2024年5月19日发(作者：栋若南)
2021.01
设计研发
基于
STM32
的智能搬运机器人的研究与设计
姚思嘉
，
刘芸
，
邵铭旭
，
王鹏家
(北京信息科技大学机电工程学院
，
北京
,100192
)
摘要
：
针对老年人和行动不便者日常生活困难的问题
，
设计了一款可以进行基本日常操作的智能搬运机器人
。
机器人以
STM32
单片机为主控制器
，
通过红外线
、
超声波等传感器获取外界环境信息
，
对履带式行走机构和机械臂进行控制
。
履带
结构较为平稳
，
具有良好的越障能力
；
机械臂自由度高,可完成
360
度全方位无死角的的抓取活动
。
本文使用
Creo
进行
建模
，
实现机器人的运动仿真,优化机器人机械结构
，
借助
Keil
进行程序编译
，
解决机器人运动的算法问题
。
智能机器人
利用多个传感器作为'感觉器官
”
，
凭借稳定的履带行走机构和高自由度的机械臂
，
实现超声避障
、
智能循迹
、
定距抓取等
多个功能
。
关键词
：
智能搬运结构设计
；
STM32
Research
and
Design
of
an
Intelligent
Handling
Robot
based
on
STM32
Yao
Sijia,
Liu
Yun,
Shao
Mingxu,
Wang
Pengjia
(School
of
Mechanical
and
Electrical
Engineering,
Beijing
Information
Science
and
Technology
University,
Beijing,
100192)
Abst
ract
：
Aiming
at
the
problems
of
the
elderly
and
those
with
mobility
difficulties
in
daily
life
,
this
paper
designs
an
intelligent
handling
robot
that
can
carry
out
basic
daily
operations.
With
STM32
single-chip
microcomp
liter
as
the
main
controller,
the
robot
acquires
the
external
environment
information
through
infrared
ray,
ultrasonic
and
other
sensors,
and
controls
the
crawler
walking
mechanism
and
mechanical
arm.
The
track
strueture
is
relatively
stable
and
has
good
ability
to
surmount
obstaeles.
The
manipulator
has
high
degree
of
freedom
and
can
complete
360-degree
omni-
directional
grasping
activities
without
dead
Angle.
In
this
paper,
Creo
is
used
for
modeling
to
realize
the
motion
simulation
of
the
robot,
optimize
the
mechanical
strueture
of
the
robot,
and
compile
the
program
with
the
help
of
Keil
to
solve
the
algorithm
problem
of
robot
motion.
The
intelligent
robot
USES
a
number
of
sensors
as
"sensory
organs
??
and
relies
on
a
stable
crawler
walking
mechanism
and
a
high
degree
of
freedom
robotic
arm
to
achieve
multipie
functions
such
as
ultrasonic
obstaele
avoidance,
intelligent
tracking
and
distance
grasping.
Keywords
:
intelligent
handling
structure
design
;
STM32
0
引言
在中国
，
60
岁以上的老年人口己经超过
2
亿
。
预计到
1
总体结构设计思路
机器人系统的总体架构如图
1
所示,系统以
STM32
单片
2030
年,老年人口可达
4
亿
，
养老问题日
趋严峻
，
中国对护理人员需求约增加到
两千万人次
。由于护理老年人的工作量
红外线
超声波
倾角
大
，
护理人员较少,寻找护理人员极为困
难
。
研制养老服务机器人代替人工辅助
老年人进行一些基本抓取活动,可有效
缓解家庭负担
，
减轻护理市场人员短缺
的压力
，
提升老年人的生活质量,保障社
会的稳定发展山
。
目前市场上的服务类
4
图
1
总体架构
机器人多用于工厂方面,本文设计了一
种操作简单
、
智能性高
、
能适应多种操作
环境
，
基于
STM32
单片机
，
辅助老年人日
常行为活动的智能搬运机器人
。
基金项目
：
北京市教委科技计划项目
(KM2)
；
北京市大学生创新创业训练计划
(2)
。
甲耳测说
ELECTRONIC
TEST
设计研发
机
［
2
］
为主控
，
机器人主要由传感器系统
、
步进电机驱动装置
、
行进机构等模块组成
。通过装载的超声模块,可以得到机器
人与障碍物的距离,实现自主避障
。
红外模块对超声模块的
测量死区进行补偿
，
倾角模块感知机器人的方位角度
，
辅助
运动装置运行
，
保障机器人的平稳行进
。
2021.01
抓持器能够以准确的位置和姿态移动到定点,机器人需要具
有一定数量的自由度
［3
］
o
自由度是机器人的一个重要技术指
标
，
由机器人的结构决定
，
直接影响机器人的机动性。
机械臂
能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度
，
机械臂能进
行运动包括
（
图
4
）
：
2
智能搬运机器人设计
沿坐标轴
Ox,
Oy
和
Oz
的三个平移运动
Tx,
Ty,
Tz
:
绕着坐标轴
Ox,
Oy
和
Oz
的三个旋转运动
Rx,
Ry,
Rz
。
2.
