关键词：分拣搬运机器人；Arduino；步进电机
1.引言
物流系统中的每一个环节都离不开搬运，搬运环节在物流系统效率上起到了至关重要的的作用，为提高搬运效率我们有必要设计一款智能化的分拣搬运机器人，这样可以是劳动力放到其它环节，提高搬运环节工作效率。
中国工程机器人大赛暨国际公开赛光电分拣搬运项目是能够有效地检验学生的编程及策略分析能力的比赛，因为光电分拣搬运小车要求学生们需掌握检测和机械结构等技术，并且也需要扎实的编程能力，但在已有的搬运小车中，仍存在许多缺点，因此设计出了集硬件和软件系统为一体的光电分拣搬运小车系统。
2.比赛规则简介
比赛场可参考图1，比赛过程中有两个任务，在比赛前需要按照顺序抽三个不同颜色的物块分别放到比赛场地的A,C,E三个点上，以此决定任务一的搬运顺序。任务一内容：小车从出发区出发，将A,C,E三个不同颜色的物块搬运到场地最外侧的放料区（每个物块都是放到对应物块颜色对应的放料区），物块的搬运顺序没有限制，任务完成即可。任务二内容：分拣搬运小车从出发区出发行驶至储料区F,G,并将F,G区域内的物块搬运到指定颜色的放料区。
图1 3.小车硬件设计 作为竞赛机器人，因此分拣搬运小车需要有较高的性能，这样才能高效的完成比赛任务。分拣搬运机器人所需模块如下：主控芯片，电源模块，电机及驱动模块，检测模块，搬运机械结构模块。
3.1主控芯片
搬运小车需要实时检测路况信息以调整运行轨迹，因此需要一块扩展功能丰富和信息处理足够快的芯片。由于Arduino Mega2560芯片的IO口数量比较多，因此能够满足大量外设硬件的扩展，而且该款芯片具有16路PWM可供输出使用，还具有4路USART引脚与16路模拟输入口，拥有16MHZ的晶振，速度上符合我们的执行速率标准，因此采用Arduino Mega2560芯片作为主控芯片。
3.2电源模块
3s锂电池容量大，能量比比较高，具备高功率承受力并且使用寿命长，作为分拣搬运小车的能源是非常适合的。
3.2电机及驱动模块
作为分光电分拣搬运小车比赛，小车必须具有较高的控制精度，由于步进电机是利用电脉冲信号驱动的，在速度的控制上非常符合比赛所需要求。分拣搬运小车的夹取机构则使用春天403舵机。步进电机驱动则使用L298N电机驱动，它具有强大的带载能力，最高可以支持12V电压，电机驱动板带有光耦电气隔离，当出现大电流情况电机驱动板能够自动断电，这样可以有效保护电机。
3.3检测模块
道路检测是实现搬运机器人自主运行的基础，红外对管传感器相对于其它传感器具有原理简单，检测速度快和容易调试的优点，因此选用红外对管作为黑白线检测传感器。GY-33是一款成本较低的颜色识别模块，该模块可使用IIC和串口的方式读取颜色数据，工作电压为3-5V,能耗低，作为分拣搬运小车颜色识别模块是非常可靠的。
3.4搬运机械结构
搬运夹取方案中则设计为带有升降装置夹子形状的搬运装置。这样的机械机构有一个显著地优点，那就是通过在夹取物体时只需要一个舵机就可以完成操作，物块夹住后再用两个舵机来提升物块。这种设计的最大好处就是搬运小车在运行的过程中，夹取的物块始终保持悬空状态，这样不会意向小车的寻迹行进。整个夹取装置可以使用solidqorks软件绘制和装配，测量好数据后，在使用3d打印机将全部的夹取装置打印出来。分拣搬运小车还需要底板作为硬件固定和承重，底板强度不需过高，用亚克力板制作即可。整体硬件结构组装效果如图2所示。
图2
4软件设计
软件总体架构主要包括五个功能程序，两种模式（运行模式和调试模式）。
循线功能程序：主要实现机器人沿着比赛场地的黑线寻线行走，包括前进和后退寻线。因为路况的不同，小车的速度也不一样，因此设计三个不同的速度，以适应不同的场合。
转向功能程序：主要实现搬运小车在场地上的中心位置上根据不同搬运目标而进行角度的转换，转角范围为90-180度。
抓取和放置程序：主要用于抓取物料摆放点和物料存储区的物料，以及到指定区域将物料放下。
路径规划程序：主要是获取彩色物块的摆放信息，从而按照相应的规划路径进行分拣搬运。
5总结
这款光电分拣搬运小车能够按照的比赛要求，规划行走路径并且通过颜色传感器的作用按照给定顺序取夹取物体，相比同类搬运小车执行效率更高，搬运方式更加灵活，能够圆满完成中国工程机器人大赛暨国际公开赛光电型搬运小车比赛任务，并且对物流搬运机器人也有较高的参考价值。
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论文作者:王浩
论文发表刊物:《科技新时代》2018年3期
论文发表时间:2018/6/6
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