李虹 張宇晨 苗旭燾

（南開大學濱海學院電子科學系 天津市 300270）

在化工、工業(yè)制造、醫(yī)藥、倉儲物流等方面以及機場、碼頭等場景，智能搬運機器人使用廣泛。

智能搬運機器人不僅可以減少繁重的體力勞動,以提高企業(yè)的生產(chǎn)率和降低勞動成本?，F(xiàn)今，智能物流搬運機器人除了需要完成路徑規(guī)劃的任務(wù)還要實現(xiàn)識別任務(wù)等一系列功能，在掃描不同任務(wù)后可進行多任務(wù)工作，并不是單一路線。特別在一些高危生產(chǎn)線上,工人們冒著生命危險干活,而采用智能搬運平臺搬運,就不用擔心出現(xiàn)這種問題。它所涉及的知識也是十分豐富,涵蓋了機械、電子、計算機、傳感器等，其最重要的是對運行路徑進行規(guī)劃。

相較于歐美各國、日本我國起步較晚。國內(nèi)現(xiàn)階段，大部分機器人僅可單線程工作，無法進行場景轉(zhuǎn)換，較少智能物流搬運機器人能夠在多場景下良好運行。而且對于突發(fā)事件沒有對應(yīng)的應(yīng)對措施。再者，其成本問題影響到智能物流搬運機器人的鋪蓋面，其效率即使比人高，但其費用高昂，很多企業(yè)都難以設(shè)置設(shè)備。

1 智能物流搬運機器人整體方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于工廠固定作業(yè)路線重復性、繁瑣性的工作，制作出一款能夠在固定路線上進行工廠物料識別、搬取和放置。由控制模塊、運動模塊、機械臂模塊、識別模塊、控制模塊、任務(wù)顯示模塊共同組成智能物流搬運機器人。通過控制模塊控制各個模塊同時由18650 鋰電池組為穩(wěn)壓模塊供電后，使其正常工作。

在識別路線程序燒錄后，移動到識別區(qū)識別二維碼進行任務(wù)領(lǐng)取，后到物料區(qū)抓取物料，再移動至放置區(qū)放置物料，最后到達停車區(qū)，從而完成全任務(wù)。

智能物流搬運機器人由STM32-f103C8T6 模塊作為主控控制TB6612 電機驅(qū)動模塊驅(qū)動直流無刷編碼電機使得機器人運動；主控控制灰度傳感器進行循跡、控制OpenMV 進行二維碼識別；主控模塊還可通過OpenMV 對二維碼進行識別。主控模塊對PWM 舵機實現(xiàn)金屬機械爪的抓取、串行總線舵機實現(xiàn)機械臂的運動、OLED12864 模塊實現(xiàn)任務(wù)顯示模塊。如圖1 所示。

圖1：系統(tǒng)總體模塊設(shè)計圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

由STM32-f103C8T6 核心控制器控制紅外傳感器超聲波模塊進行循跡以及避障，控制攝像頭識別讀取任務(wù)信息，后將任務(wù)顯示至LED 顯示屏，控制降壓模塊控制三自由度機械臂對物料進行抓取放置，驅(qū)動電機控制直流編碼電機使智能物料機器人移動到指定位置完成任務(wù)。如圖2 所示。

圖2：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 主要硬件模塊設(shè)計

2.1 控制模塊

STM32f103C8T6 作為控制模塊，以其最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，其是基于Cortex-M core STM32 系列的32 位微處理器。64KB 的內(nèi)存，6V 的電壓，工作溫度為-40°C～85°C。其封裝體積小、性價比高，相比8 位單片機性能更優(yōu)。

增加 IIC、串口、I/O 口、PWM 口等接口電路，便于與外設(shè)連接；使用控制芯片、傳感器、電機獨立供電模式，確保各模塊供電電源穩(wěn)定，工作性能優(yōu)良；采用主控芯片與電機驅(qū)動控制芯片、尋跡傳感器采集芯片相分離的主從控制模式，提高系統(tǒng)資源利用率，圖3、圖4 為自主繪制的STM32f103C8T6 的最小系統(tǒng)以及Wi-Fi 模塊原理圖和PCB。

圖3：STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)原理圖

圖4：STM32F103C8T6 最小系統(tǒng)PCB

2.2 運動模塊

由于傳統(tǒng)的輪式運動其存在轉(zhuǎn)彎半徑大、靈活性較差同時轉(zhuǎn)彎后不易獲取運動單元的橫縱坐標的缺點。相較于傳統(tǒng)的輪式運動，在不更改運動單位的情況下，其過度運動能向360°的方向運動。與此同時，為能夠?qū)崿F(xiàn)智能物料搬運機器人其移動性和跟蹤算法的簡單可靠性，安裝四個骨輪以及四個減速直流電機，來搭建機器人的運動模塊。

其中圖5 為麥克納姆輪的工作原理圖。

圖5：麥克納姆輪工作原理圖

麥克納姆輪是一種能夠360°全向轉(zhuǎn)動的輪子，由輪轂和輥子組成：主輪立方支撐整個輪，鼓輪（小輪）安裝在輪立方上，是一個整體大輪。理論上，夾角可以是任何值，但市場上的主流是45 度。

