办公区资料运输机器人研制

谢智阳，刘锦滔，叶永玖，陈纪钦

（1.河源职业技术学院，广东河源517000；2.河源市工业机器人技术应用工程技术研究中心，广东河源517000）

随着我国机器人市场的不断扩大，尤其是2013年跃居全球首位以来，越来越多的企业参与其中，并取得了不俗的成绩，国产机器人的市场份额也在不断地扩大。如今市面上诞生了各种各样的机器人，如自动航材运输机器、物料搬运机器人和运输对抗机器人[1-4]，这些机器人都在各自扮演着自己角色，释放人工劳动力。

在现代大型办公区域里公司人员密集，每天都有许多资料需要交到各个部门手中，然而办公时每个职员都处于忙碌状态，甚至没有多余时间去交各种资料，这样难免会出现文件迟交、漏交的问题，导致降低办公效率。针对这种现象，本文设计了办公区资料运输机器人装置，通过办公区资料运输机器人，将资料输送到所需要资料的人手中，提高办公室自动化、智能化，降低人力资源成本，提高工作效率。

1 机械结构设计

1.1 总体结构布局

办公区资料运输机器人主要由底盘、主控台、信号接收装置、语音播放系统、显示屏、资料放置区和超声波探头等部件构成，见图1所示。除基本部件之外，机器人还设计了资料放置区、纵向资料放置区和控制箱。

1.2 底盘结构设计

地盘部分是小车的核心结构，承载着机器人自动循迹的任务，主要包含导航模块[5-6]、从动万向轮、霍尔编码器、主动轮、电机、RC522模块[7]等部件构成的，各模块的安装位置见图2所示。

2 硬件电路设计

2.1 硬件搭建设计思路

图1 办公区资料运输机器人结构示意

图2 底盘结构示意

图3 硬件搭建构思

本文是以循迹智能小车为基础，加以改进、创新、实践构建设计思路。通过单片机技术、无线技术和传感器技术的整合。使机器人根据其指令自动到达指定区域，将文件送达。硬件搭建结构思路见图3所示。

控制架构主要由主控台、信号通讯模块、动力驱动模块、RFID标志识别模块和人机界面组成。

信号接收及语音系统中的结构图是由NRF24L01+PA+LNA无线模块、喇叭、天线、语音模块等部件构成。控制台设由人机界面、LCD12864液晶屏显示模块和3*5矩阵键盘等部件构成。

在制作办公区资料运输机器人的硬件设计的过程中，根据作品的组成和功能，确定作品所需的材料见表1所示。

表1 办公区资料运输机器人制作材料

2.2 呼叫装置及语音系统

如图4所示，呼叫装置及语音系统由NRF24L01+PA+LNA无线模块、喇叭、天线和语音模块等部件构成，NRF24L01+PA+LNA模块是普通NRF24L01模块的增强版，采用2.4 G频段进行通信[8-12]，通信距离最远可达1 000 m，经调查，一般楼层的办公半径不会超过100 m，能较好的满足本文的设计需求。

图4 呼叫装置及语音系统的结构示意

3 控制软件设计

3.1 软件设计思路

在硬件搭建好的基础上，进行软件设计，如图5所示，为本文机器人的模拟场地。首先，机器人启动后处于待命状态，随时待命NRF24L01无线模块的呼叫，当被呼叫时，主控开源硬件Arduino会识别出是哪个房间的无线信号，并且自动匹配对应的该房间RFID地标ID号，机器人会从待命区A点出发。例如，假设现有103房间呼叫，则机器人需从A点出发，经过B点、D点、F点、H点、J点、L点到达M点，完成地标识别，解决了机器人在路口选择从哪继续前进的问题。

图5 模拟场地图

到达目的地后，资料放置在机器人上的资料放置柜，按下需要送去的对应房间号并按下确认键，机器人开始继续工作，送达到目的地。例如：在103房间，想让机器人运输资料到106，那么就在矩阵键盘按下106并确认，机器人主控则会自动匹配到目的地E点，机器人则会从M点出发，需经过L、J、H、F、D点，最终到达E点，送达资料。机器人到达资料送至目的地后，机器人返回待命区A点。