1
行进机构设计
执行机构相对应的机械结构是机器人的行走装置
，
负责
接收控制核心的命令
，
驱动机器人进行智能循迹
，
超声避障
等操作
。
行走机构共有两种设计方案,均可满足控制需求
。
（
1
）
方案一轮式行走结构
轮式行走机构运行过程中，
自身需要消耗一定的功率,
一部分功率用于克服摩擦阻力
，
另一部分消耗在滑转上
。
四
轮行走机构加装在机器人的机体下
，
提高了机器人的承载能
图
4
机械臂自由度
一般来说自由度越多
，
机械臂的灵活性越大
，
通用性越
力,其机械结构相对简单
，
易于控制
。
轮式行走机构的结构简
图如图
2
所示
。
广,其结构越复杂
。机器臂的自由度是设计的关键参数
，
工作
空间中机械臂要想达到任意位姿
，
自由度数目应该与所要完
成的任务相匹配
。
依据以上条件
，
抓取机构采用了六自由度链式关节
。
抓
取器的三维建模如图
5
所示
。
（
2
）
方案二履带行走机构
图
3
轮履行走机构
相对于轮式行走机构
，
履式行
图
5
机械抓取装置
走机构更为复杂
。
履式行走机构将
轮子与机构相结合,可实现在复杂
环境的稳定行驶
。
在复杂路面情况
下正常工作,履式行走机构越障能
力相比轮式更优越,具有较强的结
构化适应力
。
履式行走机构的结构
简图如图所示
。
通过对比分析优劣
,
机器人的行
走机构设计采用了方案二
2.
2
抓取机构
机械臂作为机器人最主要的执
行机构之一
，
对它的研究是人工智能
和机器人学的重要研究课题
。
目前
，
大多数机器臂都是安装在固定基座
上的,它们的操作范围十分有限
。
智能搬运机器人要求机器臂的
甲耳测
BI
2021.01
2.
3
传感器模块
传感器模块是机器人的"感知器官
”
，
负责采集外部信息,
将被测量按照数学函数法则转换成可用信号
，
提高机器人的自
主性
。
其中搬运机器人的超声模块发出超声波碰到杂质或者
分界面会产生显著反射形成反射回波,碰到活动物体能产生
多普勒效应
。
依据此原理
，
机器人常采用渡越时间法
[4]
有效
躲避障碍
。
超声模块的工作方式如图
6
所示
。
机器人装载的
ADXL345
倾角传感器可检测自身状态
，
调
控机械臂实现侧翻恢复
。
不同的传感器收发装置共同组成传
感模块
。
2.
4
步进电机驱动装置
主控模块是机器人的大脑,负责处理感知机构所收集的
外界环境信息
，
形成指令下发给执行机构
。
步进电机驱动装
置设计釆用高精度数字舵机
，
机器人行进发生堵转时
，
舵机
内部自动进行保护
，
调控履带的行进方式
。
3
程序设计
机器人使用
32
位基于
ARM
的微控制器控制
，
所编译的
程序建立于定义的固态函数库之上
，
每一个器件的驱动程序
的编写都在
Keil
上完成
。
在程序驱动下
，
STM32
单片机完成
系统初始化,串口与使用工业标准
NRZ
异步串行数据格式的
外部设备之间进行数据交换
，
检测当前运行模式
，
控制机器
人实现超声避障
、
定距抓取等功能
。
机器人釆用模块化编程,
功能模块控制程序编写成各个功能子程序，
分为循迹,抓取,
智能跟随等
。
3.1
循迹子程序
在行走环境和空间结构变化不大的情况下，
单片机获取
传感器传输有效信号完成循迹避障
。
当超声波传感器检测到
障碍物时
，
减速慢行，
红外模块检测障碍物返回低电平
，
机器
人停止直行调转方向
,
精准调控行进方向
，
完成规划路径
。
3.