除了骨輪的動力學分析外，還應(yīng)計算平臺附近每個國家的速度，并控制平臺的軌道。圖6 為自制的運動控制底板。

圖6：自制的運動控制底板

2.3 機械臂模塊

機械臂模塊主要補充各種材料任務(wù)的獲取和執(zhí)行，包括一只旋轉(zhuǎn)手、一只機械手和一只爪。輥道應(yīng)由360°的高扭矩轉(zhuǎn)向裝置控制，以實現(xiàn)機械手的全方位旋轉(zhuǎn)；監(jiān)視器是一個三組件結(jié)構(gòu)，通過一個系列因子進行控制，以獲得監(jiān)視器的伸縮活動，同時可通過控制抓手的開合以及三者的配合完成整個抓取放置的動作。圖7 為預期機械臂三維模型，圖8 為實際搭建機械臂圖。

圖7：機械臂三維模型

圖8：實際搭建機械臂圖

如圖9 所示，與機械臂模塊配合的金屬爪，其采用四組金屬夾片，通過螺絲固定，不易變形，增加了抓取力度，保證了抓取物料的穩(wěn)定性，讓任務(wù)更加有序進行。其中金屬機械臂也會存在精度的問題。由于機械臂不能精準抓取物料，會導致抓取失敗或者抓取的不穩(wěn)定等不確定因素。我們使用步進電機加一體閉環(huán)驅(qū)動以及使用0 背隙的諧波減速器同時在后續(xù)的算法實踐中進行高精度補償。

圖9：金屬爪模塊

2.4 識別模塊

我們使用灰度檢測器、TFminiPlus 傳感器分辨率檢測器、OpenMV 元件和慣性導航檢測器作為檢測模塊，其進行外部鑰匙識別以及機器人位置的確定，幫助其獲取任務(wù)以及確定目標和獨立的路徑規(guī)劃。主要使用OpenMV，其搭載MircroPython 解釋器，可通過Python 進行編程，通過Python 可使得機器視覺算法的編程變得更為簡單。

當環(huán)境光干擾不是很嚴重時，它用于區(qū)分黑色和其他顏色，由此其可進行二維碼的識別也可以在地面進行循跡。當環(huán)境光干擾嚴重時，在區(qū)分時可能存在一定的誤差。在機器設(shè)計時，我們添加光補償，經(jīng)過測試設(shè)定可識別的光系數(shù)，在無法識別時進行光補償，按照階段提升光亮程度，直至識別成功為止。由此減小了環(huán)境光的干擾。

2.5 控制算法

麥克納姆輪移動靈活，但滾輪上的力會定期變化。在運動過程中，輥子的形狀發(fā)生變形，車輪的運動輪廓呈非圓形，使平臺容易偏離。為了保證平臺的正確跟蹤，優(yōu)化運動控制算法尤為重要。

如圖11 所示，我們采用灰度傳感器，為了助于理解，把O 點標記在傳感器中間檢測單元。左右兩側(cè)的檢測單元分別標記為A、B、C、A`、B`、C`,如圖11 所示。

圖10：灰度傳感器實物圖

圖11：灰度傳感器

當經(jīng)緯線位于中間檢測單元下方，說明尋跡正常，反饋信息0；同理，當經(jīng)緯線分別位于A、B、C、A`、B`、C`等點下方，說明方向偏離分別反饋信息1、2、3、-1、-2、-3。因此，后期我們希望編寫出基于PID 控制策略的分級控制算法。

2.6 任務(wù)顯示模塊

如圖12 所示，OLED12864 屏幕上可以顯示獲取的任務(wù)，厚度相較于LCD 屏幕更加薄并且更加輕盈。其性價比高，具有LCD 更加廣闊的視角，畫面更全面。反應(yīng)速度更快。

圖12：OLED12864 實物圖

在識別模塊掃描二維碼后，可直接將任務(wù)顯示到OLED屏幕上。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用模塊化程序設(shè)計，依據(jù)全國大學生工程訓練綜合能力競賽的場地，我們進行程序的編寫。場地實驗圖如圖13 所示。

圖13：實驗場地圖1

智能搬運平臺從上電初始化開始，用攝像頭讀取任務(wù)信息，平臺運行到取貨點，進行顏色的識別，按照任務(wù)信息抓取。隨后平臺行駛至卸貨區(qū)（加工區(qū)），通過機械臂以及攝像頭配合準確放置物料。程序設(shè)計流程圖如圖14。智能搬運平臺開始工作后，首先進行攝像頭串口初始化，根據(jù)光照強度對顏色LAB 參數(shù)進行微調(diào)，隨后進行二維碼的檢測，如果未檢測到則發(fā)送位置誤差；如果監(jiān)測到則進行顏色識別，識別后發(fā)送抓取目標的位置，觀測物體與機械臂之間的距離，再次發(fā)送誤差，收到完畢信息后結(jié)束作業(yè)，如若未收到完畢信息則再次循環(huán)發(fā)送抓取目標位置。

