帶機(jī)械手的兩輪視覺(jué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

勞振鵬 曾志彬 黃市生 吳國(guó)洪 陳學(xué)忠

（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；3.廣東石東實(shí)業(yè)（集團(tuán)）公司，廣東東莞523000）

0 引言

隨著中國(guó)制造2025的提出，服務(wù)機(jī)器人成為了一個(gè)重點(diǎn)研究領(lǐng)域，現(xiàn)有的服務(wù)機(jī)器人常見的有四輪驅(qū)動(dòng)式、兩大輪帶動(dòng)兩小輪式、兩大輪帶動(dòng)萬(wàn)向輪式[1]，然而卻很少有兩輪自平衡的服務(wù)機(jī)器人。服務(wù)機(jī)器人需要往更加輕便靈活的方向發(fā)展，四輪驅(qū)動(dòng)式的服務(wù)機(jī)器人并未具有很好的輕便靈活性。目前，大多數(shù)機(jī)械手都應(yīng)用于固定工位的搬運(yùn)工作[2]，很少將機(jī)械手與兩輪自平衡機(jī)器人的技術(shù)聯(lián)合起來(lái)。把兩輪自平衡技術(shù)、機(jī)械手、視覺(jué)識(shí)別技術(shù)與自動(dòng)避障技術(shù)整合在一起，可以構(gòu)造一種具有自動(dòng)識(shí)別、夾取、搬運(yùn)等多種功能的服務(wù)機(jī)器人，并應(yīng)用到自動(dòng)撿網(wǎng)球等領(lǐng)域。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出了一種帶機(jī)械手的兩輪視覺(jué)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案，將從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方面與軟件系統(tǒng)搭建方面進(jìn)行闡述。

1 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)器人的結(jié)構(gòu)包括自平衡車平臺(tái)、機(jī)械手臂、視覺(jué)與激光測(cè)距平臺(tái)。其中，自平衡車平臺(tái)包括輪子、大功率直流電機(jī)、底板、載板；機(jī)械手臂包括機(jī)械手本體Ⅰ、機(jī)械手本體Ⅱ、直流電機(jī)Ⅰ、機(jī)械手夾子、舵機(jī)；視覺(jué)與激光測(cè)距平臺(tái)包括Openmv攝像頭、激光測(cè)距模塊。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

機(jī)器人的輪子與大功率直流電機(jī)連接，進(jìn)一步地兩者通過(guò)電機(jī)固定片固定在底板的下方，兩個(gè)輪子對(duì)稱設(shè)置。載板設(shè)置在底板的上方，兩者之間用四個(gè)銅柱支撐，STM32智能車主板設(shè)置在底板的上表面，機(jī)械手臂設(shè)置在載板的上表面。機(jī)械手本體Ⅰ的傾斜結(jié)構(gòu)與豎直方向成45°，機(jī)械手本體Ⅱ設(shè)置為四個(gè)邊角都鉸接的平行四邊形結(jié)構(gòu)，機(jī)械手本體Ⅱ的短邊的兩個(gè)鉸接點(diǎn)與機(jī)械手本體Ⅰ連接。直流電機(jī)Ⅰ固定在機(jī)械手臂的一側(cè)，通過(guò)同步輪、同步帶聯(lián)動(dòng)機(jī)械手本體Ⅱ。機(jī)械手夾子通過(guò)方形板與機(jī)械手本體Ⅱ的另一條短邊的兩個(gè)鉸接點(diǎn)連接，機(jī)械手本體Ⅱ擺動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械手夾子能一直保持水平狀態(tài)。舵機(jī)設(shè)置在機(jī)械手夾子的反方向，電機(jī)軸與機(jī)械手夾子螺旋連接。激光測(cè)距模塊設(shè)置在機(jī)器人正前方的中間偏下位置，通過(guò)第一層平臺(tái)的下表面固定，激光測(cè)距模塊的中心與網(wǎng)球球心在同一水平面上，Openmv攝像頭設(shè)置在激光測(cè)距模塊的正上方。

2 軟件系統(tǒng)搭建

通過(guò)搭建機(jī)器人的系統(tǒng)使其具有自動(dòng)工作模式。機(jī)器人上電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、視覺(jué)系統(tǒng)開始運(yùn)行，初始化各個(gè)參數(shù)；自動(dòng)工作模式下，使用彩色圖像寫入模式，關(guān)閉白平衡，進(jìn)行綠色濾波，捕捉綠色目標(biāo)，在未捕捉到綠色目標(biāo)之前，機(jī)器人會(huì)通過(guò)慢速自旋轉(zhuǎn)一圈與移動(dòng)固定的步長(zhǎng)搜索綠色目標(biāo)，直到成功捕捉綠色目標(biāo)為止；進(jìn)一步地對(duì)輸入圖像邊緣檢測(cè)，計(jì)算圖形的梯度，并確定圓周線，其中圓周的梯度就是它的法線[3]，在二維霍夫空間內(nèi)繪出所有圖形的梯度直線，坐標(biāo)點(diǎn)累加和的值越大，則該點(diǎn)上直線相交的次數(shù)越多，該點(diǎn)越有可能是圓心，在霍夫空間的4鄰域內(nèi)進(jìn)行非最大值抑制，設(shè)定一個(gè)閾值，霍夫空間內(nèi)累加和大于該閾值的點(diǎn)就對(duì)應(yīng)于圓心；當(dāng)同時(shí)滿足綠色特征和圓形輪廓兩個(gè)條件，機(jī)器人確定其為綠色網(wǎng)球；進(jìn)一步地，Openmv攝像頭根據(jù)圓心與圖像中心的位置偏差轉(zhuǎn)換成特定的編碼信息，通過(guò)串口通信傳輸給STM32智能車主板，從而輸出脈沖與方向信號(hào)控制電機(jī)，調(diào)整機(jī)器人正對(duì)著網(wǎng)球的中心，進(jìn)一步地機(jī)器人直線向前走，當(dāng)激光測(cè)距模塊檢測(cè)到正前方的距離等于預(yù)設(shè)的物體檢測(cè)距離（WL值），機(jī)器人停止前進(jìn)，進(jìn)一步地，STM32智能車主板控制機(jī)械手從上往下移動(dòng)，旋轉(zhuǎn)固定的角度，張開的機(jī)械手剛好停在網(wǎng)球球心所在的水平面，機(jī)械手夾緊，實(shí)現(xiàn)夾取網(wǎng)球。

3 結(jié)語(yǔ)

本文所做的工作總結(jié)如下：第一，根據(jù)功能要求對(duì)移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；第二，根據(jù)機(jī)器人的功能要求搭建了軟件系統(tǒng)。本文將機(jī)器人設(shè)計(jì)為兩輪移動(dòng)式，結(jié)合自平衡技術(shù)，使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更具靈活性；將機(jī)械手與兩輪自平衡系統(tǒng)結(jié)合，有效擴(kuò)大了機(jī)械手的應(yīng)用范圍；融合了視覺(jué)識(shí)別技術(shù)與自動(dòng)避障技術(shù)，整套機(jī)器人系統(tǒng)邏輯嚴(yán)密，具有較高的智能化程度。