李海蕓 葉大鵬 邱榮斌 陳志偉

摘 ?要： 為改善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目綜合性不強(qiáng)等問(wèn)題，滿(mǎn)足理論與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研的要求，研制移動(dòng)機(jī)器人協(xié)作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。以牧草撿拾堆垛協(xié)作機(jī)器人為載體，采用機(jī)電一體化設(shè)計(jì)理念和模塊化設(shè)計(jì)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(jī)器人行進(jìn)路徑及檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)性。學(xué)生可以靈活重組不同功能模塊，完善軟件編程，完成多個(gè)撿拾堆垛目標(biāo)、多種路徑控制綜合實(shí)驗(yàn)。此外，在改善牧草業(yè)領(lǐng)域人工撿拾堆垛牧草勞動(dòng)強(qiáng)度大的現(xiàn)狀，提高牧草撿拾的生產(chǎn)效率及經(jīng)濟(jì)效益方面具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 模塊化設(shè)計(jì); 機(jī)電一體化; 機(jī)器人; 路徑規(guī)劃; 實(shí)驗(yàn)平臺(tái); 機(jī)器視覺(jué)識(shí)別

中圖分類(lèi)號(hào)： TN99?34; TP24 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 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(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)是我校機(jī)電工程學(xué)院國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)機(jī)械電子工程方向的一門(mén)專(zhuān)業(yè)核心課，為后續(xù)綜合性設(shè)計(jì)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與實(shí)踐等環(huán)節(jié)奠定了重要理論基礎(chǔ)，為該專(zhuān)業(yè)學(xué)生提供機(jī)電系統(tǒng)檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)、控制等知識(shí)。課堂教學(xué)模式往往以教師講授為主，講授式教學(xué)在課堂教學(xué)中所占的比例太大，教學(xué)方法不能適應(yīng)相應(yīng)課程的教學(xué)要求，教學(xué)效果自然不盡人意，學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)弱且參與度低。本文以草捆撿拾碼垛機(jī)器人為教學(xué)載體，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法;通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，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(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專(zhuān)業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高[1?3]。

1 ?實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)工作原理

機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行的場(chǎng)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(xiàn)作為機(jī)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(lán)方框代表各牧草捆所屬的倉(cāng)儲(chǔ)區(qū);下方分散設(shè)置的紅、綠和藍(lán)方框代表不同種類(lèi)的牧草捆，各用4個(gè)180 g噴涂顏色的衛(wèi)生紙模擬，隨機(jī)放置在每列待撿拾區(qū)域的十字交叉處，其中，每列每個(gè)顏色至少放置1個(gè)牧草捆;場(chǎng)地的四周分別設(shè)有35 cm×35 cm的出發(fā)區(qū)，機(jī)器人必須從出發(fā)區(qū)進(jìn)入賽道，每次夾取四個(gè)草垛，按批次逐色完成任務(wù)。

圖1 ?機(jī)器人運(yùn)行場(chǎng)地尺寸圖

通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)實(shí)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(jìn)路徑的精準(zhǔn)性，多傳感器融合技術(shù)確保檢測(cè)結(jié)果精準(zhǔn)。兩組對(duì)稱(chēng)分布的三自由度機(jī)械臂上分別安裝回轉(zhuǎn)裝置，通過(guò)草垛重力實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)擺正和碼放，運(yùn)用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)輪式機(jī)器人位置和動(dòng)作實(shí)時(shí)通信。

2 ?機(jī)械本體設(shè)計(jì)

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

底盤(pán)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(wàn)向輪。轉(zhuǎn)盤(pán)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)手爪固定旋轉(zhuǎn)盤(pán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。抓取結(jié)構(gòu)采用夾持式機(jī)械手，弧形的手爪有利于對(duì)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(jī)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(jì)

本硬件系統(tǒng)由主控模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊和傳感器模塊組成，在底盤(pán)上的布置如圖3所示?？刂菩酒捎肧TM32F103RCT6，適用于機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(shí)現(xiàn)行走定位與草捆位置定位，采用OpenMV3攝像頭識(shí)別草捆種類(lèi)[8?9]。

圖3 ?底盤(pán)硬件布置圖

STM32開(kāi)發(fā)板與24路舵機(jī)控制板聯(lián)合控制9個(gè)數(shù)字舵機(jī)，簡(jiǎn)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(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊進(jìn)行分析，并進(jìn)行智能化的控制操作。

4 ?控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 ?機(jī)器視覺(jué)識(shí)別設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)識(shí)別程序采用串口輸出的方式，將識(shí)別檢測(cè)到的草捆種類(lèi)經(jīng)由串口輸出至主控模塊，便于主控模塊對(duì)草捆的種類(lèi)識(shí)別并設(shè)置相應(yīng)的抓取作業(yè)。

4.2 ?機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑規(guī)劃

4.2.1 ?蟻群算法[11]

蟻群算法的基本思想來(lái)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(duì)比賽場(chǎng)地進(jìn)行柵格劃分，如圖4所示，對(duì)場(chǎng)地網(wǎng)格劃分圖進(jìn)行簡(jiǎn)化并建立二維坐標(biāo)系，圖中的白色塊表示可行走的路線(xiàn)，黑色塊表示障礙物，紅、綠、藍(lán)三種顏色的色塊表示障礙物，為了更好的表示草捆及倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的位置所在，因此對(duì)其障礙物色塊進(jìn)行顏色標(biāo)定。

