北京聯(lián)合大學(xué) 禪 翔 賀凱鑫 郭煥萍

本文主要從迎合智能化時(shí)代和自動(dòng)化行業(yè)不斷發(fā)展出發(fā)，提出了一款智能物料搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)思路和構(gòu)想，并且設(shè)計(jì)出了一款基于Arduino的智能搬運(yùn)小車，該小車擁有多個(gè)傳感器，實(shí)現(xiàn)了路線規(guī)劃、顏色識(shí)別、傳感技術(shù)、灰度循跡和二維碼掃描識(shí)別信息等功能。文章詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)過程，并且通過測試和調(diào)試后完善了相關(guān)功能，最終完成了本項(xiàng)目。

1 研究背景

在人工智能革命到來之際，每個(gè)行業(yè)都在追求自動(dòng)化和智能化，對于物流行業(yè)來說更是如此，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)搬運(yùn)能解放出大量的勞動(dòng)力，節(jié)約了人力成本，還能提高工作效率。眾所周知，物流行業(yè)是工業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)，其市場規(guī)模逐年擴(kuò)大，因此，智慧物流的研究與實(shí)現(xiàn)顯得格外重要?；趯π袠I(yè)現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢的研究，本項(xiàng)目目的是設(shè)計(jì)并且制作出一臺(tái)能智能搬運(yùn)物料的物流機(jī)器人，該機(jī)器人的意義是重大的，能夠?qū)I(yè)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

世界上最早的搬運(yùn)機(jī)器人是由美國發(fā)明的，所謂搬運(yùn)機(jī)器人，就是運(yùn)用機(jī)器人把物體從一個(gè)加工單元搬運(yùn)到另一個(gè)指定的加工單元。目前世界上的搬運(yùn)機(jī)器人已有10萬余臺(tái)。目前國內(nèi)搬運(yùn)機(jī)器人大多被應(yīng)用于倉儲(chǔ)系統(tǒng)，相對來說物流行業(yè)應(yīng)用較多，比較典型的有阿里和京東的倉儲(chǔ)搬運(yùn)機(jī)器人。雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)有很多成形的搬運(yùn)機(jī)器人，但是目前技術(shù)還不夠成熟。

目前最常見的機(jī)器人是AGV搬運(yùn)機(jī)器人，它的功能就主要實(shí)現(xiàn)了物體搬運(yùn)的自動(dòng)化。其搬運(yùn)方式是通過地標(biāo)等信息指引他們把物料搬運(yùn)到指定地點(diǎn)，但是由于這種機(jī)器人對環(huán)境要求比較高，而且成本也比較高，且機(jī)器人的外形單一固定，成本造價(jià)較高，不能大范圍的使用，具有很大的局限性。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合考慮搬運(yùn)機(jī)器人的功能、零件材料、加工的難易程度和制造成本等各方面的因素后，最終確定了目前階段可以實(shí)現(xiàn)的最佳方案：智能物料搬運(yùn)機(jī)器人主要由控制系統(tǒng)、外形、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、機(jī)械臂、檢測系統(tǒng)等幾個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成。

3.1 外形設(shè)計(jì)

搭建車身時(shí)，我們的核心概念是小巧靈活功能強(qiáng)大，因此我們有意識(shí)地控制了機(jī)器人的大小和重量，并且通過降低重心來保證機(jī)器人的穩(wěn)定性能，底板的材料為亞克力板，輕巧且承重能力比較好，車身盡量不要太寬以保證機(jī)器人轉(zhuǎn)向的靈活性還能防止機(jī)器人偏離行進(jìn)路線。

3.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

小車運(yùn)動(dòng)采用四輪驅(qū)動(dòng)，由四個(gè)電機(jī)控制四個(gè)麥克納姆輪來控制小車的運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。麥克納姆輪可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、橫移、斜行、旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)形態(tài)，非常靈活，能夠自由的運(yùn)動(dòng)。

3.3 機(jī)械臂設(shè)計(jì)

機(jī)械臂主要是通過Arduino控制舵機(jī)來控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，一共有6個(gè)舵機(jī)，1個(gè)負(fù)責(zé)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)，2個(gè)負(fù)責(zé)爪子的旋轉(zhuǎn)，1個(gè)負(fù)責(zé)控制爪子的開合，2個(gè)負(fù)責(zé)控制機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)。機(jī)械爪的開合角度為180°方便抓取不同形狀的物料，形狀為鉗形以此適應(yīng)不同形狀的物料。

3.4 檢測系統(tǒng)

機(jī)器人底盤一共安裝有10個(gè)灰度傳感器，作用是檢測小車在行駛路線上有沒有走偏和檢測小車是否到達(dá)指定地點(diǎn)，其中底盤前方有3個(gè)灰度傳感器，用來檢測小車是否在行駛路線上；后方有4個(gè)灰度傳感器，用來判斷小車是否偏離路線；左側(cè)有3個(gè)灰度傳感器用來判斷是否到達(dá)停車地點(diǎn)。

3.5 控制系統(tǒng)

（1）主控單元

采用基于Arduino的Basra主控板和Bigfish擴(kuò)展板共同組成系統(tǒng)的主控單元，該開發(fā)板可以通過各種傳感器來感知環(huán)境信息，并且運(yùn)用裝置可以去改變環(huán)境。該開發(fā)版的好處是體積小且性能優(yōu)良，供電范圍比較廣泛，電壓可以是3V到12V之間。

