吳麗麗，黃海燕，孫文駿

（浙江廣廈建設(shè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，浙江 東陽 322100）

0 引言

將人工智能、智能制造、智慧工廠、智能物流等前沿技術(shù)[1-5]應(yīng)用于高校教育，是增強(qiáng)我國科技實(shí)力以及提升綜合國力的有效途徑和保障。大學(xué)生競賽通過以賽促學(xué)、以賽促教、以賽促改、以賽促建，是快速了解、掌握、運(yùn)用這些前沿技術(shù)的最有效方式。大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽由教育部高教司主辦，旨在加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力和實(shí)踐能力培養(yǎng)，構(gòu)建面向工程實(shí)際、服務(wù)社會需求、校企協(xié)同創(chuàng)新的實(shí)踐育人平臺的有效形式。目前該賽已列入《教育部評審評估和競賽清單（2021年版）》的國家級大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽項(xiàng)目，屬教育部A類學(xué)科競賽，是最具影響力的國家級大學(xué)生科技創(chuàng)新競賽之一。智能物流搬運(yùn)機(jī)器人項(xiàng)目是大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽“智能+”賽中一個賽項(xiàng)。通過分析該賽事歷屆競賽要求和查閱物流機(jī)器人設(shè)計相關(guān)文獻(xiàn)[6-16]，發(fā)現(xiàn)目前智能物流搬運(yùn)機(jī)器人基本上都采用黑、白線的巡線方式和采用STM32 型單片機(jī)主流產(chǎn)品（STM32F0、STM32F1、STM32F3）作為控制器，功能上能實(shí)現(xiàn)二維碼、物料的識別、物料的抓取、擺放以及機(jī)器人的避障和定位。但文獻(xiàn)和歷屆競賽對在取物料環(huán)節(jié)要求單一，物料的精準(zhǔn)擺放、不用巡線方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人精準(zhǔn)定位等方面的研究很少涉及或不夠深入。因此設(shè)計并制作一臺新型智能物料搬運(yùn)機(jī)器人，能按照給定任務(wù)，在物料處于動態(tài)環(huán)境中完成識別、準(zhǔn)確抓取和不靠巡線實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位以及實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)擺放，是智能物流搬運(yùn)機(jī)器人研究中的一大進(jìn)步，也是為了能在浙江省第九屆大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽“智能+”賽道物流搬運(yùn)機(jī)器人項(xiàng)目中取得好成績。

1 物流搬運(yùn)機(jī)器人整體方案設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

1.1.1 場地情況

此次設(shè)計的機(jī)器人是為了參加浙江省第九屆大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽智能+”賽道物流搬運(yùn)機(jī)器人項(xiàng)目。該賽項(xiàng)賽場尺寸為2 400 mm×2 400 mm正方形平面區(qū)域（如圖1所示，兩條紅色中心線實(shí)際不存在），賽道地面為亞光淺黃色，地面圖案中央設(shè)有1塊800 mm×800 mm灰色方框，為機(jī)器人不能進(jìn)入?yún)^(qū)域，線寬為20 mm。在比賽場地內(nèi)，設(shè)置出發(fā)區(qū)、返回區(qū)、原料區(qū)、粗加工區(qū)、半成品區(qū)。出發(fā)區(qū)和返回區(qū)的尺寸均為300 mm×300 mm，顏色分別為藍(lán)色和褐色；原料區(qū)為直徑?300 mm，總高120 mm的圓柱體電動轉(zhuǎn)盤，由白色亞光的?300 mm×5 mm轉(zhuǎn)盤和支架底座組成，轉(zhuǎn)盤勻速旋轉(zhuǎn)一圈（不包括停頓時間）控制在15 s內(nèi)；物料分兩批放置，每批擺放3個物料均布在?200 mm 的圓周上，轉(zhuǎn)盤停頓4 s，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)一圈停頓3 次。粗加工區(qū)的尺寸（長×寬）為580 mm×150 mm半成品區(qū)的尺寸（長×寬×高）為580 mm×150 mm×45 mm 及580×140×0 mm 的臺階區(qū)域，粗加工區(qū)、半成品區(qū)上均有用于測量物料擺放位置準(zhǔn)確程度的色環(huán)。

