成文娟，陳銀樹，尹序臻，江永鑫

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

制造業(yè)是衡量國家綜合實力的重要標準，近年來隨著電子、汽車、快遞、電商等行業(yè)的發(fā)展，物流倉儲行業(yè)也得到了迅速發(fā)展。但是，由于訂單數(shù)量與種類激增使商品揀選任務繁重，從而導致出錯率高、成本高，甚至在特殊情況下，已經(jīng)是人力所不及，可以說，傳統(tǒng)的倉儲系統(tǒng)面臨著諸多挑戰(zhàn)。

在“中國制造2025”的推動下，柔性制造業(yè)迎來了重大的發(fā)展，這也是構(gòu)建未來智能工廠的基石[1]。對此，本文提出一種基于柔性制造系統(tǒng)的智能物料運送機器人的設計與實現(xiàn)，該機器人可自動識別需要搬運的物料并運送至指定目標區(qū)域。該機器人具有接受、規(guī)劃、協(xié)調(diào)和控制的功能，這對改進生產(chǎn)過程和實現(xiàn)管理的自動化，減少員工的工作量和失誤，提高勞動生產(chǎn)率及降低生產(chǎn)成本有至關重要的意義[2]。

1 系統(tǒng)整體方案設計

本設計以STM32F103C8T6作為控制核心，通過OpenMV機器視覺模塊掃描二維碼讀取工作地點的信息，利用STM32PWM設置定時器，控制PWM信號通過L298N驅(qū)動底部直流電機和控制前部機械手舵機，從而完成抓取、移動、卸貨等操作。機器人整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 智能運送機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

整體的技術路線具體如下：

⑴ OpenMV攝像頭實時捕捉二維碼的信息傳遞給單片機；

⑵ STM32F103C8T6單片機控制小車底部電機，到達抓取目標物料的位置；

⑶ OpenMV識別物料；

⑷ STM32F103C8T6單片機控制舵機，利用舵機的轉(zhuǎn)動執(zhí)行帶動機械爪進行分離閉合，控制機械手抓取物品。

2 硬件設計

2.1 硬件模塊清單

智能運送機器人硬件模塊相關型號和參數(shù)具體見表1。

2.2 硬件設計

智能運送機器人的主框架主要以亞克力板為材料，直流電機選用“Z”字形減速馬達（24 V/540轉(zhuǎn)），為機器人留有足夠的安全裕度容量的同時提高兼容性，內(nèi)置電壓轉(zhuǎn)換電路，即DC/DC模塊又充當了電壓變化器的作用，可將12 V鋰電池電壓降成5 V為STM32單片機及直流電機供電[3]。

該機器人的硬件電路主要包括：STM32F103C8T6、OpenMV機器視覺模塊、電機驅(qū)動模塊、基于LM2596S的DC-DC降壓模塊等硬件組成，硬件設計如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

表1 智能運送機器人各硬件模塊及其參數(shù)表

3 軟件設計

本設計的軟件采用模塊化程序的設計思路，整體程序主要包括利用OpenMV視覺庫用Python書寫視覺庫和控制機器人的程序。視覺子系統(tǒng)又分為圖像采集子模塊、圖像預處理子模塊、圖像分析子模塊3個子模塊組成[4]。軟件部分主要為機械手舵機控制、底部移動小車電機控制以及圖像識別3部分。

3.1 機械手舵機控制

在系統(tǒng)程序初始化階段，需要配置TIM4和TIM3為PWM輸出模式2，使所用通道的預裝載通過配置T_period和T_prescaler得到輸出的PWM信號頻率為50 kHz，頻率計算方法為:

取T_period為2000-1，即1999，取T_prescaler為720-1，即719。通過改變T_puls即可控制舵機轉(zhuǎn)角，T_puls變化范圍在50～250 之間，若超出，很可能會永久損傷舵機，在調(diào)試時應當警惕。該智能物料運送機器人舵機控制流程圖如圖3所示。

3.2 底部移動小車電機控制

初始化4個引腳，每2個分別來控制其中的一個電機的方向，設置一個定時器來控制PWM信號占空比，tim=pyb.Timer(4，freq=1000)，即通過定時器來控制電機的左右轉(zhuǎn)。該智能物料運送機器人底部移動小車電機控制流程圖，如圖4。

3.3 圖形識別

圖像識別以OpenMV作為主體硬件識別。OpenMV搭載MicroPython解釋器，這允許在嵌入式上使用Python來編程(Python 3 to be precise)。Python是機器視覺算法的編程。

3.3.1 二維碼識別

二維碼識別采用軟件畸變矯正，對圖像進行畸變矯正，調(diào)用函數(shù)find_qrcode進行二維碼檢測。該智能物料運送機器人二維碼識別流程圖如圖5所示。

3.3.2 顏色追蹤

一個顏色閾值的結(jié)構(gòu)是這樣的：red=(minL，maxL，minA，maxA，minB，maxB)。我們可以在閾值編輯器里將目標顏色變成白色，其他顏色全變?yōu)楹谏Ｖ恍鑼⑺粉櫟念伾撝颠M行設定，便可成功進行識別所需色塊。該智能物料運送機器人顏色追蹤的流程圖如圖6所示。

圖3 舵機控制圖

圖4 底部移動小車電機控制

圖5 二維碼識別

圖6 顏色追蹤

4 系統(tǒng)測試和結(jié)果驗證

將程序燒入單片機后完成該智能運送物料機器人的組裝，作品如圖7所示。

圖7 智能運送物料機器人整體結(jié)構(gòu)圖

圖8 二維碼識別圖

圖9 識別物料顏色

對該智能運送物料機器人的功能進行測試：首先，OpenMV掃描二維碼讀取信息，圖8為OpenMV成功識別二維碼；其次，OpenMV識別物料顏色，鎖定目標，圖9為OpenMV成功識別物料顏色；然后，STM32單片機控制機器人移動到目標物料的位置；最后，STM32單片機控制舵機、進而控制機械手抓取物品。

經(jīng)測試，所設計的智能運送物料機器人可以掃描識別二維碼信息，準確的將信息傳送給控制中心。其能夠通過顏色追蹤快速準確的鎖定目標物塊，然后驅(qū)動機械手抓取物料，且在發(fā)現(xiàn)沒有符合要求的物料時，繼續(xù)尋找目標物料。物料機器人移動過程中整體運行穩(wěn)定，抓取準確，功耗低。

5 結(jié)語

本文設計了一種基于柔性制造系統(tǒng)的智能物料運送機器人，該機器人具有掃描識別二維碼、顏色追蹤、機械手抓取物料、運送物料的功能。該機器人運用OpenMV模塊實現(xiàn)了掃描識別二維碼、顏色追蹤的功能。通過直流電機L298N來控制機器人停止、前進、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)的功能。通過顏色追蹤發(fā)現(xiàn)目標物料， STM32F103C8T6控制舵機，讓機械手抓取目標物料。

與傳統(tǒng)的人工相比，本設計解決了人工耗資在生產(chǎn)過程中占比重大、物料種類繁多、效率低下等一系列問題，推進了物流業(yè)由勞動密集型產(chǎn)業(yè)向智能化產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的發(fā)展。