顧鵬飛 于朋程 張金生 主浩 唐蕾 楊玲玲 楊永杰

摘要：本文采用STM32為智能物流分揀機(jī)器人主控芯片，該系統(tǒng)由車輪、電機(jī)、驅(qū)動、主控板、循跡模塊、舵機(jī)、OLED顯示屏、機(jī)械臂、爪子等部件組成，攝像頭由wife模塊進(jìn)行信號采集控制識別功能，物料識別抓取功能等。本設(shè)計可塑性高，智能程度高，實用性強(qiáng)，能夠很好地從根本上解決人工的分揀工作效率低，成本高，容錯率低的問題。

關(guān)鍵詞：STM32;分揀;搬運;機(jī)器人;物流

中圖分類號：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0168-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（0SID）：

1 引言

在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和作業(yè)中，機(jī)器人在有效提高產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)的勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量與降低生產(chǎn)成本和生產(chǎn)效率等方面起到重要的作用和意義。隨著現(xiàn)代計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和信息社會技術(shù)時代的進(jìn)步，智能工業(yè)機(jī)器人的物流技術(shù)研究和其應(yīng)用逐漸成為社會廣泛關(guān)注的熱點，并且在經(jīng)濟(jì)社會的各個領(lǐng)域中廣泛使用?，F(xiàn)如今我國物流和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展迅速，機(jī)器人在物流技術(shù)的應(yīng)用程度逐漸成為企業(yè)之間競爭的重要因素之一。同時，這項技術(shù)也決定了相關(guān)企業(yè)的未來，

2 智能分揀物流機(jī)器人

本文以輪式機(jī)器人理論為出發(fā)點，涉及廣泛，參考相關(guān)研究資料，分析現(xiàn)如今所應(yīng)用在物流機(jī)器人上的技術(shù)研究現(xiàn)況以及在此方向上所存在的問題。在此基礎(chǔ)上，運用三維建模、嵌入式控制、圖像處理、軟件設(shè)計等工程技術(shù)搭建與實現(xiàn)智能物流機(jī)器人平臺。該機(jī)器入主要由車輪、電機(jī)、底板、傳感器、驅(qū)動、主控板、舵機(jī)、顏色傳感器、OLED顯示屏、機(jī)械臂和爪子組成如圖1所示。

本項目設(shè)計的智能分揀搬運機(jī)器人，其系統(tǒng)功能框圖[1]如圖2所示，將電源、電機(jī)驅(qū)動、直流電機(jī)、舵機(jī)、驅(qū)動板、黑線檢測模塊、OLED顯示器[2]、攝像機(jī)各部分連接，保證其部分能夠正常工作。

其工作過程為：智能機(jī)器人通過循跡模塊、電機(jī)控制模塊，實現(xiàn)路徑的識別行走;通過攝像頭掃描二維碼，讀取信息，領(lǐng)取任務(wù)：利用顏色傳感器識別物料確定夾取順序;舵機(jī)模塊用來控制機(jī)械臂，實現(xiàn)物料的抓取與放置。同時，在此運作過程中通過OLED顯示模塊來實現(xiàn)與管理系統(tǒng)的信息傳遞，以此來直觀展現(xiàn)機(jī)器人的工作狀態(tài)。

根據(jù)實際情況，使用電機(jī)帶動車輪運動，并在底部安裝兩組灰度傳感器掃描進(jìn)行定位，使小車能夠?qū)崿F(xiàn)計數(shù)功能和循跡功能，并提升其定位的準(zhǔn)確度。在抓取過程中，利用六個舵機(jī)控制機(jī)械臂，通過調(diào)整各部分舵機(jī)所控制的機(jī)械臂的角度和方向，以及爪子的開合程度，使其能夠準(zhǔn)確抓取物料并在運送過程中處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而實現(xiàn)機(jī)械臂對物料的抓取和搬運[3]工作。

3 系統(tǒng)硬件電路及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 驅(qū)動機(jī)構(gòu)的設(shè)計

小車的減速箱驅(qū)動機(jī)構(gòu)[4]是由直流電機(jī)和減速齒輪箱共同構(gòu)成的。減速箱將直流減速電機(jī)、齒輪輸出的直流電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)化為需要的直流電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)動力強(qiáng)勁、效率高、噪音小。根據(jù)物流實際場地情況，選取四個麥克納姆輪形成了一個穩(wěn)定的直流驅(qū)動支撐結(jié)構(gòu)。直流齒輪箱電機(jī)上的直流電壓大小將直接影響其轉(zhuǎn)速和扭矩。

3.2 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車的機(jī)械臂[5]由6個舵機(jī)和爪子組成，舵機(jī)由WC9120128的控制信號PWM波形占空比來控制。為了最大限度地控制和提高舵機(jī)響應(yīng)速度，一方面可通過對機(jī)械的控制方式進(jìn)行實現(xiàn)，利用對舵機(jī)的控制信號輸出轉(zhuǎn)矩余量，使舵機(jī)的轉(zhuǎn)角速度和占空比變大，加快舵機(jī)的響應(yīng)速度;另一方面則主要是通過控制對舵機(jī)的控制頻率信號和增加PWM波形的占空比頻率來提高對舵機(jī)的響應(yīng)速度[61。因為舵機(jī)所轉(zhuǎn)的響應(yīng)角度大小是由PWM波形的占空比直接控制的，且其轉(zhuǎn)動響應(yīng)速度的大小是由舵機(jī)電壓和舵機(jī)性能所決定的。