圖4 ?環(huán)境柵格圖

在初始時(shí)刻各條路徑上的信息量相等，在搜索過(guò)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(lái)計(jì)算的。[pkijt]表示在[t]時(shí)刻螞蟻[k]由節(jié)點(diǎn)[i]到[j]的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率：

4.2.2 ?路徑規(guī)劃

依據(jù)實(shí)際需求及機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)一次抓取四個(gè)草捆的結(jié)構(gòu)特征，將機(jī)器人在場(chǎng)地中的路徑規(guī)劃分為如下兩步：

1） A機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)紅、藍(lán)兩種草捆的撿拾與碼垛，B機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)紅、綠草捆的撿拾與紅色草捆的碼垛。路徑如圖5a）所示，A機(jī)器人由右下角出發(fā)區(qū)出發(fā)，行走至紅、藍(lán)兩色倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的中間，抓取紅、藍(lán)草捆。將會(huì)遇到左右兩側(cè)都有草捆、左側(cè)有草捆右側(cè)無(wú)草捆和左側(cè)無(wú)草捆右側(cè)有草捆三種情況，當(dāng)檢測(cè)到紅、藍(lán)草捆時(shí)均需完成撿拾，直到各自顏色所屬機(jī)械爪已抓取滿(mǎn)。B機(jī)器人需要對(duì)紅、綠兩種草捆各兩個(gè)進(jìn)行抓取。

圖5 ?路徑規(guī)劃

2） A機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)、綠兩種草捆的撿拾與碼垛，B機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)紅、綠兩種草捆的撿拾與綠色草捆的碼垛。如圖5b）所示，A機(jī)器人擺放完兩個(gè)紅草捆和兩個(gè)藍(lán)草捆后，行走至藍(lán)、綠倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的中間位置，并返回至紅、藍(lán)倉(cāng)儲(chǔ)區(qū)的中間道抓取余下的兩個(gè)紅、藍(lán)草捆。機(jī)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(wú)草捆和左側(cè)無(wú)草捆右側(cè)有草捆三種情況，當(dāng)檢測(cè)到藍(lán)、綠色草捆時(shí)都需要完成撿拾任務(wù)，直到各自顏色所屬機(jī)械爪已抓取滿(mǎn)。

5 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于實(shí)踐

5.1 ?實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)試

草捆撿拾碼垛機(jī)整機(jī)模型如圖6所示，學(xué)生分組對(duì)機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試，主要針對(duì)機(jī)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(jī)整機(jī)

在草捆的抓取過(guò)程中，需要機(jī)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(jī)械手夾持力不足、易松動(dòng)，采取在機(jī)械手上加裝輔助夾持塊的設(shè)計(jì)，輔助夾持塊上設(shè)有多個(gè)凸起，幫助機(jī)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(lèi)進(jìn)行識(shí)別，而實(shí)際出現(xiàn)識(shí)別錯(cuò)誤的現(xiàn)象。改進(jìn)后將攝像頭布置在機(jī)械手安裝部位舵機(jī)的上方，向下對(duì)草捆進(jìn)行顏色識(shí)別。當(dāng)檢測(cè)草捆種類(lèi)時(shí)，機(jī)械手處于水平位置，待攝像頭檢測(cè)完草捆種類(lèi)后再將機(jī)械手放下，以避免機(jī)械手阻礙攝像頭的拍攝。

5.2 ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

操作評(píng)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(zhǔn)，單個(gè)草捆累積計(jì)分1次，分值為3分?！按a垛分”包括全部進(jìn)入和部分（進(jìn)入面積≥50%）進(jìn)入，分值分別為5分、3分。對(duì)調(diào)試后的機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果如表1所示。

表1 ?實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)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(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)合理，完全滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科研實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)對(duì)象、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)方法的合理分割和邏輯搭配，構(gòu)建以學(xué)生為主體的學(xué)習(xí)氛圍。通過(guò)在該平臺(tái)的知識(shí)和實(shí)踐學(xué)習(xí)，參加各類(lèi)創(chuàng)新型競(jìng)賽、中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)器人競(jìng)賽和工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽等的學(xué)生人數(shù)明顯增加。

6 ?結(jié) ?語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)以典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品——機(jī)器人為載體，結(jié)合草捆撿拾堆垛的應(yīng)用，設(shè)計(jì)一種基于STM32的草捆撿拾碼垛機(jī)器人。在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建過(guò)程中，對(duì)“機(jī)電一體化”課程的知識(shí)進(jìn)行離散并與機(jī)器人各模塊對(duì)應(yīng)。基于模塊化設(shè)計(jì)理論自主研制機(jī)器人綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，彌補(bǔ)現(xiàn)有教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)功能和對(duì)象單一，擴(kuò)展性能不夠豐富等缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使理論學(xué)習(xí)與技能訓(xùn)練緊密聯(lián)系，有效激發(fā)了實(shí)驗(yàn)對(duì)象的實(shí)踐積極性和主動(dòng)性，逐步提高其綜合實(shí)踐能力和工程創(chuàng)新意識(shí)。

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