西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 周麟翔 李京昊 唐 媛 胡 俊 岑佳怡 馬旭璇

隨著電子商務(wù)的快速發(fā)展，為倉儲物流行業(yè)帶來了新的需求和挑戰(zhàn)。機(jī)器人的研究領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，智能化是機(jī)器人發(fā)展最重要的方向之一，具有能夠代替人類完成一些工作的機(jī)器人往往是我們研究的重點領(lǐng)域。隨著時代發(fā)展，為解放更多的勞動力，提高分揀搬運(yùn)效率，減少生產(chǎn)成本，智能搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。為提高分揀機(jī)器人的工作效率，本項目設(shè)計了一種履帶型底盤和機(jī)械臂相組合的智能分揀機(jī)器人，并對其程序算法、機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。本項目使用基于STM32F103ZET6芯片的履帶車模和機(jī)械臂，結(jié)合語音識別模塊、ZigBee模塊對分揀機(jī)器人進(jìn)行控制和搬運(yùn)工作。通過巡線的方式將各類物品搬運(yùn)到相應(yīng)的位置。語音識別操控系統(tǒng)取代傳統(tǒng)觸式操工作效率，提高了整個系統(tǒng)的便捷性、安全性和準(zhǔn)確性，提高了整個分揀過程的效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)以語音控制的分揀機(jī)器人作為研究對象，該分揀機(jī)器人使用了以STM32 Cortex-M3為內(nèi)核的主控芯片，其中采用AS608光學(xué)指紋識別模塊、LD3320語音識別模塊、ZigBee無線串口收發(fā)模塊、線性CCD攝像頭、0.96OLED顯示模塊等構(gòu)成的一個完整的智能分揀機(jī)器人，圖1為硬件系統(tǒng)設(shè)計流程圖。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計圖

為了保證具體功能的實現(xiàn)，本項目中的分揀機(jī)器人使用STM32微控制器對整個機(jī)器人進(jìn)行控制，在系統(tǒng)設(shè)置過程中使用到STM32的基本外設(shè)功能，例如IO口的使用、PWM波、串口通信、定時器以及定時器中斷等外設(shè)。采用了各類模塊，各模塊功能如下：通過指紋識別模塊對分揀機(jī)器人進(jìn)行啟動控制；使用語音識別模塊對分揀機(jī)器人的動作等進(jìn)行控制；通過ZigBee模塊將語音指令傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)主控板上，從而達(dá)到控制機(jī)器人的效果；通過指令信息采用攝像頭模塊及光電傳感器等對運(yùn)輸路線進(jìn)行巡線。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)主控模塊

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，系統(tǒng)的主控處理器采用的是STM-32F103ZET6核心板，該核心板是嵌入式-微控制器常見的控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3。該芯片可工作在40～85℃的環(huán)境中，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。芯片中集成了定時器、串口等功能。在STM32核心模塊上可從各個模塊采集相對應(yīng)的值，進(jìn)而控制整個機(jī)器人工作過程中的具體功能。

2.2 光學(xué)指紋模塊

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，為了保證機(jī)器人的安全，使用了光學(xué)指紋識別模塊。在項目中采用指紋識別模塊型號是AS608，在項目中主要實現(xiàn)對于機(jī)器人工作狀態(tài)的開關(guān)狀態(tài)。該模塊在3.0～3.6V的工作電壓下工作，模塊通訊接口為UART和USB通訊接口，內(nèi)置各種指紋特征采集算法，可以非?？焖俚谋４婧妥R別指紋。

2.3 CCD巡線模塊

在本項目中，使用了線性CCD模塊，主要是為了使機(jī)器人能夠準(zhǔn)確的循跡指定路線。采用的是TSL1401線性CCD模塊，CCD模塊的特點是以電荷作為信號，而非電流或電壓。TSL1401CL模塊含有128個感光單元，呈線性排列，每一個感光單元可以讀取環(huán)境的光線強(qiáng)度并轉(zhuǎn)換為電壓輸出，光線越強(qiáng)電壓值越高，因此可以通過單片機(jī)的ADC依次采集每個感光單元的電壓值（共128組）并存在數(shù)組中。每個像素所采集的圖像灰度值與它所感知的光強(qiáng)和積分時間（即曝光時間）成正比。線性 CCD具有高線性、均勻性和寬動態(tài)范圍、低圖像滯后等優(yōu)點，前瞻最遠(yuǎn)可達(dá)1.2m。具體流程如圖2所示。

