趙嘉豪，葉梁杰，羅心韻，周子陽，王化明，索玉福

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

機(jī)器人自動化技術(shù)是當(dāng)今自動化時(shí)代的一個(gè)標(biāo)志[1]。在物流倉儲行業(yè)，搬運(yùn)機(jī)器人的應(yīng)用改變了人工分揀儲存的局面，大大提高了貨物倉儲的效率和速度。在眾多的工業(yè)機(jī)器人中，搬運(yùn)機(jī)器人無疑是應(yīng)用率最高的機(jī)器人之一[2]。搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)用于企業(yè)生產(chǎn)，不僅能提高效率，實(shí)現(xiàn)物流的集成化和自動化，而且把人從危險(xiǎn)、頑劣、繁重的工作環(huán)境下解脫出來，顯現(xiàn)極大的優(yōu)越性[3]。而基于ARM Cortex架構(gòu)的STM32單片機(jī)融高性能、實(shí)時(shí)性、數(shù)字信號處理、低功耗、低電壓于一身，處理速度快，片上資源豐富，同時(shí)保持了高集成度和開發(fā)簡易的特點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的光電式物料搬運(yùn)機(jī)器人面向中國機(jī)器人大賽自動分揀項(xiàng)目場地及物料：場地由白底黑線構(gòu)成，物料為5種不同顏色，且直徑及高度均為40 mm的中空圓柱形。該機(jī)器人采用STM32f407ZGT6作為主控器，采用灰度傳感器對路徑進(jìn)行識別，利用顏色傳感器及激光對射傳感器完成對目標(biāo)顏色及位置正確與否的判斷。創(chuàng)新性地采用線驅(qū)動式二自由度吊臂機(jī)械爪及環(huán)形物料存儲區(qū)，極大地提高了物料的搬運(yùn)效率。能一次性攜帶多個(gè)物料的設(shè)計(jì)，方便了路徑規(guī)劃，為任務(wù)的完成節(jié)省出了大量時(shí)間。

1 總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的光電搬運(yùn)機(jī)器人整體裝配圖及總體設(shè)計(jì)框圖如圖1-圖2所示。

圖1 光電搬運(yùn)機(jī)器人整體裝配圖

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

該光電搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)主要分為機(jī)械及控制兩個(gè)部分。在開始工作前，機(jī)器人停留在出發(fā)區(qū)，當(dāng)開始指令下達(dá)后，機(jī)器人按預(yù)定路徑規(guī)劃行進(jìn)至物料存儲區(qū)，抓取物料并存儲至自身環(huán)形存儲區(qū)處，并按預(yù)定順序?qū)⑽锪戏胖迷趯?yīng)區(qū)域，完成比賽并記錄總時(shí)間。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)分為線驅(qū)動式吊臂機(jī)械爪、大容量回轉(zhuǎn)式物料存儲區(qū)及高速移動底盤。

2.1 吊臂機(jī)械爪設(shè)計(jì)

二自由度線驅(qū)動式吊臂機(jī)械爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。二自由度機(jī)械臂的應(yīng)用使得物料抓取系統(tǒng)擁有極高的效率和可靠性。由于所需搬運(yùn)物料為中空圓柱，利用這個(gè)特征，未選擇常規(guī)式從物料外部剪式抓取策略，而選擇采用從中間卡抓物料并垂直升降運(yùn)輸策略。直接使抓取結(jié)構(gòu)從常規(guī)的三自由度或更多精簡至二自由度，大大降低了編程難度并提升了抓取效率。

圖3 吊臂機(jī)械爪

根據(jù)工作空間的要求，參考實(shí)際競賽需求，確定吊臂機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 吊臂機(jī)械爪的結(jié)構(gòu)參數(shù) 單位:mm

2.2 物料存儲設(shè)計(jì)

大容量回轉(zhuǎn)式物料存儲區(qū)如圖4所示。由5個(gè)周向環(huán)布的中空圓柱體組成，共能同時(shí)容納10枚物料，減少了機(jī)器人在物料堆放點(diǎn)和目標(biāo)點(diǎn)往返次數(shù)，節(jié)約時(shí)間。

圖4 回轉(zhuǎn)式物料存儲區(qū)

用于抓取并儲存物料的二自由度機(jī)械臂及大容量儲存機(jī)構(gòu)是機(jī)器人的核心部分。其結(jié)構(gòu)較為簡單、堅(jiān)固、性能好，允許其以很高的速度運(yùn)行；直接夾持物料的夾持頭使用一根尼龍線進(jìn)行牽引動作，對動力源的尺寸要求低，也方便夾持頭本體的外形優(yōu)化以獲得更好的精確性，同時(shí)輔以可以一次性容納10枚物料的大容量回轉(zhuǎn)式物料儲存區(qū)，極大地節(jié)約了時(shí)間。

