“機電一體化”課程移動機器人協(xié)作實驗平臺搭建與探索

李海蕓 葉大鵬 邱榮斌 陳志偉

摘 ?要： 為改善現(xiàn)有實驗平臺實驗項目綜合性不強等問題，滿足理論與實際應(yīng)用相結(jié)合的實驗教學及科研的要求，研制移動機器人協(xié)作實驗平臺。以牧草撿拾堆垛協(xié)作機器人為載體，采用機電一體化設(shè)計理念和模塊化設(shè)計思想，以STM32為控制系統(tǒng)核心，結(jié)合光電傳感技術(shù)和多傳感器融合技術(shù)確保機器人行進路徑及檢測結(jié)果的精準性。學生可以靈活重組不同功能模塊，完善軟件編程，完成多個撿拾堆垛目標、多種路徑控制綜合實驗。此外，在改善牧草業(yè)領(lǐng)域人工撿拾堆垛牧草勞動強度大的現(xiàn)狀，提高牧草撿拾的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟效益方面具有一定的實際應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞： 模塊化設(shè)計; 機電一體化; 機器人; 路徑規(guī)劃; 實驗平臺; 機器視覺識別

中圖分類號： TN99?34; TP24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2019）15?0150?04

Construction and exploration of mobile robot cooperative experimental

platform in "Mechatronics" course

LI Haiyun1，2， YE Dapeng1，2， QIU Rongbin1，2， CHEN Zhiwei1，2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Fujian Agriculture and Forestry University， Fuzhou 350002， China;

2. Fujian University Engineering Research Center for Modern Agricultural Equipment， Fuzhou 350002， China）

Abstract： In order to improve project comprehensiveness of experimental platform， and satisfy requirements combining the theory with practical application for teaching and scientific research， a kind of mobile robot cooperative experiment platform was developed. Based on the hay bales pickup and palletizing robot as the carrier， the mechatronics design concept and modular design idea are adopted. The STM32 is taken the core of the control system of the platform. The photoelectric sensor technology and multi?sensor fusion technology are used to ensure the accuracy of the robot's travel path and detection results. The students can flexibly reconfigure different functional modules， improve software programming， and accomplish multiple hay bales pickup， palletizing target and multiple path control comprehensive experiments. In addition， it has a certain practical application ability in the aspects of reducing the current labor intensity of stacking pastures in the forage grass industry， and improving the production efficiency and economic benefits of pasture picking.

Keywords： modularization design; mechatronics; robot; path planning; experiment platform; machine visual identity

0 ?引 ?言

機電一體化系統(tǒng)設(shè)計是我校機電工程學院國家級特色專業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)機械電子工程方向的一門專業(yè)核心課，為后續(xù)綜合性設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計與實踐等環(huán)節(jié)奠定了重要理論基礎(chǔ)，為該專業(yè)學生提供機電系統(tǒng)檢測、驅(qū)動、控制等知識。課堂教學模式往往以教師講授為主，講授式教學在課堂教學中所占的比例太大，教學方法不能適應(yīng)相應(yīng)課程的教學要求，教學效果自然不盡人意，學生學習動機弱且參與度低。本文以草捆撿拾碼垛機器人為教學載體，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法;通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，掌握控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理和軟件編程思想，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高[1?3]。

1 ?實驗臺系統(tǒng)工作原理

機器人實驗平臺運行的場地尺寸如圖1所示，規(guī)格為2.4 m×2.4 m。底面顏色為白色，內(nèi)設(shè)有黑線作為機器人行走的參考路徑;黃邊框代表圍欄;上方水平設(shè)置的紅、綠和藍方框代表各牧草捆所屬的倉儲區(qū);下方分散設(shè)置的紅、綠和藍方框代表不同種類的牧草捆，各用4個180 g噴涂顏色的衛(wèi)生紙模擬，隨機放置在每列待撿拾區(qū)域的十字交叉處，其中，每列每個顏色至少放置1個牧草捆;場地的四周分別設(shè)有35 cm×35 cm的出發(fā)區(qū)，機器人必須從出發(fā)區(qū)進入賽道，每次夾取四個草垛，按批次逐色完成任務(wù)。