圖14：程序設(shè)計流程圖

3.1 機械臂控制

我們使用給總線舵機傳送數(shù)據(jù)指令來控制舵機的轉(zhuǎn)動，如下所示：

然后我們總共使用4 個串行總線舵機，提前定義好每個舵機的ID，然后提前調(diào)試抓取位置的舵機位置數(shù)據(jù)，進行編寫。如下所示抓取程序：

3.2 平臺移動

我們使用PWM 控制電機的驅(qū)動，具體原理在這不仔細講解。

首先使能PWM，并進行重映射

4 難點及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 灰度傳感器配合麥克納姆輪循跡

灰度傳感器由發(fā)光二極管和光敏電阻組成，通過光敏電阻的阻值變化來體現(xiàn)灰度顏色的變化，因此可以通過組合兩組以上的灰度傳感器分布在機器人的不同角度以實現(xiàn)循跡。當機器人發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，相應(yīng)方向灰度傳感器被觸發(fā)機器人反向偏轉(zhuǎn)實現(xiàn)路線修正。控制相關(guān)平臺穩(wěn)定性的難點在于始終在駕駛過程中控制技術(shù)手的長度和材料。如果地面稍微不均勻，或者如果場景變化很大，它會導致相關(guān)平臺重心的變化，增加落下材料的可能性。因此，會考慮使用麥克納姆輪進行全方位運動。

我們采用上下位機同步控制周期的方法。下位機在控制電機和機械臂時要求有比較精準的周期而上位機線程受操作系統(tǒng)的負載和調(diào)度方式的影響無法達到精準控制，這時上下位機之間要如何同步是關(guān)鍵。利用下位機可以反饋精確的控制時間這一點來緩解上位機時間不準的問題。上位機的時間難以精準控制，在與具有精準控制周期的下位機進行同步時帶來了挑戰(zhàn)，利用下位機精準的反饋時間，現(xiàn)加上同步緩存，可以在很大程度上解決這個問題。

解決方案：

（1）在下位機上設(shè)置指令緩存,一次從上位機接收一定數(shù)量的指令，假設(shè)為N，減少上位機時間不準時帶來影響；

（2）制定通信協(xié)議，下位機按固定周期（30ms）往上位機發(fā)送狀態(tài)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包里包含下位機的時間信息或是這是第幾個包，上位機收到這兩種信息之后（任意一種），都能確定下位機的準確的時間；

（3）上位機拿到邏輯層的控制指令時（與接收下位機數(shù)據(jù)的線程不是一個線程），不立刻下發(fā)到下位機，而是記錄到一個command house 里；

（4）上位機的接收線程，在收到下位機的message 之后，進行處理，由于tcp 存在粘包問題，這時候收到的可以不只一個包（下位機過了好幾個發(fā)送周期），上位機要根據(jù)2 中協(xié)議里的數(shù)據(jù)來確定下位機的準確時間；

（5）將發(fā)送動作放到上位機的接收線程中，如里是第一次收到下位機的數(shù)據(jù)，則從3 里的command house 里拿N個指令數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機，如是不是第一次收到下位機的數(shù)據(jù)，則收到幾幀下位機的數(shù)據(jù)就從command house 中拿幾幀指令發(fā)送到下位機，使下位機的指令緩存中始終保持為N。

4.2 軟件延時+物理遮光實現(xiàn)數(shù)據(jù)防抖

外界光線會對光敏電阻產(chǎn)生較大影響，因此需要將傳感器貼地放置并在傳感器四周進行遮光操作且灰度傳感器在通電瞬間會產(chǎn)生數(shù)據(jù)抖動，因此需要使用軟件延時待數(shù)據(jù)穩(wěn)定是繼續(xù)進行采集。如果紅外灰度探測器的軌跡與反射光的不同強度一致，則會影響外部光強度的變化。此外，由于平臺中心對本征探測器靈敏度的嚴重變化，本征探測器與地面之間的距離也應(yīng)受到影響。

因此，使用軟件的延時以及硬件遮光的雙重消抖來讓紅外灰度傳感器反饋信息更加準確。

4.3 OpenMV配合機械臂抓取和放置物料

圖像識別傳感器以O(shè)penMV 作為核心，使用顏色識別以及特征點檢測算法進行物塊識別以及機械臂的配合，最終達到目標。如圖15 所示。

圖15：控制結(jié)構(gòu)圖

5 結(jié)語

STM32f103C8T6 作為智能物料搬運機器人的核心處理器，能夠獨立完成任務(wù)識別、任務(wù)顯示、物料抓取放置、機器人運動等一系列運動的設(shè)備。機器人上安裝了控制模塊、運動模塊、機械臂模塊、識別模塊、控制模塊、任務(wù)顯示模塊，綜合所有模塊實現(xiàn)最終功能。在工廠固定性路線進行重復性的工作，減輕人工負擔以及成本。