3.3 系統(tǒng)接口及邏輯設(shè)計

智能物流搬運機(jī)器人主要是由電源模塊、舵機(jī)轉(zhuǎn)向控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、路徑檢測模塊、速度控制模塊和實時顯示模塊組成。本系統(tǒng)選取STM32F103系列為控制芯片[6]。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

小車以鋁合金作為底板，在其下方安裝車輪和電機(jī)，并在其四周安裝兩組灰度傳感器，通過灰度傳感器檢測黑線，實現(xiàn)四個方向的直線循跡，在主控板上安有OLED顯示屏用以顯示小車運行狀態(tài)。在其旁則是機(jī)械臂，它位于底板中心位置，在機(jī)械臂上安裝了一顏色傳感器[7]，用于識別物料顏色。在機(jī)械臂底座附近安裝攝像頭，用以識別二維碼領(lǐng)取任務(wù)。在小車不工作時，機(jī)械臂呈現(xiàn)收縮狀態(tài)。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計

5.1 智能小車路徑設(shè)計

智能識別物料搬運過程中，機(jī)器人主要是通過識別二維碼領(lǐng)取物流搬運任務(wù)，再根據(jù)物料的顏色和搬運順序在任務(wù)規(guī)定的搬運路徑內(nèi)進(jìn)行運動，其中路徑的標(biāo)準(zhǔn)選擇方式有多種，因此機(jī)器人就需要優(yōu)化設(shè)計出最佳的運動標(biāo)準(zhǔn)和行走路徑。根據(jù)所需路徑設(shè)定的運動標(biāo)準(zhǔn)，如果在任務(wù)規(guī)定的路徑中出現(xiàn)接收搬運指令錯誤，小車任務(wù)進(jìn)行當(dāng)前物料搬運動作或者進(jìn)行下一步的物流搬運動作時，會在暫用的搬運路線上行至對應(yīng)目標(biāo)區(qū)域放置物料，造成了搬運指令錯誤從而嚴(yán)重影響小車后續(xù)搬運任務(wù)的順利執(zhí)行。

5.2 程序設(shè)計以及測試

按上述要求對規(guī)劃的分揀路徑進(jìn)行軟件程序的設(shè)計，軟件程序設(shè)計主要包括小車驅(qū)動控制、傳感器控制、小車循跡運動控制、機(jī)械臂角度控制和顏色識別等子程序。在此分揀過程中，如果顏色識別判斷正確，則將該目標(biāo)區(qū)域的物料推送給小車到達(dá)到對應(yīng)目標(biāo)區(qū)，然后小車轉(zhuǎn)彎掉頭進(jìn)行下一個分揀任務(wù)，直至目標(biāo)區(qū)物料全部分揀、搬運完成，返回出發(fā)區(qū)。具體操作流程如圖3。

5.3 智能搬運機(jī)器人的測試

首先將小車放置在出發(fā)區(qū)，打開電源開關(guān)，由出發(fā)點出發(fā)，按照規(guī)劃路線前進(jìn)。小車到達(dá)指定點獲取任務(wù)，隨后到達(dá)抓取物料的基礎(chǔ)點進(jìn)行物料抓取，根據(jù)信號傳送給顏色傳感器對物料顏色進(jìn)行識別來確認(rèn)物料。通過3次識別，抓取和運送把不同顏色的物料準(zhǔn)確放在對應(yīng)目標(biāo)區(qū)即完成全部任務(wù)，小車返回到出發(fā)區(qū)，停止工作。

6 結(jié)語

根據(jù)市場需求，智能物流分揀機(jī)器人[8]選取STM32芯片為主控芯片對機(jī)器人進(jìn)行設(shè)計，結(jié)合搬運所需系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)等方面的考慮，在降低成本的同時，使之能夠?qū)崿F(xiàn)循跡，彎轉(zhuǎn)，任務(wù)掃描，抓取放置等功能，實現(xiàn)智能化分揀搬運。

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[8]王洪璽.基于stm32的物流機(jī)器人設(shè)計[Jl.電子測試，2018（21）：42-43.

【通聯(lián)編輯：王力】

基金項目：江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目（201913993008Y）

作者簡介：顧鵬飛（1998-），男，江蘇省鹽城市阜寧縣人，學(xué)生，本科，主要研究方向為嵌入式研究;于朋程（1997-），男，安徽省宿州市碭山縣人，學(xué)生，本科，主要研究方向為三維建模;張金生（1997-），男，安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣人，學(xué)生，本科，主要研究方向為軟件設(shè)計技術(shù);主浩（1998-），男，江蘇省徐州市沛縣人，學(xué)生，本科，主要研究方向為圖像處理;唐蕾（1999-），女，江蘇省南通市海安縣人，學(xué)生，本科，主要研究方向為圖像處理;楊玲玲（1987-），女，江蘇省南通市人，講師，碩士研究生，主要研究方向為集成電路設(shè)計及應(yīng)用方向;楊永杰（1968-），男，江蘇省南通市人，教授，碩士研究生，主要研究方向為無線通信、自動控制。