2
定距抓取子程序
当有控制信号传输给单片机时
，
首先锁定物品,待机器
人移动到最佳区域
，
输出停车信号驱动舵机控制高自由度舵
机进行抓取
。
3.
3
智能跟随子程序
单片机首先将
4
个
10
口初始化为输入口,通过预设代码
确定两个变量
speedl,
speed2
控制两条履带的速度
，
同时设
置另外两个变量
Ari
、
Ar2
判断履带转向
，
驱动机器人完成智
能跟随
。
电机驱动函数配合定时器执行
，
由
PWM
来控制电机速
度
。
定时器中调用另一函数
，
满足
100us
调用一次的条件即达
到
lKHz
的频率
，
就由控制函数实现超声模块和电机装置的联
结
。
程序通过判断超声波距离来确定小车是否前进或者后退,
不满足设定条件则后退
，
小于则前进
，
运行流程如图
7
所示
。
4
结语
本文设计了一种基于
STM32
的智能搬运机器人,该机器
人可运用于家庭等小空间场合,配合行为困难者完成一些简
设计研发
单的抓取活动
，
此种搬运机器人切合当今社会需求,对养老
助残机器人的研究设计具有一定的参考价值和指导意义
。
分
析比较履带式行走机构与轮式行走机构的优劣
，
对机器人的
履带行走结构传动布局进行了简单的运动学和动力学分析
。
简述机器人机械臂的结构和控制问题
。
机器人通过传感器模
块识别路径
、
发现目标,实现定距抓取
，
智能循迹等功能
，
研
究了机器人的算法问题
。
以下是样机成品图
8
。
图
7
智能跟随流程
图
8
实物样机
参考文献
[1]
唐国华
，
张运成.中国人口老龄化对制造业结构升级的作
用机制研究
[J],
现代经济探讨
,2020(10):46-55.
⑵孙书鹰
，
陈志佳
，
寇超.新一代嵌入式微
处理器
STM32F103
开发与应用
[J].
微计算机应用
,2010,31
(12):59-63.
⑶
陶智量
.
基于
MATLAB
的
6
自由度工业机器人仿真研究
[D],
吉林大学
,2009.
⑷翟振武，
陈佳鞫
，
李龙.中国人口老龄化的大趋势
、新特
点及相应养老政策
[J].
山东大学学报(哲学社会科学
版
),2016(03):27-35.
2024年5月19日发(作者：栋若南)
2021.01
设计研发
基于
STM32
的智能搬运机器人的研究与设计
姚思嘉
，
刘芸
，
邵铭旭
，
王鹏家
(北京信息科技大学机电工程学院
，
北京
,100192
)
摘要
：
针对老年人和行动不便者日常生活困难的问题
，
设计了一款可以进行基本日常操作的智能搬运机器人
。
机器人以
STM32
单片机为主控制器
，
通过红外线
、
超声波等传感器获取外界环境信息
，
对履带式行走机构和机械臂进行控制
。
履带
结构较为平稳
，
具有良好的越障能力
；
机械臂自由度高,可完成
360
度全方位无死角的的抓取活动
。
本文使用
Creo
进行
建模
，
实现机器人的运动仿真,优化机器人机械结构
，
借助
Keil
进行程序编译
，
解决机器人运动的算法问题
。
智能机器人
利用多个传感器作为'感觉器官
”
，
凭借稳定的履带行走机构和高自由度的机械臂
，
实现超声避障
、
智能循迹
、
定距抓取等
多个功能
。
关键词
：
智能搬运结构设计
；
STM32
Research
and
Design
of
an
Intelligent
Handling
Robot
based
on
STM32
Yao
Sijia,
Liu
Yun,
Shao
Mingxu,
Wang
Pengjia
(School
of
Mechanical
and
Electrical
Engineering,
Beijing
Information
Science
and
Technology
University,
Beijing,
100192)
Abst
ract
：
Aiming
at
the
problems
of
the
elderly
and
those
with
mobility
difficulties
in
daily
life
,
this
paper
designs
an
intelligent
handling
robot
that
can
carry
out
basic
daily
operations.
With
STM32
single-chip
microcomp
liter
as
the
main
controller,
the
robot
acquires
the
external
environment
information
through
infrared
ray,
ultrasonic
and
other
sensors,
and
controls
the
crawler
walking
mechanism
and
mechanical
arm.
The
track
strueture
is
relatively
stable
and
has
good
ability
to
surmount
obstaeles.