圖2 線性CCD模塊工作原理

2.4 語音識別模塊

語音識別模塊采用了集成通過STC11L08XE的單片機(jī)做的一些指令、數(shù)據(jù)處理，相比于其他的LD3320的模塊，其操作更加簡單，用戶不需要進(jìn)行太多的編程，直接串口發(fā)送指令設(shè)置關(guān)鍵詞即可識別。該模塊是支持三種識別檢測模式的，即：循環(huán)檢測模塊、口令檢測模式和按鈕檢測模式。在本項目中，我們使用的是“口令檢測模式”，所謂的“口令檢測模式”，就意味著我們先要對上口令，才能夠進(jìn)行下一步操作。

2.5 機(jī)器人搬運(yùn)部分

在本項目中搬運(yùn)部分采用的是履帶式小車和機(jī)械臂的組合，主要為將物體夾起，并且運(yùn)輸?shù)街付ǖ奈恢?。履帶式小車對于地面的接觸面積大，從而減小對地面的壓力，對地面的附著能力強(qiáng)，行駛過程中相對比較穩(wěn)定，能夠很好的適應(yīng)生活中的各種復(fù)雜地面，穩(wěn)定的底盤為抓取物體提供了比較好的選擇。履帶式小車上安裝的機(jī)械臂是通過各個舵機(jī)組成的系統(tǒng)，可以自由并且靈活的抓取物體，但是對于舵機(jī)的控制難度相對比較大，考慮到抓取物體的精準(zhǔn)程度，在保證靈活性的前提下，選擇了盡可能小的自由度。除了上述功能和硬件結(jié)構(gòu)，智能機(jī)器人還可以聽從操作員的命令并執(zhí)行相應(yīng)的功能，基本實現(xiàn)物體的定位、定位和爬行。針對調(diào)試過程中遇到的問題和無法解決的技術(shù)難題，我們將繼續(xù)進(jìn)行深入的探索和研究，不斷改進(jìn)和完善項目，爭取取得最佳效果。

2.6 無線通信模塊

在系統(tǒng)設(shè)計過程中，采用的ZigBee無線通信模塊，主要是為將STC11L08XE單片機(jī)和STM32F103ZET6單片機(jī)進(jìn)行無線通信。Zigbee無線通信需要高頻的載波來提供發(fā)射效率。Zigbee模塊之間要想正常的收發(fā)數(shù)據(jù)，接收模塊必須把接收頻率和發(fā)射模塊的載波頻率設(shè)置一致。在項目中采用的是CC2530芯片的ZigBee無線串口收發(fā)模塊，該模塊的頻率可達(dá)2400～2450MHZ，通信距離高達(dá)250m，工作電壓為3.0～5.0v。兩個單片機(jī)通過串口與ZigBee進(jìn)行通信，將數(shù)據(jù)無線發(fā)送至另外一端，誤碼率低。

3 系統(tǒng)程序設(shè)計

在本項目中采用的編程語言是C語言通過在MDK keil5中編寫程序。Keil5編譯器功能十分強(qiáng)大，可通過C語言對STM32系列的微控制器進(jìn)行驅(qū)動，并且可支持軟件仿真，通過軟件更好的了解項目設(shè)計中存在的問題，避免對硬件的傷害，同時對于我們在調(diào)試程序過程中的幫助也非常大。項目中的控制程序相對比較多，在開發(fā)過程中可采用模塊化編程，將不同模塊的初始化以及驅(qū)動的整個過程封裝在.c文件中，然后在主程序main.c文件中引用相當(dāng)于.c的文件即可調(diào)用，各模塊中的函數(shù)在相當(dāng)于的.h文件中聲明。總的來說，模塊化的實現(xiàn)方法：將一個功能模塊的代碼單獨編寫成一個.c文件,然后把該模塊的接口函數(shù)放在.h文件中。模塊化編程的好處是提高了維護(hù)的便捷性，容易區(qū)分邊界，一旦出了問題，能立刻定位是哪個模塊出了問題等。此外，本項目中使用到IO口復(fù)用、IIC、SPI、USART、定時器以及定時器中斷等外設(shè)，這些功能的使用也是項目功能完成的前提，特別是串口資源的分配與使用，因為大多數(shù)模塊都要用到串口通信，解決好這一問題是模塊功能能夠順利實現(xiàn)的基礎(chǔ)。

結(jié)語：本項目研究的“語音控制分揀機(jī)器人”對于分揀行業(yè)具有一定的實用性，具有很大的社會利用價值，在調(diào)試過程中仍有部分功能不完善；同時，其并沒有進(jìn)行大范圍投入使用以觀看項目使用效果，因此還需要進(jìn)一步的研究和實踐?；赟TM32微處理器的語音控制分揀機(jī)器人，采用語音識別等技術(shù)，通過各類傳感器實現(xiàn)分揀機(jī)器人的各類具體的功能。通過指紋等技術(shù)保障機(jī)器人的安全，提高了分揀效率。