2.3 底盤設(shè)計(jì)

由于場地平整、簡潔，無需使用性能全面但體積較大的麥輪或全向輪，故而采用了常見的二輪差速轉(zhuǎn)向模式。為了使結(jié)構(gòu)簡單和控制方便，兩個(gè)驅(qū)動單元選擇同樣型號的電動機(jī)，每臺電動機(jī)功率均為26 W，總功率為52 W，以解決車身左右受力不均的現(xiàn)象。常見的驅(qū)動電動機(jī)有直流電動機(jī)、交流異步電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)和開關(guān)磁阻電動機(jī)等多種類型，本文選用直流無刷輪轂電動機(jī)。所謂輪轂電動機(jī)，就是將直流電動機(jī)直接安裝在驅(qū)動車輪(輪轂)里邊，有內(nèi)轉(zhuǎn)子和外轉(zhuǎn)子兩種主要結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)需選用高速電動機(jī)并安裝減速裝置以降低車速，外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為直接驅(qū)動式，其省略了傳動裝置，節(jié)省了車身空間。

如圖5所示，底盤前部有一個(gè)很大的 V型缺口，可以將物料很好地引導(dǎo)定位，底板融合物料定位功能，使常規(guī)機(jī)械爪所需自由度減少，大大簡化了抓取流程，并加之物料整理爪，使物料能以最優(yōu)角度置入卡槽，使之更易于被抓取。

圖5 光電搬運(yùn)機(jī)器人底盤示意圖

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

1)主控選擇

搬運(yùn)機(jī)器人需具有豐富的模塊，對實(shí)時(shí)計(jì)算能力也有很高的要求[4]，這使得所使用的主控芯片需要具有較多的引腳接口以及性能較高的CPU。同時(shí)考慮到運(yùn)算速度及對單片機(jī)多線程處理能力的要求，選用STM32f407ZGT6單片機(jī)為主控單元(圖6)。

圖6 STM32f407ZGT6原理圖

2)電機(jī)及驅(qū)動選擇

機(jī)器人所采用電機(jī)主要應(yīng)用于機(jī)器人的移動及吊臂機(jī)械爪部分。對于底盤電機(jī)，由于機(jī)器人需要高速、高精度地移動，故對電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速比有一定要求，且需加入PID閉環(huán)控制使移動準(zhǔn)確，故選用帶光電編碼器的直流減速電機(jī)作為底盤電機(jī)。

吊臂機(jī)械爪采用直線驅(qū)動電機(jī)及云臺電機(jī)。對于直線驅(qū)動電機(jī)，由于對精度要求不高，故選用減速比 10 的減速電機(jī)即可。對于云臺電機(jī)，由于物料存儲區(qū)設(shè)置為回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，故對單次轉(zhuǎn)動角度精度有極高要求，選用大疆GM6020直流無刷電機(jī)以滿足高精度需求。

驅(qū)動模塊利用芯片自帶的PWM輸出和定時(shí)器、計(jì)數(shù)器，并輔以A4950驅(qū)動模塊精確地控制機(jī)器人上的減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動電路如圖7 所示。

圖7 A4950電機(jī)驅(qū)動原理圖

3)傳感器選擇

傳感器是機(jī)器人感知外界的重要組成部分，其性能的好壞決定了物料搬運(yùn)機(jī)器人與外界進(jìn)行人機(jī)交互的程度和功能的實(shí)現(xiàn)與否[5]。

根據(jù)大賽規(guī)則，小車可借助圖樣上的黑色軌跡進(jìn)行移動定位。采用12個(gè)SEN0147灰度傳感器進(jìn)行路徑循跡。前后各4個(gè)靠近車身中軸線的傳感器負(fù)責(zé)引導(dǎo)小車進(jìn)行前進(jìn)、后退；位于主動輪軸下的兩個(gè)以及側(cè)前方的兩個(gè)傳感器共同負(fù)責(zé)機(jī)器人在地圖中的定位。

同時(shí)機(jī)器人有兩個(gè)專門負(fù)責(zé)監(jiān)控物料的傳感器，均位于底盤V形缺口頂點(diǎn)處。一個(gè)自制的激光對射傳感器通過物料對激光束的遮擋來檢測物料是否已處于正確的、可以供二自由度機(jī)械臂直接抓取的位置；一個(gè)TCS3200顏色傳感器用于檢測進(jìn)入抓取位置物料的顏色，提供分類依據(jù)。

3.2 算法設(shè)計(jì)

在工程實(shí)際中，應(yīng)用最為廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為比例、積分、微分控制，簡稱 PID控制，又稱 PID調(diào)節(jié)[7]。