圖1 ?機器人運行場地尺寸圖

通過機器視覺技術(shù)實現(xiàn)草垛顏色判別，采用光電傳感技術(shù)定位草垛初始位置，確保行進路徑的精準性，多傳感器融合技術(shù)確保檢測結(jié)果精準。兩組對稱分布的三自由度機械臂上分別安裝回轉(zhuǎn)裝置，通過草垛重力實現(xiàn)自適應(yīng)擺正和碼放，運用無線通信技術(shù)實現(xiàn)兩臺輪式機器人位置和動作實時通信。

2 ?機械本體設(shè)計

機器人整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，采用輪式機器人結(jié)構(gòu)[4]，主要由底盤結(jié)構(gòu)模塊、轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)模塊和抓取結(jié)構(gòu)模塊組成。

底盤結(jié)構(gòu)采用菱形布局，左右方向布置靜音輪，前后方向布置靜音萬向輪。轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對手爪固定旋轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)運動。抓取結(jié)構(gòu)采用夾持式機械手，弧形的手爪有利于對草捆的夾持，手爪上的齒形能增大摩擦，保證夾持草捆穩(wěn)定性。

圖2 ?機器人整體結(jié)構(gòu)示意圖

3 ?控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

本硬件系統(tǒng)由主控模塊、驅(qū)動模塊、電源模塊和傳感器模塊組成，在底盤上的布置如圖3所示?？刂菩酒捎肧TM32F103RCT6，適用于機器人實驗平臺的多功能需求控制，具有一定的穩(wěn)定性[5?7]。傳感器模塊采用光電傳感器和循跡傳感器實現(xiàn)行走定位與草捆位置定位，采用OpenMV3攝像頭識別草捆種類[8?9]。

圖3 ?底盤硬件布置圖

STM32開發(fā)板與24路舵機控制板聯(lián)合控制9個數(shù)字舵機，簡化了主控模塊的控制難度[10]。各子傳感器與主控模塊相連，將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊進行分析，并進行智能化的控制操作。

4 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 ?機器視覺識別設(shè)計

機器視覺識別程序采用串口輸出的方式，將識別檢測到的草捆種類經(jīng)由串口輸出至主控模塊，便于主控模塊對草捆的種類識別并設(shè)置相應(yīng)的抓取作業(yè)。

4.2 ?機器人運動路徑規(guī)劃

4.2.1 ?蟻群算法[11]

蟻群算法的基本思想來源于自然界螞蟻覓食的最短路徑原理，為了便于蟻群算法搜索到草捆撿拾碼垛的最優(yōu)路徑，本文采用柵格法對比賽場地進行柵格劃分，如圖4所示，對場地網(wǎng)格劃分圖進行簡化并建立二維坐標系，圖中的白色塊表示可行走的路線，黑色塊表示障礙物，紅、綠、藍三種顏色的色塊表示障礙物，為了更好的表示草捆及倉儲區(qū)的位置所在，因此對其障礙物色塊進行顏色標定。

圖4 ?環(huán)境柵格圖

在初始時刻各條路徑上的信息量相等，在搜索過程中，螞蟻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率是根據(jù)每條路徑上積累的信息量和路徑的啟發(fā)信息來計算的。[pkijt]表示在[t]時刻螞蟻[k]由節(jié)點[i]到[j]的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率：

4.2.2 ?路徑規(guī)劃

依據(jù)實際需求及機器人可以實現(xiàn)一次抓取四個草捆的結(jié)構(gòu)特征，將機器人在場地中的路徑規(guī)劃分為如下兩步：

1） A機器人實現(xiàn)對紅、藍兩種草捆的撿拾與碼垛，B機器人實現(xiàn)對紅、綠草捆的撿拾與紅色草捆的碼垛。路徑如圖5a）所示，A機器人由右下角出發(fā)區(qū)出發(fā)，行走至紅、藍兩色倉儲區(qū)的中間，抓取紅、藍草捆。將會遇到左右兩側(cè)都有草捆、左側(cè)有草捆右側(cè)無草捆和左側(cè)無草捆右側(cè)有草捆三種情況，當檢測到紅、藍草捆時均需完成撿拾，直到各自顏色所屬機械爪已抓取滿。B機器人需要對紅、綠兩種草捆各兩個進行抓取。