（2）定位單元

小車在行進(jìn)過程中是通過激光傳感器來實(shí)現(xiàn)的，其中X軸用大功率激光，Y軸用小功率激光，大功率激光的量程為2m以上，小功率激光的量程為1m到2m。單片機(jī)通過三軸陀螺儀讀取小車的速度信息和加速度信息，然后進(jìn)行根據(jù)反饋回來的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整從而保證小車能夠穩(wěn)定前進(jìn)。

（3）底盤運(yùn)動(dòng)單元

采用常見的直流減速電機(jī)控制麥克納姆輪實(shí)現(xiàn)前后左右運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來調(diào)節(jié)小車的運(yùn)動(dòng)速度。

（4）顏色識(shí)別

采用OPENMV攝像頭進(jìn)行物料色彩辨認(rèn)，性能優(yōu)良，可以迅速辨認(rèn)物料色彩信息并傳輸給主控單元。將物體顏色同參考顏色進(jìn)行比較來檢測顏色的裝置。當(dāng)兩種顏色在一定的誤差范圍程度內(nèi)相似時(shí)，輸出檢測結(jié)果。

（5）灰度傳感器

檢測面上光的反射程度是和顏色有關(guān)的，顏色不同，反射程度也就不同。利用光敏電阻對不同檢測面的不同的阻值進(jìn)行對比，從而進(jìn)行顏色深淺檢測，在一定的距離范圍內(nèi)，發(fā)白光的發(fā)光二極管，照射在檢測面上，光線被反射面反射，通過光敏電阻檢測光的強(qiáng)度之后再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂茊卧小?/p>

（6）電源單元

選用輸出電流最大為3A、92%的轉(zhuǎn)換效率的12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓模塊。雙線輸入一節(jié)12V鋰電池，一路則通過轉(zhuǎn)壓模塊將其轉(zhuǎn)為5V，一路接電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

首先對主控板進(jìn)行復(fù)位，進(jìn)行程序初始化，然后各模塊的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)被主控板讀取，復(fù)位機(jī)械臂，然后啟動(dòng)機(jī)器人，給定掃碼地點(diǎn)之后，主控板根據(jù)PID運(yùn)算計(jì)算運(yùn)動(dòng)路徑并選擇出最優(yōu)路徑，然后運(yùn)動(dòng)到指定的地點(diǎn)。在運(yùn)動(dòng)到指定地點(diǎn)的過程中開啟攝像頭，并且開啟顏色識(shí)別，從左到右開始識(shí)別并且記錄每個(gè)物料的顏色信息和位置信息。到達(dá)掃碼地點(diǎn)后，開啟二維碼信息識(shí)別并且進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，獲取顏色信息、坐標(biāo)信息、存放點(diǎn)信息等，之后進(jìn)行任務(wù)處理，待完成所有任務(wù)之后，小車返回起點(diǎn)。

5 系統(tǒng)測試

灰度循跡：

判斷小車是否走偏是通過灰度傳感器對黑色線條的感應(yīng)來確定的，小車底盤前面的灰度傳感器，位于中間的那個(gè)是用來檢測白色線，左右兩邊檢測黑色線。小車底盤后方的灰度傳感器，位于中間的檢測黑色線，兩邊的檢測白色線，若左側(cè)傳感器檢測到黑色線則說明小車向右偏移，反之小車向左偏移。在底盤兩側(cè)的傳感器是用來判斷停車地點(diǎn)的，若檢測到出現(xiàn)三根單獨(dú)的線條，則停車進(jìn)行信息讀取和物料抓取。

機(jī)械臂：

調(diào)節(jié)機(jī)械臂主要是調(diào)節(jié)各舵機(jī)的參數(shù)設(shè)置，起初發(fā)現(xiàn)每次抓取物料的時(shí)候發(fā)現(xiàn)抓取物體時(shí)不牢固，導(dǎo)致物料脫落，不能到達(dá)終點(diǎn)，后經(jīng)過多次調(diào)節(jié)舵機(jī)參數(shù)和測試后改正了這個(gè)問題。

結(jié)語：本文從智能物料搬運(yùn)方面出發(fā)，設(shè)計(jì)并開發(fā)出了一款能通過二維碼傳遞任務(wù)信息，自動(dòng)規(guī)劃路線，自動(dòng)識(shí)別顏色和地點(diǎn)、循跡避障、自動(dòng)抓取物料和擺放物料的智能機(jī)器人。該機(jī)器人目前成本較低，工作效率較高，基本實(shí)現(xiàn)了物料的自動(dòng)搬運(yùn)功能。

通過對該項(xiàng)目的研究，我們學(xué)到很多的知識(shí)，首先為了能夠確保該項(xiàng)目順利完成，我們自主學(xué)習(xí)了有關(guān)單片機(jī)的一些專業(yè)知識(shí)，其中對Arduino的開發(fā)環(huán)境進(jìn)行了系統(tǒng)的學(xué)習(xí)，其次為了能夠讓系統(tǒng)更高效穩(wěn)定的運(yùn)行，我們對本次項(xiàng)目中使用的各個(gè)模塊進(jìn)行了一些學(xué)習(xí)，比如了解各個(gè)模塊的基本原理以及各個(gè)模塊分別可以實(shí)現(xiàn)什么功能。學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)還不能讓我們完成該項(xiàng)目，懂得理論知識(shí)并不代表就能在實(shí)際操作中游刃有余，恰恰相反的是在實(shí)踐中我們遇到的許多問題都不是僅僅靠理論知識(shí)能夠解決的，往往靠的都是理論和實(shí)踐相結(jié)合，將實(shí)際情況與理論知識(shí)做比較，在不斷的實(shí)踐中去發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，這樣可以慢慢積累我們的經(jīng)驗(yàn)。