圖1 競賽場地示意圖

1.1.2 搬運(yùn)的物料

此次競賽的初賽，機(jī)器人待搬運(yùn)的物料形狀包絡(luò)在直徑為50 mm、高度為70 mm、質(zhì)量約為50 g 的圓柱體中，夾持部分的形狀為球體，物料的材料為3D 打印ABS，3 種顏色為：紅（ABS/Red （C-21-03））、綠（ABS/Green（C-21-06））、藍(lán)（ABS/Blue（C-21-04））。

1.1.3 實(shí)現(xiàn)功能

機(jī)器人工作流程：機(jī)器人自出發(fā)區(qū)運(yùn)行至二維碼板，獲取兩次搬運(yùn)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)要求，機(jī)器人在物料區(qū)、粗加工區(qū)、半成品區(qū)之間往返，把6 個物料按照任務(wù)要求依次搬運(yùn)至半成品區(qū)，任務(wù)完成后回到返回區(qū)。為了完成競賽任務(wù)要求，機(jī)器人應(yīng)該具有以下功能：

（1）能識別二維碼獲得二次搬運(yùn)任務(wù)（3 種顏色物料的搬運(yùn)順序）并且一直在顯目位置顯示搬運(yùn)任務(wù)直至比賽結(jié)束；要求必須亮光顯示，字體高度不小于8 mm。

（2）機(jī)器人各機(jī)構(gòu)都使用電驅(qū)動，采用電池供電，總額定供電電壓U≤12.6 V，總額定容量C≤3 200 mAh。隨車裝載，比賽過程中不能更換。選用的電池應(yīng)方便進(jìn)行測量。

（3）機(jī)器人（含機(jī)械手臂）外形尺寸滿足鉛垂方向投影在邊長為300 mm 的正方形內(nèi)，高度不超過400 mm。允許機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計為可折疊形式，但出發(fā)之后才可自行展開。

（4）要求機(jī)器人在競賽場地內(nèi)全程自主運(yùn)行，具有定位、移動、避障和路徑規(guī)劃能力，能按照任務(wù)要求準(zhǔn)確到達(dá)對應(yīng)位置。

（5）機(jī)器人能根據(jù)二維碼識別的搬運(yùn)任務(wù)順序，準(zhǔn)確識別物料的位置和顏色。

（6）機(jī)器人能夠在原料加工區(qū)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動的情況下，按照給定的搬運(yùn)任務(wù)順序?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確抓取、搬運(yùn)，并且具有存放3個物料的物料倉。

（7）機(jī)器人能夠識別存放位置的顏色、圓心，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)擺放。

1.2 設(shè)計方案

根據(jù)設(shè)計要求，智能物流搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計方案如圖2 所示，主控制器是機(jī)器人控制的核心，與各個模塊之間完成實(shí)時通信，檢測各模塊的狀態(tài)參數(shù)同步進(jìn)行控制運(yùn)算將結(jié)果輸送至各個模塊，能按照設(shè)定的程序完成任務(wù)的準(zhǔn)確實(shí)施。運(yùn)動模塊為機(jī)器人提供動力，由麥克納姆輪、直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動、底盤等組成。機(jī)械手模塊由轉(zhuǎn)盤、機(jī)械臂、手爪部分組成，完成物料的抓取和準(zhǔn)確放置。顯示模塊可以實(shí)現(xiàn)顯示搬運(yùn)任務(wù)直至比賽結(jié)束，滿足亮光顯示，字體高度不小于8mm 的要求。視覺模塊完成二維碼、物料顏色識別、物料擺放處的色環(huán)顏色識別、和色環(huán)圓心識別等內(nèi)容實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)擺放。陀螺儀反饋給主控制器機(jī)器人的位置及姿態(tài)等信息，幫助機(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位等功能。DC-DC電源模塊以及電池為系統(tǒng)提供不同的直流電源。