The
manipulator
has
high
degree
of
freedom
and
can
complete
360-degree
omni-
directional
grasping
activities
without
dead
Angle.
In
this
paper,
Creo
is
used
for
modeling
to
realize
the
motion
simulation
of
the
robot,
optimize
the
mechanical
strueture
of
the
robot,
and
compile
the
program
with
the
help
of
Keil
to
solve
the
algorithm
problem
of
robot
motion.
The
intelligent
robot
USES
a
number
of
sensors
as
"sensory
organs
??
and
relies
on
a
stable
crawler
walking
mechanism
and
a
high
degree
of
freedom
robotic
arm
to
achieve
multipie
functions
such
as
ultrasonic
obstaele
avoidance,
intelligent
tracking
and
distance
grasping.
Keywords
:
intelligent
handling
structure
design
;
STM32
0
引言
在中国
，
60
岁以上的老年人口己经超过
2
亿
。
预计到
1
总体结构设计思路
机器人系统的总体架构如图
1
所示,系统以
STM32
单片
2030
年,老年人口可达
4
亿
，
养老问题日
趋严峻
，
中国对护理人员需求约增加到
两千万人次
。由于护理老年人的工作量
红外线
超声波
倾角
大
，
护理人员较少,寻找护理人员极为困
难
。
研制养老服务机器人代替人工辅助
老年人进行一些基本抓取活动,可有效
缓解家庭负担
，
减轻护理市场人员短缺
的压力
，
提升老年人的生活质量,保障社
会的稳定发展山
。
目前市场上的服务类
4
图
1
总体架构
机器人多用于工厂方面,本文设计了一
种操作简单
、
智能性高
、
能适应多种操作
环境
，
基于
STM32
单片机
，
辅助老年人日
常行为活动的智能搬运机器人
。
基金项目
：
北京市教委科技计划项目
(KM2)
；
北京市大学生创新创业训练计划
(2)
。
甲耳测说
ELECTRONIC
TEST
设计研发
机
［
2
］
为主控
，
机器人主要由传感器系统
、
步进电机驱动装置
、
行进机构等模块组成
。通过装载的超声模块,可以得到机器
人与障碍物的距离,实现自主避障
。
红外模块对超声模块的
测量死区进行补偿
，
倾角模块感知机器人的方位角度
，
辅助
运动装置运行
，
保障机器人的平稳行进
。
2021.01
抓持器能够以准确的位置和姿态移动到定点,机器人需要具
有一定数量的自由度
［3
］
o
自由度是机器人的一个重要技术指
标
，
由机器人的结构决定
，
直接影响机器人的机动性。
机械臂
能够对坐标系进行独立运动的数目称为自由度
，
机械臂能进
行运动包括
（
图
4
）
：
2
智能搬运机器人设计
沿坐标轴
Ox,
Oy
和
Oz
的三个平移运动
Tx,
Ty,
Tz
:
绕着坐标轴
Ox,
Oy
和
Oz
的三个旋转运动
Rx,
Ry,
Rz
。
2.
1
行进机构设计
执行机构相对应的机械结构是机器人的行走装置
，
负责
接收控制核心的命令
，
驱动机器人进行智能循迹
，
超声避障
等操作
。
行走机构共有两种设计方案,均可满足控制需求
。
（
1
）
方案一轮式行走结构
轮式行走机构运行过程中，
自身需要消耗一定的功率,
一部分功率用于克服摩擦阻力
，
另一部分消耗在滑转上
。
四
轮行走机构加装在机器人的机体下
，
提高了机器人的承载能
图
4
机械臂自由度
一般来说自由度越多
，
机械臂的灵活性越大
，
通用性越
力,其机械结构相对简单
，
易于控制
。
轮式行走机构的结构简
图如图
2
所示
。
广,其结构越复杂
。机器臂的自由度是设计的关键参数
，
工作
空间中机械臂要想达到任意位姿
，
自由度数目应该与所要完
成的任务相匹配
。
依据以上条件
，
抓取机构采用了六自由度链式关节
。
抓
取器的三维建模如图
5
所示
。
（
2
）
方案二履带行走机构
图
3
轮履行走机构
相对于轮式行走机构
，
履式行
图
5
机械抓取装置
走机构更为复杂
。
履式行走机构将
轮子与机构相结合,可实现在复杂
环境的稳定行驶
。
在复杂路面情况
下正常工作,履式行走机构越障能
力相比轮式更优越,具有较强的结
构化适应力
。
履式行走机构的结构
简图如图所示
。
通过对比分析优劣
,
机器人的行
走机构设计采用了方案二
2.
