基于Arduino的小型物品搬运机器人

陈杭龙 袁红星 童春芽

摘 要：搬运机器人作为一种典型的工业机器人，在交通运输、化工、食品加工、医疗等行业中具有广泛的应用。然而，现有的搬运机器人主要针对大型物品，没有充分考虑小型物品。针对该问题，该文设计了一款安卓手机App控制的小型搬运机器人。为能稳定抓取小型物品， 该文参照人类手臂结构，通过大摆臂控制小摆臂，以实现灵活的操作;同时在小摆臂前端安装了可以自由开合边缘具有啮合齿的机械爪，在不损坏物品的前提下防止抓取物品的脱落。实验结果表明，设计的机器人能够牢牢抓取小型物品，并运输到指定地点。

关键词： 搬运机器人;搬运;抓取;机械臂;控制

中图分类号：TP24      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2022）04-0082-02

1 引言

随着工业自动化水平不断提高，人们对搬运机器人的需求逐年递增。搬运机器人可根据生产过程的要求，按一定的程序、时间、地点完成货物的运输和装卸[1-5]。当前的搬运机器人研究，主要集中在车间的大型物品搬运方面[6]，对于小型物品的搬运研究较少。而小型物品搬运在家庭生活中则比较普遍。

2 硬件设计

本文设计的搬运机器人硬件部分由七个独立的模块组成，分别是：直流电源模块、电压表模块、Arduino主控模块、底盘运动控制模块、机械臂模块、蓝牙控制模块以及手机App模块，具体如图1所示。本文的主控模块采用的是Arduino UNO[7-8]。下面重点叙述机械臂的设计思路。

本文将驱动电机安装在机器人底座下方。底座可由电机从0°开始驱动旋转到180°。另一部分是上臂和下臂，安装在底座上方，这一部分称为大摆臂。采用两台电机对大摆臂进行控制。正常工作时，电机齿轮可以从0°开始至180°转动，即大摆臂可以从上到下顺利摆动。在大摆臂安装完成后进行小摆臂的安装，将可连接三个连杆的小关节安装在机械手的两个关节的不同侧处，从而能够利用大摆臂控制小摆臂的各种动作，保证摆臂的灵活性。在小摆臂的前端安装了可自由开合的机械爪，该机械爪的边缘有啮合齿，可保证货物在搬运时不会掉落。同时，利用电机驱动为机械爪的开、闭提供动力。机械爪电机齿轮的转动幅度为0°顺时针转到90°，因此机械爪的开闭范围为0°～180°。机械爪后端的啮合齿辅助开启，啮合齿的最大摆动范围为90°，因此机械爪的设计最大开闭范围为180°。

机械臂模块设计图如图2所示。

3 软件设计

主控板根据蓝牙接收器接收到的数据对智能车进行控制。手机App通过函数定义的F（前进），B（后退），R（右转），L（左转）将指令通过蓝牙模块传送给Arduino主板，主板根据指令更新电机当前的状态，实现机器人的前进后退右转左转的功能。

机械臂部分分为上臂、下臂、底座及机械爪，每个小部分都由一个单独的舵机进行控制。机械爪舵机由myservo1.write函数进行打开闭合的定义，上臂舵机由myservo2.write函数进行向上向下的角度定义，下臂舵机由myservo3.write函数进行上升下降角度的定义，底座舵机由myservo4.write函数进行转动角度定义。机械臂驱动子程序的流程图如图3所示。

4 系统测试

对设计实物进行测试，控制机器人在货架上夹取小型物品，其中一个测试结果如图4所示。测试结果表明设计的机器人可实现机械臂上下臂摆动、底座左右旋转、机械爪打开闭合、无线蓝牙遥控等功能。

5 结论

基于Arduino开发的面向小型物品抓取、搬运的机器人。为实现小型物品的抓取，模拟人的手臂结构，设计了具有上下臂的机械结构，并采用边缘具有啮合齿的机械爪防止抓取物品的滑落。实验结果表明，本文设计的系统在手机App的控制下能够完成小型物品的抓取及运输工作。

参考文献：

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[7] 王刚.基于Arduino Uno平台的跌倒检测报警系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2015，15（7）：49-52.

[8] 谭笑玥，张鹏飞.基于Arduino UNO的智能插座设计[J].电子技术与软件工程，2016（19）：103.

收稿日期：2021-09-15

基金项目：国家级大学生创新训练项目（201911058004）;宁波市自然科学基金项目（2019A610106）

作者简介：陈杭龙（2000—），男，浙江台州人，本科生，主要研究方向为机器人控制;袁红星，教授，博士;童春芽，副教授，博士。