圖2 系統(tǒng)方案

2 機(jī)器人機(jī)械部分設(shè)計

2.1 車輪及底座

2.1.1 車輪

物料搬運(yùn)機(jī)器人，要適宜在狹小、擁擠的環(huán)境下，完成規(guī)定動作，因此要求機(jī)器人能運(yùn)動靈活，可以在任意方向平移、倒退、旋轉(zhuǎn)。本次設(shè)計的機(jī)器人二維碼的識別、動態(tài)位置下實(shí)現(xiàn)物料的識別、抓取以及物料的精準(zhǔn)擺放，小車的精準(zhǔn)定位是最最關(guān)鍵的。因此若地面有輕微的不平或者小車動作幅度較大，都可能會導(dǎo)致小車重心的變化，致使小車定位不精準(zhǔn)?；谝陨峡紤]本次設(shè)計選用了4個麥克納姆輪，實(shí)現(xiàn)全方位的移動。

麥克納姆輪主要由兩部分組成，與電機(jī)轉(zhuǎn)軸連接的輪轂以及與輪轂成一定角度旋轉(zhuǎn)的輥?zhàn)?。?dāng)麥克納姆輪在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動時，周邊輥?zhàn)营?dú)特的組裝結(jié)構(gòu)可以得到法向方向分力，通過控制每個車輪的轉(zhuǎn)速，使得合成任意方向的合力，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在任何角度方向的平移運(yùn)動，也可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和原地旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動[14]。麥克姆輪的不同安裝方式對小車的運(yùn)動有著不同的影響。本次設(shè)計麥克姆輪的安裝方式如圖3 所示[15]。小車的運(yùn)動方向：（1）小車向前或向后運(yùn)動：小車的四輪分別向前或向后運(yùn)動；（2）小車向右平移：輪1、輪3 向后，輪2、輪4 向前；（3） 車向左平移：輪1、輪3 向前，輪2、輪4 向后。麥克娜姆輪工作時，通過四輪之間的速度差來改變小車的速度和行進(jìn)方向，小車車身裝有陀螺儀來檢測機(jī)器人運(yùn)動姿態(tài)和位置，再結(jié)合麥克姆輪的運(yùn)動學(xué)分析，計算小車各個輪胎的速度，控制小車的精準(zhǔn)定位。

圖3 麥克姆輪的安裝方式與工作原理

2.1.2 底座

底座是機(jī)器人的主要支撐部件，由于競賽場地中出發(fā)區(qū)和返回區(qū)的尺寸均為300 mm×300 mm，競賽要求不能在這兩個區(qū)域機(jī)器人的車身必須在區(qū)域內(nèi)，因此底座的尺寸不能超過這個范圍。機(jī)器人底座需要有足夠的空間布置主控板、各種芯片模塊以及機(jī)械手結(jié)構(gòu)和物料倉，為了提高小車運(yùn)行時的平穩(wěn)性，底座必須具有足夠的剛度，考慮到能效比，底座質(zhì)量要盡量小，故底座材料選用雙層亞克力板。用SolidWorks 三維軟件設(shè)計物流搬運(yùn)機(jī)器人底座機(jī)構(gòu)的三維模型如圖4所示。

圖4 車輪及底座三維模型

2.2 機(jī)械手

2.2.1 機(jī)械手爪

機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)部分由機(jī)械手爪、傳動裝置和驅(qū)動裝置組成。為了抓取形狀包絡(luò)在直徑為50 mm、高度為70 mm、質(zhì)量約為50 g 的圓柱體物料，考慮到夾持部分的形狀為球體，為了減少機(jī)械誤差，使機(jī)械手指與物料緊密貼合，使抓取更加穩(wěn)定，機(jī)械手爪采用上下抓取方式來實(shí)現(xiàn)，用SolidWorks 三維軟件設(shè)計具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。機(jī)械手爪可以通過3D打印來實(shí)現(xiàn)?？紤]的競賽初賽、決賽物料不同，為了手爪部分方便拆卸，機(jī)械爪和齒輪采用分體式結(jié)構(gòu)，通過螺栓來進(jìn)行固定。機(jī)械手爪由一個舵機(jī)來進(jìn)行驅(qū)動，通過齒輪傳動來控制機(jī)械手爪的張開和閉合。機(jī)械手爪內(nèi)部裝設(shè)有攝像頭，是為了抓取物料和擺放物料時的精準(zhǔn)識別。

圖5 機(jī)械手爪結(jié)構(gòu)