由于機(jī)器人主要動力部分均為直流編碼電機(jī)，PID 控制是不可或缺的。在有精確性需求的底盤電機(jī)及云臺電機(jī)上加入了PID算法，以得到更好的控制效果。但由于 PID 控制存在的一些缺點(diǎn)，后期會采用新的擬合算法來進(jìn)一步提高控制效果。

1)循跡算法設(shè)計(jì)

硬件上采用的二輪差速轉(zhuǎn)向設(shè)計(jì)使得算法上僅需要控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速便可完成循跡任務(wù)。

底盤上的兩個(gè)驅(qū)動電機(jī)均以速度為控制對象，使用了PID算法進(jìn)行速度控制。

任務(wù)執(zhí)行中，為追求高效率完成任務(wù)需要沿圓弧進(jìn)行運(yùn)動。在算法中，針對圓弧運(yùn)動進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)。圓弧半徑已知且為常值，所以通過計(jì)算可以得出內(nèi)外兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速。公式如下：

(1)

(2)

式中：VN為內(nèi)側(cè)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速；VW為外側(cè)電機(jī)理論轉(zhuǎn)速；VX為機(jī)器人質(zhì)心于軌跡線上移動的理論速度；R為路徑圓弧半徑；W為車身寬度(兩驅(qū)動輪間距)。

計(jì)算得出電機(jī)理論轉(zhuǎn)速后由PID控制進(jìn)行速度控制，并根據(jù)底盤下的灰度傳感器返回?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行修正。除此之外在圓弧部分運(yùn)動時(shí)對兩側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速比例要求較高，為此特設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)速比例同步算法。其目的是使得內(nèi)外圈電機(jī)轉(zhuǎn)速比例趨于恒值，以此達(dá)到好的圓弧運(yùn)動軌跡。

2)吊臂電機(jī)控制算法設(shè)計(jì)

吊臂在運(yùn)行過程中需要較高的位置精度和盡可能快的運(yùn)行速度，對此吊臂的算法設(shè)計(jì)中使用了位置加速度的雙重PID控制。

由位置環(huán)PID輸出理論吊臂運(yùn)行速度并傳遞至速度環(huán)PID，速度環(huán)PID接收并計(jì)算后發(fā)出電機(jī)控制信號。

4 試驗(yàn)與結(jié)果分析

抓取與放置物料的精準(zhǔn)度及速度是保證搬運(yùn)效率的關(guān)鍵。為保證抓取物料時(shí)的效率及穩(wěn)定性，對機(jī)器人核心設(shè)計(jì)即二自由度線驅(qū)動式吊臂上直線驅(qū)動電機(jī)的PID參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)整定。

試驗(yàn)用參數(shù)如表2所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

表2 試驗(yàn)用PID參數(shù)

圖8 夾持爪末端位移變化曲線

圖9 夾持爪末端速度變化曲線

由Matlab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，控制位置環(huán)和速度環(huán)的比例、微分參數(shù)后對比的位移曲線如圖8所示，速度變化曲線如圖9所示。

通過對比可以得出，第1組參數(shù)即當(dāng)位置環(huán)和速度環(huán)均采用純比例調(diào)節(jié)的時(shí)候。系統(tǒng)出現(xiàn)超調(diào)問題比較嚴(yán)重。速度波動較大，故第1組參數(shù)不宜采用。

觀察后面3組的數(shù)據(jù)可以得出第2組參數(shù)即位置環(huán)采用比例控制，速度環(huán)采用比例微分控制時(shí)，相對有較好的效果。所得到的位移閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出曲線最為平滑，平衡位置處波動較小，能夠迅速歸于平衡態(tài)。速度閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出曲線震蕩更小，速度波動小，且位置超調(diào)現(xiàn)象減小，控制效果更加穩(wěn)定。

綜合看，第2組參數(shù)性能最佳，但同時(shí)也有響應(yīng)速度相對較慢的問題。但由于整體時(shí)間相差不大，故可采用第2組參數(shù)，即此吊臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)位置環(huán)采用單獨(dú)的比例調(diào)節(jié)，速度環(huán)采用比例-微分調(diào)節(jié)控制效果最佳。

5 結(jié)語

本文針對機(jī)器人面向?qū)嶋H應(yīng)用場景進(jìn)行了設(shè)計(jì)、制造與試驗(yàn)。采用STM32f407單片機(jī)做主控制器，創(chuàng)新性地以線驅(qū)動式二自由度吊臂作為物料抓取機(jī)構(gòu)，輔以帶有物料定位功能的底盤、環(huán)形物料存儲區(qū)得以高效率地搬運(yùn)物料。所設(shè)計(jì)機(jī)器人在比賽規(guī)定時(shí)間內(nèi)快速完成復(fù)雜的搬運(yùn)不同顏色物料的任務(wù)，并以“1′20″”的成績打破了“中國機(jī)器人大賽——光電車型搬運(yùn)賽”的原有記錄。