一種具有示教作用的噴涂機(jī)器人的設(shè)計

陳金宇 黎梓恒 吳國洪 曾志彬

（1.東莞理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，廣東東莞523000；2.東莞市橫瀝模具科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，廣東東莞523000）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用不斷被拓展[1]。戶外運動如籃球、羽毛球都是熱門的運動，由于諸多外力因素影響，戶外籃球場或羽毛球場的實線會隨時間推移發(fā)生模糊程度變大的情況。目前的場線修復(fù)主要采用純手工涂裝或非自動的機(jī)械涂裝方式[2]，非自動的機(jī)械涂裝方式雖比純手工涂裝效率高、精度好，但相對于采用機(jī)器人自動涂裝的方式，這兩者均表現(xiàn)為耗費更多的人力，耗時長，效率低，精度低。

針對以上不足，本文提出了一種噴涂機(jī)器人的設(shè)計方案，以應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)。本文將從機(jī)構(gòu)設(shè)計方面與軟件系統(tǒng)搭建方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺設(shè)計

本文所設(shè)計的機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人高度約為0.5 m。機(jī)器人的動力部分為兩個直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人的移動，42步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動球閥的開關(guān)，云臺電機(jī)驅(qū)動Openmv攝像頭的旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)通過聯(lián)軸器和帶軸的法蘭連接輪子，直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速即輪子的轉(zhuǎn)速；直流電機(jī)通過電機(jī)固定件連接載板，左右兩邊對稱設(shè)置，構(gòu)成一種兩輪移動平臺。42步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接球閥，通過電機(jī)固定件連接載板。云臺電機(jī)安裝在云臺電機(jī)座里，進(jìn)一步地，通過兩個云臺電機(jī)卡件分別連接載板與相機(jī)座。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

機(jī)器人的傳感器部分包括Openmv攝像頭、陀螺儀和激光測距模塊。Openmv攝像頭設(shè)置在相機(jī)座的下方，用于采集球場白實線的圖像；陀螺儀共計兩個，其一設(shè)置在stm32平衡車主板上，用于實時采集機(jī)器人的傾角信息，并反饋給stm32平衡車主板，進(jìn)一步地控制直流電機(jī)進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)，維持其在平衡狀態(tài)；其二設(shè)置在相機(jī)座上，用于實時采集相機(jī)座的傾角信息，并反饋給stm32平衡車主板，進(jìn)一步地控制云臺電機(jī)進(jìn)而調(diào)整Openmv攝像頭的姿態(tài)，保持平穩(wěn)地采集圖像。三個激光測距模塊分別設(shè)置在直流電機(jī)的下方，通過多個測距模塊固定件連接至電機(jī)固定件的側(cè)面，用于檢測障礙物的距離信息，及時反饋給機(jī)器人做出避障動作，保護(hù)電機(jī)和噴嘴不被撞壞。藍(lán)牙模塊設(shè)置在stm32平衡車主板上，用于機(jī)器人與移動端APP的連接，可以手動控制機(jī)器人與維護(hù)調(diào)試機(jī)器人。蜂鳴器設(shè)置在stm32平衡車主板上，當(dāng)機(jī)器人檢測到障礙物時，蜂鳴器發(fā)出警報聲。

2 軟件系統(tǒng)搭建

采用噴涂機(jī)器人進(jìn)行示教課程時，規(guī)劃各傳感器技術(shù)的優(yōu)先級問題和觸發(fā)中斷使用問題。

機(jī)器人實際工作時，平衡車的機(jī)構(gòu)平臺根據(jù)設(shè)置在stm32平衡車主板上的陀螺儀的角度數(shù)據(jù)，以直流電機(jī)為源動力，消除機(jī)器人平臺的傾角，維持平衡[3]；視覺平臺根據(jù)設(shè)置在相機(jī)座上的陀螺儀的角度數(shù)據(jù)，以云臺電機(jī)為源動力，消除Openmv攝像頭的傾角，維持平衡。

通過攝像頭獲取圖像和對圖像進(jìn)行處理，根據(jù)所產(chǎn)生的坐標(biāo)信息調(diào)節(jié)平衡車的姿態(tài)，讓攝像頭及平衡車始終跟著白線的中心移動，保證噴涂的精準(zhǔn)度；識別白線在視覺的中央的方法為：通過攝像頭獲取圖像后，對圖像進(jìn)行標(biāo)定，然后對圖像進(jìn)行閾值分割處理，得到只含白色區(qū)域（即白線）的圖像，而過濾掉無需處理的圖像部分；對已得到圖像通過邊緣檢測得到白線邊緣的外輪廓線，然后對輪廓進(jìn)行篩選，剩下白線外緣兩條互相平行的長直線；根據(jù)兩條長直線可以得到其中心位置并畫出兩條平行線的中間線，再通過獲取其絕對坐標(biāo)和相對坐標(biāo)的位置，通過調(diào)節(jié)平衡車的姿態(tài)來移動攝像頭使得其相對坐標(biāo)與絕對坐標(biāo)重合，讓攝像頭始終跟著白線的中心移動，即機(jī)器人跟著白線的中心移動；或者，對已得到圖像通過邊緣檢測得到白線邊緣的外輪廓線，獲取每條線的端點坐標(biāo)值，通過算法可以判斷得到的線條是平行還是垂直或者根據(jù)勾股定理是否能構(gòu)成直角三角形來判斷白線的90°拐角，而對于白線末端的直角短線度進(jìn)行剔除，避免對結(jié)果產(chǎn)生影響。

通過激光測距模塊檢測障礙物的距離信息和處理數(shù)據(jù)，根據(jù)障礙物的距離調(diào)節(jié)平衡車的運動、球閥的開關(guān)和蜂鳴器的警報，從而提醒及時清除路障，保證工作效率。

3 結(jié)語

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)目標(biāo)功能對移動機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；第二，根據(jù)機(jī)器人的功能要求搭建了軟件系統(tǒng)。

本文所設(shè)計的噴涂機(jī)器人以平衡車主板為控制中心，利用陀螺儀判定平衡狀態(tài)，利用電機(jī)對噴涂機(jī)器人進(jìn)行調(diào)整使其處于平衡狀態(tài)，然后利用攝像機(jī)獲得噴涂軌跡以指示噴涂機(jī)器人進(jìn)行自動噴涂，可應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)。