2.2.2 機(jī)械臂

機(jī)械臂是連接物料機(jī)器人底座和機(jī)械手爪的重要核心部件。為了完成競賽任務(wù)，小車運(yùn)行至指定地點(diǎn)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位之后，在小車無需運(yùn)動的情況下，要完成不同位置物料的抓取和擺放，機(jī)械臂的長度要滿足要求，另外機(jī)械臂的承受載荷、控制精度和機(jī)械連接方式這些對完成任務(wù)都起到至關(guān)重要的作用。本次設(shè)計的機(jī)械手手臂用SolidWork 軟件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖6 所示，可以采用3D打印完成制作。機(jī)械臂采用四連桿方式[16]，可以實(shí)現(xiàn)多方位、高精度的抓取，由兩個操作角360°，大扭力25 N·m 的FT6325M 舵機(jī)控制，底部的回轉(zhuǎn)裝置由1 個舵機(jī)控制，可以實(shí)現(xiàn)全方位的抓取。

圖6 機(jī)械臂結(jié)構(gòu)

2.3 物流搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)建模

結(jié)合車輪、底座結(jié)構(gòu)、機(jī)械手爪、機(jī)械臂及物料倉等的設(shè)計，運(yùn)用三維建模軟件SolidWorks 設(shè)計物料搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)三維模型如圖7所示。

圖7 物流搬運(yùn)機(jī)器人整機(jī)三維建模

3 主要電控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控芯片

本次設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)是在動態(tài)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)物料顏色識別、抓取以及物料擺放處的色環(huán)顏色識別、和色環(huán)圓心識別等內(nèi)容來實(shí)現(xiàn)物料的精準(zhǔn)擺放。陀螺儀要把機(jī)器人的位置及姿態(tài)等信息反饋給主控制器，從而來實(shí)現(xiàn)無巡線狀態(tài)下的機(jī)器人精準(zhǔn)定位?；诖藶榱藥椭鷻C(jī)器人實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位等功能本次主控芯片選用了STM32F407。它與STM32F103相比，主要有以下幾方面的優(yōu)勢。

（1）內(nèi)核不同

STM32F103：中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3。

STM32F407：又稱STM32F4，由ST（意法半導(dǎo)體）開發(fā)的一種高性能微控制器。采用了90 nm的NVM工藝和ART。

（2）特點(diǎn)不同

STM32F103：按片內(nèi)Flash 的大小可分為3 大類：小容量（16 KB 和32 KB）、中容量（64 KB 和128 KB）、大容量（256 KB、384 KB和512 KB）。

STM32F407：兼容STM32F2 系列產(chǎn)品，便于ST 的用戶擴(kuò)展或升級產(chǎn)品，而保持硬件的兼容能力。

（3）集成功能不同

STM32F103：集成定時器，CAN，ADC，SPI，I2C，USB，UART，等多種功能。

STM32F407：集成了新的DSP和FPU指令，168 MHz的高速性能使得數(shù)字信號控制器應(yīng)用和快速的產(chǎn)品開發(fā)達(dá)到了新的水平。提升控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

控制模塊以STM32F407 最小系統(tǒng)為基礎(chǔ)，最小系統(tǒng)一般是指MCU 的供電、復(fù)位、晶振、BOOT 等部分。STM32F407的最小系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 STM32F407 最小系統(tǒng)

電源正（VDD）/負(fù)（VSS）引腳，給STM32 供電；VDDA/VSSA 模擬部分電源正/負(fù)引腳，給STM32 內(nèi)部模擬部分供電電源；VREF+/VREF-參考電壓正/負(fù)引腳，給STM32 內(nèi)部ADC/DAC 提供參考電壓；VBAT：RTC&后備區(qū)域供電引腳，給RTC和后備區(qū)域供電。一般VBAT接電池，用于斷電維持RTC工作，如不需要，直接將VBAT接VDD即可。復(fù)位NRST引腳，用于復(fù)位STM32，低電平復(fù)位啟動選擇引腳，一般這兩個腳各接一個下拉電阻即可啟動；OSCIN：外部HSE晶振引腳，用于給STM32提供高精度系統(tǒng)時鐘。OSC_OUT：如果使用內(nèi)部HSI能滿足使用需求，這兩個腳可以不接。OSC32_IN/：外部LSE晶振引腳，用于給STM32 內(nèi)部RTC 提供時鐘，OSC32OUT：如果使用內(nèi)部LSI 能滿足使用需求，這兩個腳可以不接。調(diào)試：SWCLK/SWDIOSWD調(diào)試引腳，用于調(diào)試STM32程序。