2
抓取机构
机械臂作为机器人最主要的执
行机构之一
，
对它的研究是人工智能
和机器人学的重要研究课题
。
目前
，
大多数机器臂都是安装在固定基座
上的,它们的操作范围十分有限
。
智能搬运机器人要求机器臂的
甲耳测
BI
2021.01
2.
3
传感器模块
传感器模块是机器人的"感知器官
”
，
负责采集外部信息,
将被测量按照数学函数法则转换成可用信号
，
提高机器人的自
主性
。
其中搬运机器人的超声模块发出超声波碰到杂质或者
分界面会产生显著反射形成反射回波,碰到活动物体能产生
多普勒效应
。
依据此原理
，
机器人常采用渡越时间法
[4]
有效
躲避障碍
。
超声模块的工作方式如图
6
所示
。
机器人装载的
ADXL345
倾角传感器可检测自身状态
，
调
控机械臂实现侧翻恢复
。
不同的传感器收发装置共同组成传
感模块
。
2.
4
步进电机驱动装置
主控模块是机器人的大脑,负责处理感知机构所收集的
外界环境信息
，
形成指令下发给执行机构
。
步进电机驱动装
置设计釆用高精度数字舵机
，
机器人行进发生堵转时
，
舵机
内部自动进行保护
，
调控履带的行进方式
。
3
程序设计
机器人使用
32
位基于
ARM
的微控制器控制
，
所编译的
程序建立于定义的固态函数库之上
，
每一个器件的驱动程序
的编写都在
Keil
上完成
。
在程序驱动下
，
STM32
单片机完成
系统初始化,串口与使用工业标准
NRZ
异步串行数据格式的
外部设备之间进行数据交换
，
检测当前运行模式
，
控制机器
人实现超声避障
、
定距抓取等功能
。
机器人釆用模块化编程,
功能模块控制程序编写成各个功能子程序，
分为循迹,抓取,
智能跟随等
。
3.1
循迹子程序
在行走环境和空间结构变化不大的情况下，
单片机获取
传感器传输有效信号完成循迹避障
。
当超声波传感器检测到
障碍物时
，
减速慢行，
红外模块检测障碍物返回低电平
，
机器
人停止直行调转方向
,
精准调控行进方向
，
完成规划路径
。
3.
2
定距抓取子程序
当有控制信号传输给单片机时
，
首先锁定物品,待机器
人移动到最佳区域
，
输出停车信号驱动舵机控制高自由度舵
机进行抓取
。
3.
3
智能跟随子程序
单片机首先将
4
个
10
口初始化为输入口,通过预设代码
确定两个变量
speedl,
speed2
控制两条履带的速度
，
同时设
置另外两个变量
Ari
、
Ar2
判断履带转向
，
驱动机器人完成智
能跟随
。
电机驱动函数配合定时器执行
，
由
PWM
来控制电机速
度
。
定时器中调用另一函数
，
满足
100us
调用一次的条件即达
到
lKHz
的频率
，
就由控制函数实现超声模块和电机装置的联
结
。
程序通过判断超声波距离来确定小车是否前进或者后退,
不满足设定条件则后退
，
小于则前进
，
运行流程如图
7
所示
。
4
结语
本文设计了一种基于
STM32
的智能搬运机器人,该机器
人可运用于家庭等小空间场合,配合行为困难者完成一些简
设计研发
单的抓取活动
，
此种搬运机器人切合当今社会需求,对养老
助残机器人的研究设计具有一定的参考价值和指导意义
。
分
析比较履带式行走机构与轮式行走机构的优劣
，
对机器人的
履带行走结构传动布局进行了简单的运动学和动力学分析
。
简述机器人机械臂的结构和控制问题
。
机器人通过传感器模
块识别路径
、
发现目标,实现定距抓取
，
智能循迹等功能
，
研
究了机器人的算法问题
。
以下是样机成品图
8
。
图
7
智能跟随流程
图
8
实物样机
参考文献
[1]
唐国华
，
张运成.中国人口老龄化对制造业结构升级的作
用机制研究
[J],
现代经济探讨
,2020(10):46-55.
⑵孙书鹰
，
陈志佳
，
寇超.新一代嵌入式微
处理器
STM32F103
开发与应用
[J].
微计算机应用
,2010,31
(12):59-63.
⑶
陶智量
.
基于
MATLAB
的
6
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