圖5 ?路徑規(guī)劃

2） A機器人實現(xiàn)對藍、綠兩種草捆的撿拾與碼垛，B機器人實現(xiàn)對紅、綠兩種草捆的撿拾與綠色草捆的碼垛。如圖5b）所示，A機器人擺放完兩個紅草捆和兩個藍草捆后，行走至藍、綠倉儲區(qū)的中間位置，并返回至紅、藍倉儲區(qū)的中間道抓取余下的兩個紅、藍草捆。機器人將可能遇到左右兩側(cè)都有草捆、左側(cè)有草捆右側(cè)無草捆和左側(cè)無草捆右側(cè)有草捆三種情況，當檢測到藍、綠色草捆時都需要完成撿拾任務(wù)，直到各自顏色所屬機械爪已抓取滿。

5 ?實驗平臺用于實踐

5.1 ?實驗平臺調(diào)試

草捆撿拾碼垛機整機模型如圖6所示，學生分組對機器人進行調(diào)試，主要針對機械結(jié)構(gòu)的零件制作和連接配合，以及控制系統(tǒng)的硬件布局。

圖6 ?草捆撿拾碼垛機整機

在草捆的抓取過程中，需要機械手垂直向下，抓取草捆。而由于草捆的材質(zhì)為紙質(zhì)，原始的機械手夾持力不足、易松動，采取在機械手上加裝輔助夾持塊的設(shè)計，輔助夾持塊上設(shè)有多個凸起，幫助機械手能夠更穩(wěn)定地抓取草捆。

攝像頭原先布置在手爪的左右側(cè)，側(cè)向?qū)Σ堇ΨN類進行識別，而實際出現(xiàn)識別錯誤的現(xiàn)象。改進后將攝像頭布置在機械手安裝部位舵機的上方，向下對草捆進行顏色識別。當檢測草捆種類時，機械手處于水平位置，待攝像頭檢測完草捆種類后再將機械手放下，以避免機械手阻礙攝像頭的拍攝。

5.2 ?實驗教學效果

操作評分由“撿拾分”和“碼垛分”兩部分組成。其中“撿拾分”以草捆完全離地為準，單個草捆累積計分1次，分值為3分?！按a垛分”包括全部進入和部分（進入面積≥50%）進入，分值分別為5分、3分。對調(diào)試后的機器人進行相關(guān)實驗，實驗效果如表1所示。

表1 ?實驗結(jié)果統(tǒng)計表

通過實驗可以發(fā)現(xiàn)，機器人完成全部草捆的撿拾和碼垛任務(wù)具有一定的可行性，該實驗臺設(shè)計合理，完全滿足實驗教學和科研實驗要求。實驗教學過程中，實驗對象、實驗內(nèi)容、實驗平臺和實驗方法的合理分割和邏輯搭配，構(gòu)建以學生為主體的學習氛圍。通過在該平臺的知識和實踐學習，參加各類創(chuàng)新型競賽、中國農(nóng)業(yè)機器人競賽和工程訓練綜合能力競賽等的學生人數(shù)明顯增加。

6 ?結(jié) ?語

本實驗平臺以典型的機電一體化產(chǎn)品——機器人為載體，結(jié)合草捆撿拾堆垛的應(yīng)用，設(shè)計一種基于STM32的草捆撿拾碼垛機器人。在實驗平臺搭建過程中，對“機電一體化”課程的知識進行離散并與機器人各模塊對應(yīng)?；谀K化設(shè)計理論自主研制機器人綜合實驗平臺，彌補現(xiàn)有教學實驗設(shè)備、實驗功能和對象單一，擴展性能不夠豐富等缺點。實驗教學中，使理論學習與技能訓練緊密聯(lián)系，有效激發(fā)了實驗對象的實踐積極性和主動性，逐步提高其綜合實踐能力和工程創(chuàng)新意識。

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