在最小系統(tǒng)基礎(chǔ)上增添IIC、串口、PWM 口、I/O 口等接口電路，就可以與外設(shè)連接。為了提高系統(tǒng)資源利用率，主控電路板與電機(jī)驅(qū)動控制芯片、舵機(jī)驅(qū)動器、陀螺儀、視覺模塊等相分離的主從控制模式，彼此獨(dú)立供電。

3.2 驅(qū)動單元

3.2.1 直流電機(jī)

本次設(shè)計的機(jī)器人底座安裝了4 個麥克納姆輪并配置了4個直流減速電機(jī)和4個驅(qū)動器。

電機(jī)是機(jī)器人的動力來源，合理選配電機(jī)是整個驅(qū)動單元設(shè)計的核心關(guān)鍵。根據(jù)智能物流搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計參數(shù)（見表1），機(jī)器人進(jìn)行動力學(xué)分析從而來確定驅(qū)動電機(jī)的相應(yīng)參數(shù)?？紤]到競賽機(jī)器人運(yùn)動場地一般為平面，運(yùn)動過程中主要受到的阻力有摩檫力、慣性力和空氣阻力[17]。摩擦力主要考慮兩個方面：麥克納姆輪與地面間的摩擦力F1和輥?zhàn)永@其軸心轉(zhuǎn)動的軸承阻力F2。

表1 智能物流搬運(yùn)機(jī)器人設(shè)計參數(shù)

（1）摩擦力

麥克納姆輪與地面間的摩擦力：

輥?zhàn)永@其軸心轉(zhuǎn)動的軸承阻力F2:

式中：μ1為滾動摩擦因數(shù)，取0.018；μ2為輥?zhàn)虞S承的等效摩擦因數(shù)，取0.002；g為重力加速度，取10 m/s2。

根據(jù)智能物流搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計參數(shù)計算可得F1=0.45 N，F(xiàn)2≈0.008 N。因此單個麥克納姆輪的摩擦力為Ff=F1+F2=0.458 N。

（2）慣性力

加速運(yùn)行過程中，單個麥克納姆輪承受的慣性力為:

式中：δ為旋轉(zhuǎn)慣量換算系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算δ=1+δ1+δ2i2=1.1，其中i為減速比，由于電機(jī)自帶減速器，取值i=1；系數(shù)δ1、δ2∈[0.03，0.05]，考慮安全系數(shù)，取值δ1=δ2=0.05，可得Fg=2.75 N。

（3）空氣阻力

機(jī)器人運(yùn)行過程中，單個麥克納姆輪承受的空氣阻力為：

式中：ρ為空氣密度，ρ=1.29 kg/m3；CD為空氣阻力系數(shù)，CD=1.0，因此可得Fk≈0.005 N。

因此機(jī)器人在運(yùn)動過程中，單個麥克納姆輪受到的阻力為：F=Ff=3.213 N。

（4）扭矩

單個麥克納姆輪需要電機(jī)提供的扭矩為：

式中：η為機(jī)械總效率，取0.8，計算可得T=0.153 N·m。

（5）轉(zhuǎn)速

求得轉(zhuǎn)速n=4.19 r/s=251 r/min。

因此本次設(shè)計選用電機(jī)類型為37GB-545B直流減速電機(jī)且自帶編碼器，額定轉(zhuǎn)速350 r/min，滿足要求251 r/min，額定轉(zhuǎn)矩3.9 kg·cm≈0.382 2 N·m，滿足要求0.153 N·m。

3.2.2 直流電機(jī)驅(qū)動模塊

直流電機(jī)驅(qū)動模塊是控制與驅(qū)動直流減速電機(jī)，擁有開環(huán)、速度閉環(huán)等多種模式，默認(rèn)模式為速度環(huán)。本次設(shè)計選用的直流電機(jī)驅(qū)動模塊規(guī)格參數(shù)如下：工作電壓DC 12 V，工作電流盡量選擇2 A 以上電源供電，工作溫度為-10～+50 ℃。同時支持：（1）對CAN 總線上的直流電機(jī)驅(qū)動模塊快速設(shè)置ID；（2）通過CAN 總線控制電機(jī)速度；（3）通過CAN 總線獲取編碼信號；（4）通過串口對驅(qū)動板控制和數(shù)據(jù)設(shè)置。