3.2 办公区资料运输机器人的总体软件设计

根据模拟场地的要求，设计总体控制流程，见图6。在循迹部分中的程序，因设定的黑线宽度为30 mm，五路循迹模块对射管相距25 mm，所以，本文把遇到的情况分为9种情况，分别是对射管1遇到黑线，对射管1和2遇到黑线，对射管2遇到黑线，对射管2和3遇到黑线，对射管3遇到黑线，对射管3和4遇到黑线，对射管4遇到黑线，对射管4和5遇到黑线，对射管5遇到黑线，共9种情况。详细的分为9种情况，更有利于为机器人行驶做更好的误差计算。

图6 总体流程

RC522与Arduino UNO连接，五路循迹模块、NRF24L01+模块与Arduino 2560连接，当UNO连接的RC522识别到地标后，通过串口通信实时发送给Arduino 2560，既解决了2560 SPI通信接口不足的问题，也有效分担了Arduino 2560的计算任务，保证系统的实时性。

本文运用Arduino UNO处理地标识别任务，Arduino 2560处理路径识别、人机界面、通信、电机驱动等任务，当UNO识别到地标后，会通过串口通信传送给Arduino 2560，由Arduino 2560执行操控任务。

NRF24L01+与Arduino UNO组合成的呼叫装置，本文设计成十对一的收发配置，十发一收，十一个NRF24L01+同频段，同地址，但发送的ID内容不同，这就能轻易的辨别出每一个的呼叫装置。

3.3 路径规划

如图7，假设102房间呼叫运输机器人，机器人在A点接收到ID为102的无线信号，则机器人从A点出发，行驶途中，RC522地标识别模块一直处于检测状态，经过B、D、F点，检测到达H点的时候，机器人停下，并向左转弯。驶入102房间，当地标识别模块检测到I点的时候，机器人停止。

图7 102房间呼叫路径规划流程

资料放置后，如想送至101房间，则在矩阵键盘按下101密码。机器人在I点出发，行驶途中，RC522地标识别模块一直处于检测状态，当检测到H点时，机器人向右转弯并继续行驶，当行驶到B点时机器人停下，并向右转弯。驶入101房间，当地标识别模块检测到C点的时候，机器人停止，资料送达目的地，见图8。

图8 102送至101房间路径规划流程

4 实验测试

4.1 实验环境

实验样机如图9所示，实验地点为河源职业技术学院机电工程学院四楼，根据图5的模拟场地布置实验所需的实验环境。机器人系统采用开源硬件对系统实施控制，Arduino 2560、Arduino UNO板数字输出端子带有PWM功能，结合本文设计的路径规划算法和PID循迹算法对机器人进行实验测试。

图9 办公区资料运输机器人实物图

4.2 机器人定位实验

本文采用RC522模块对地理位置的识别定位，对比与其它的定位模块，识别精度高，性价比高，且利于安装；为研究机器人的在节点处的重复定位情况，对机器人进行定位测试，在进行100次的定位测试中，机器人在节点处的平均重复定位精度达±0.85 cm，符合该机器人运行环境的要求。

4.3 机器人无线呼叫实验

影响机器人稳定性另一个重要功能是机器人的无线通信系统，本文采用NRF24L01+PA+LNA无线模块作为信号的发射与接收，该模块信号传输距离远、信号强、体积小、功耗小、自带频道功能，不易受干扰，非常适合与控制器连接组装成呼叫系统。为测试无线系统的稳定性，进行了100次的无线呼叫测试，每个节点各呼叫10次，一次性准确呼叫98次，失误2次，通信成功率达98%。

5 结论

本文基于Arduino 2560和Arduino UNO控制器巧妙的实现了办公资料运输机器人所需的功能，整套系统架构合理，成本低廉，解决了办公资料人工传送效率低的问题，让办公区域的文件资料传输更加便捷，大大提高了办公室的办公效率。