公司高级副总裁王宏玉J.物流技术与应用,2019,24(10):132-134.7 崔孟楠,窦志红,刘星栋,吴平.Mecanum轮底盘坡道行驶的运动学研究J.应用科技,2021,48(05):118-125.8 孙倩.基于mecanum轮的AGV车载定位与控制系统研究D.吉林：长春工业大学,2016.9 李全利.单片机原理及接口技术M.北京:高等教育出版社,2009.10 丁邦俊,王小娟.基于AT89C52低频数字式相位测量仪的设计与实现J.无锡商业职业技术学院学报,2004(02):4-5+8.图3 前进仿真测试