3.3 電控系統(tǒng)設(shè)計

智能物流搬運(yùn)機(jī)器人電控系統(tǒng)接線原理如圖9 所示。本次設(shè)計采用12 V 鋰電池供電，可通過充電器對其充電，使用穩(wěn)壓電源輸出12 V電壓分別為電機(jī)驅(qū)動塊、電機(jī)和舵機(jī)等提供電源。通過穩(wěn)定電壓模塊把電壓降為5 V 為主控板和陀螺儀供電。本次系統(tǒng)共裝有4 個舵機(jī)進(jìn)行明確分工相互配合完成機(jī)械手爪的張開、閉合，機(jī)械臂的上下伸縮以及底部的回轉(zhuǎn)控制。陀螺儀因具有良好的測量定位能力，它可以為運(yùn)載體提供準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位及姿態(tài)參數(shù)，具有很高的精確度和可靠性[18]。本次設(shè)計采用三步法的三自由度陀螺儀軌跡跟蹤控制[19]。陀螺儀選用維特智能HWT101，具有如下性能：（1）能輸出高精度的單軸石英晶體（水晶）陀螺儀，采用高性能的微處理器和先進(jìn)的動力學(xué)解算與卡爾曼動態(tài)濾波算法，能夠快速求解出產(chǎn)品當(dāng)前的實(shí)時運(yùn)動姿態(tài)；（2）采用數(shù)學(xué)積分及運(yùn)動估算，解算出高精度旋轉(zhuǎn)角度，避免出現(xiàn)大幅度誤差；（3）采用先進(jìn)的數(shù)字濾波技術(shù)，能有效降低測量噪聲，提高測量精度。（4）產(chǎn)品內(nèi)部集成了姿態(tài)解算器，能夠在動態(tài)環(huán)境下精準(zhǔn)輸出產(chǎn)品的當(dāng)前姿態(tài)，姿態(tài)測量靜態(tài)精度0.1度，穩(wěn)定性極高。

圖9 智能物流搬運(yùn)機(jī)器人電控系統(tǒng)接線原理圖

4 軟件設(shè)計

按照初賽要求及流程編寫程序流程圖，智能物流搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)總體軟件設(shè)計流程如圖10 所示。機(jī)器人啟動前，為了避免不可預(yù)知錯誤的出現(xiàn)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理。系統(tǒng)一鍵啟動后，機(jī)器人從出發(fā)區(qū)開始出發(fā)，電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人通過陀螺儀進(jìn)行位置糾偏，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位至二維碼掃描設(shè)定位置進(jìn)行搬運(yùn)任務(wù)的讀取，準(zhǔn)確讀取完搬運(yùn)任務(wù)并在顯示模塊顯示搬運(yùn)順序，機(jī)器人準(zhǔn)確行至原料區(qū)的事先設(shè)定位置進(jìn)行物料識別搬運(yùn)，此時由于轉(zhuǎn)盤隨機(jī)轉(zhuǎn)動，機(jī)械手采用上下抓取的方式，爪內(nèi)部設(shè)有攝像頭，進(jìn)行顏色識別，識別到對應(yīng)的顏色待轉(zhuǎn)盤停止瞬間（4 s 內(nèi)）完成抓取并放到機(jī)械人上的物料倉，并隨著轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動繼續(xù)識別物料完成物料抓取，直至3個物料按照搬運(yùn)順序完全完成抓取和放置。機(jī)器人繼續(xù)行至粗加工區(qū)的設(shè)定位置（事先設(shè)定），這個時候機(jī)器人的位置是否精準(zhǔn)直接關(guān)系到物料擺放是否精準(zhǔn)（擺至中心環(huán)內(nèi)滿分15 或者至少在二環(huán)以內(nèi)10 分以上），此時的精準(zhǔn)定位的參考坐標(biāo)以機(jī)器人手爪內(nèi)設(shè)有的攝像頭來識別中間色環(huán)的圓心來精準(zhǔn)定位。待3 個物料都精準(zhǔn)放置粗加工區(qū)，之后再按照原定順序完成抓取再精準(zhǔn)擺放至半成品區(qū)。此時的擺放也如粗加工時一樣，機(jī)器人的位置精準(zhǔn)很關(guān)鍵。待3 個物料都精準(zhǔn)擺放至半成品區(qū)后，機(jī)器人再重新返回至原料區(qū)按照給定的任務(wù)順序完成后3 個物料的抓取、放置，再按照上面步驟運(yùn)行至粗加工區(qū)完成物料的精準(zhǔn)擺放，完成之后再按原定順序抓取重新放置在機(jī)器人的物料倉，再運(yùn)行至半成品區(qū)，完成精準(zhǔn)擺放。本次設(shè)計的擺放為了競賽能取得好的成績，采用碼垛放置一個物料得30分。全部完成之后機(jī)器人回到返回區(qū)。

