楊正樂(lè) 任小強(qiáng) 于崗 河南理工大學(xué)

智能搬運(yùn)機(jī)器人配有多種傳感器，可以精確識(shí)別路徑、物塊顏色以及對(duì)物塊的抓取，對(duì)不同的場(chǎng)地有較好的適應(yīng)能力。其通過(guò)灰度傳感器識(shí)別路線，自動(dòng)選擇最優(yōu)路徑定位物塊以及指定存放點(diǎn)的位置。使用顏色傳感器識(shí)別物塊顏色，利用數(shù)字舵機(jī)精確控制機(jī)械爪抓取物塊。

一、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.系統(tǒng)組成

此系統(tǒng)采用STM32F103單片機(jī)為控制核心，使用顏色傳感器進(jìn)行物塊顏色識(shí)別、灰度傳感器識(shí)別路徑自動(dòng)選取最優(yōu)路徑、數(shù)字舵機(jī)精確控制機(jī)械爪的運(yùn)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)提供動(dòng)力源可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位。

整個(gè)控制系統(tǒng)組成如下：

2.硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要是有以下幾個(gè)部分組成，單片機(jī)主控模塊、電源模塊、穩(wěn)壓模塊、顏色傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、數(shù)字舵機(jī)等。

2.1 單片機(jī)控制板

STM32F103系列使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM)，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。所有型號(hào)的器件都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和1個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I 2 C接口和SPI接口、3個(gè)USART接口、一個(gè)USB接口和一個(gè)CAN接口。

2.2 顏色傳感器

顏色傳感器使用的是TCS230模塊，TCS230是美國(guó) TAOS 公司生產(chǎn)的一種可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器。該傳感器具有分辨率高、可編程的顏色選擇與輸出定標(biāo)、單電源供電等特點(diǎn)。輸出為數(shù)字量，可直接與微處理器連接。當(dāng)用TCS230識(shí)別顏色時(shí)，依次選通紅色、綠色和藍(lán)色濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間。這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。通過(guò)對(duì)比R、G和B的值來(lái)確定物塊的顏色。

2.3 機(jī)械爪設(shè)計(jì)

機(jī)器人小車(chē)使用三個(gè)數(shù)字舵機(jī)控制三個(gè)弧形爪子，數(shù)字舵機(jī)每接收到一個(gè)脈沖就會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度并且自動(dòng)鎖死。爪子固定在數(shù)字舵機(jī)的舵盤(pán)上，由舵機(jī)鎖死產(chǎn)生一個(gè)較大的抓緊力進(jìn)而抓取物塊。

2.4 驅(qū)動(dòng)模塊

機(jī)器人小車(chē)采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、一個(gè)萬(wàn)向輪輔助轉(zhuǎn)向來(lái)完成移動(dòng)功能。步進(jìn)電機(jī)由驅(qū)動(dòng)模塊控制，驅(qū)動(dòng)模塊共有V+電源正極、GND接地、VCC共陽(yáng)極接口、DIR方向信號(hào)、STP步進(jìn)信號(hào)、EN使能信號(hào)六個(gè)接口。通過(guò)改變DIR、STP、EN端口的高低電平，使得機(jī)器人小車(chē)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、鎖死的功能。

二、軟件設(shè)計(jì)

1.程序流程圖

搬運(yùn)機(jī)器人小車(chē)首先從出發(fā)點(diǎn)出發(fā)，根據(jù)任務(wù)要求搬運(yùn)不同顏色的物塊放到對(duì)應(yīng)顏色的區(qū)域內(nèi)，通過(guò)灰度傳感器識(shí)別路徑到取物塊區(qū)域抓取物塊，然后放到指定區(qū)域內(nèi)。程序流程圖如下：

圖2 程序流程圖

2.循跡及定位設(shè)計(jì)

搬運(yùn)機(jī)器人小車(chē)在識(shí)別路徑的過(guò)程中，通過(guò)七個(gè)灰度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)自身的位置，以及與線路的偏差程度。七個(gè)灰度傳感器實(shí)時(shí)反饋?zhàn)约旱幕叶戎担?jīng)過(guò)單片機(jī)處理后計(jì)算出偏差值，采用PID算法動(dòng)態(tài)調(diào)整左右兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而實(shí)時(shí)修正自己的運(yùn)動(dòng)軌跡。

在搬運(yùn)機(jī)器人小車(chē)前后各裝有一個(gè)光電測(cè)距傳感器，當(dāng)小車(chē)距離物塊達(dá)到指定距離時(shí)使用外部中斷讓小車(chē)停下，可以完成精確定位。然后使用機(jī)械爪進(jìn)行物塊的抓取，以及轉(zhuǎn)運(yùn)存放到指定區(qū)域的功能。

三、物塊搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用

隨著人工智能的發(fā)展，機(jī)器人越來(lái)越智能化應(yīng)用也變得更加廣泛。

本文設(shè)計(jì)的搬運(yùn)機(jī)器人使用最簡(jiǎn)單的STM32核心板，機(jī)械結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單可以實(shí)現(xiàn)不同物塊的抓取，對(duì)各種類(lèi)型的小型倉(cāng)庫(kù)和工廠環(huán)境適應(yīng)能力較強(qiáng)，大大降低了成本、提高了工作效率。