圖10 總流程

視覺模塊包括二維碼識別、物料顏色識別、圓識別和機(jī)器人場地定位等。采用模塊化編程，以便適應(yīng)任務(wù)多變的需求。智能物料搬運(yùn)機(jī)器人經(jīng)過圖像數(shù)據(jù)采集、圖像灰度化、圖像分割、邊緣檢測、形態(tài)學(xué)處理、查找輪廓、輪廓篩選、三角擬合、角度計算等方法和手段，提取物體的輪廓特征點(diǎn)，并計算物體質(zhì)心點(diǎn)的三維坐標(biāo)，換算成機(jī)器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角信息，為機(jī)器人提供視覺定位[20]，引導(dǎo)機(jī)器人完成識別和精準(zhǔn)定位。

5 調(diào)試及優(yōu)化

在實(shí)驗(yàn)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人有時候不能準(zhǔn)確識別物料顏色，致使無法完成任務(wù)要求。只有調(diào)整好各個顏色的HSV閥值，才能防止出錯。經(jīng)過多次試驗(yàn)，三個顏色的如下HSV閥值，機(jī)器人均能準(zhǔn)確地完成物料的顏色識別。

在調(diào)試過程中，還發(fā)現(xiàn)機(jī)械手抓取物料時，雖手爪到位且抓取動作無誤，但有時候就是抓不住物料，還有在物料放置環(huán)節(jié)，程序無誤，但是多次試驗(yàn)時，放置的結(jié)果（分值）出現(xiàn)比較大的差異，有時候甚至?xí)霈F(xiàn)五環(huán)之外。經(jīng)過研究測試發(fā)現(xiàn)，在盡可能減少機(jī)械誤差的前提下跟機(jī)器人車身的定位不精確有關(guān)。采用識別中間色環(huán)圓心為基準(zhǔn)坐標(biāo)給車子定位，為了確保車子定位精準(zhǔn)，開始時設(shè)置誤差范圍在1之間，但多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車子有時候會微調(diào)整，致使無法完成后續(xù)動作，使得比賽時間延長，經(jīng)過多次驗(yàn)證誤差設(shè)置為2，物料的抓取和擺放精準(zhǔn)度很好。

6 結(jié)束語

本次設(shè)計并制造的智能物流搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物如圖11所示。機(jī)器人（含機(jī)械手臂）外形尺寸滿足鉛垂方向投影在邊長為300 mm 的正方形內(nèi)，高度不超過400 mm的要求。在機(jī)器人的醒目位置安裝有任務(wù)碼顯示裝置，在比賽過程中能夠持續(xù)顯示所有任務(wù)信息，確保亮光顯示，字體高度不小于8 mm。機(jī)器人各機(jī)構(gòu)都使用電驅(qū)動，采用電池供電，滿足總額定供電電壓：U≤12.6 V，總額定容量：C≤3 200 mAh 的要求。功能上機(jī)器人完全能自主運(yùn)行，動態(tài)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)物料顏色識別、抓取以及物料的精準(zhǔn)擺放。采用陀螺儀、視覺模塊相結(jié)合把機(jī)器人的位置及姿態(tài)等信息反饋給主控制器，從而來實(shí)現(xiàn)無巡線狀態(tài)下的機(jī)器人避障和精準(zhǔn)定位。設(shè)計的機(jī)器人完全滿足第九屆浙江省大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力競賽“智能+”賽道的初賽要求，并且設(shè)計的機(jī)器人在此次初賽中以高職組第一名的成績沖進(jìn)了決賽。

圖11 智能物流搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物圖