張興華

（廣東白云學院智能制造工程學院，廣東 廣州 510450）

0 引言

第七屆全國大學生工程訓練綜合能力競賽智能+賽道試題，要求智能物流搬運機器人能夠通過掃描二維碼、條碼或通過Wi-Fi 網(wǎng)絡通信等方式領取搬運或放置任務，在指定的工業(yè)場景內(nèi)行走、避障，具有物料位置和顏色識別、物料抓取與載運、路徑規(guī)劃等功能，應按任務要求將物料搬運至指定地點并精準擺放。

任務執(zhí)行過程描述如下：將機器人放置在出發(fā)區(qū)，抽簽確定物料的搬運順序任務碼和在原料區(qū)的擺放順序。任務編碼被設置為1（紅）、2（綠）、3（藍）三個數(shù)字的組合，兩組三位數(shù)之間以+號連接，如213+321。同一場次的任務相同。

機器人移動到二維碼顯示板前讀取二維碼，獲得所需要搬運物料的搬運順序（例如：213+321）。這是機器人在最后一個工位的物料擺放樣式，如圖1所示。

圖1 物料擺放樣式任務碼

機器人到達原料區(qū)，從原料區(qū)取料，如果看到了如圖2 所示的原材料擺放樣式，要按照2、1、3 的順序，即按照綠色、紅色、藍色的順序取貨和擺貨。機器人行駛至粗加工區(qū)，將攜帶的物料按照任務碼的順序放置到對應的色環(huán)上，即按綠、紅、藍的順序放置在粗加工區(qū)。然后再按綠、紅、藍的順序將物料依次擺放在半成品區(qū)的上層。

圖2 原材料擺放樣式

1 系統(tǒng)硬件設計

機器人3D 圖如圖3 所示。車輪采用MECANAM輪，這種車輪可以通過控制車輪的轉動方向與轉速實現(xiàn)水平左右移動車體的動作[1-10]。整個系統(tǒng)包含了5 個部分：電源部分、主控板模塊、OpenMV4 視覺模塊、舵機驅動模塊、直流電動機驅動部分。機器人使用Arduino Mega 2560 單片機作為主控電路板，使用的OpenMV4 視覺模塊如圖4 所示。實現(xiàn)視覺追蹤與距離檢測，由Mega 2560 擴展板（圖5）按照Mega 2560 接線圖（圖6），分別接在兩個直流電機驅動模塊TB6612FNG（圖7）的AIN1、AIN2 和BIN1、BIN2。16 路舵機驅動板PCA9685（圖8）驅動4 個舵機的關節(jié)型機械臂，實現(xiàn)目標物體的抓取和放置，用兩個電壓轉換模塊將電源電壓7.4 V轉換為5 V和3.3 V。

圖3 麥克納姆輪四輪驅動機器人

圖4 OpenMV4 視覺模塊

圖5 Mega 2560擴展板實物圖

圖6 Mega 2560單片機接線圖

圖7 TB6612FNG電機驅動模塊接線圖

圖8 16路舵機驅動板PCA9685

2 搬運算法設計

搬運場地如圖9 所示，機器人從右上角出發(fā)向前行駛，機器人底部前沿的光電傳感器尋找到第三條黑線，暫停行走，攝像頭右轉90°，掃描二維碼，如果二維碼的第一個數(shù)字為2，就要先搬運綠色物料，向前行進三條線即900 mm 到達原材料區(qū)，攝像頭尋找綠色物料，此時可能有三種情況：

圖9 搬運場地圖

1）如果攝像頭看到的綠色物料在鏡頭左邊，機械臂左轉30°，下去取料。

2）如果攝像頭看到的綠色物料在鏡頭中間，機械臂直接下去取料。

3）如果攝像頭看到的綠色物料在鏡頭右邊，機械臂右轉30°，下去取料。

然后機器人向左平移，小車底盤下中心位置的傳感器如果檢測到第三條黑線，說明小車已經(jīng)左移了900 mm， 到達粗加工區(qū)。攝像頭左轉90°，機械臂左轉90°，因為此時搬運的是綠色物料，所以機械臂腰關節(jié)右轉30°。把綠色物料放下，然后機械臂復位。小車繼續(xù)向左平移2 格黑線即600 mm 的距離，然后小車后退3 格的距離，來到半成品區(qū)，機械臂和攝像頭左轉90°，把綠色物料擺放在上層左邊位置。然后小車前進3 格的距離，再向右平移6 格的距離，到達原料區(qū)，攝像頭和機械臂右轉90°。尋找第二個目標工件藍色物料，此時可能有三種情況：

1）如果攝像頭看到的藍色物料在鏡頭左邊，機械臂左轉30°，下去取料。

2）如果攝像頭看到的藍色物料在鏡頭中間，機械臂直接下去取料。

3）如果攝像頭看到的藍色物料在鏡頭右邊，機械臂右轉30°，下去取料。

然后搬運1 號物料，即紅色物料，完成后搬運3號物料，即藍色物料，完成后，重復執(zhí)行以上算法，就可以完成6 個物料在原料區(qū)的取料、粗加工區(qū)的放置、半成品區(qū)的擺放。

麥克納姆輪機器人編寫的運動控制函數(shù)如下：

char inverse_left = 1; char inverse_right = 0; char

inverse_left2 = 1; char inverse_right2 = 0;

int left_speed; int right_speed; int left_speed2; int

right_speed2;

#define PWMA 12 //A電機轉速

#define DIRA1 34

#define DIRA2 35 //A電機方向

#define PWMB 8 //B電機轉速

#define DIRB1 37

#define DIRB2 36 //B電機方向

#define PWMC 9 //C電機轉速

#define DIRC1 43

#define DIRC2 42 //C電機方向

#define PWMD 5 //D電機轉速

#define DIRD1 A4 //26 V1.0 版本

#define DIRD2 A5 //D 電機方向27 V1.0版本

#define MOTORA_FORWARD(pwm)

do{digitalWrite(DIRA1,LOW);

digitalWrite(DIRA2,HIGH);analogWrite(PWMA,p

wm);}while(0)

#define MOTORA_STOP(x)

do{digitalWrite(DIRA1,LOW);

digitalWrite(DIRA2,LOW);

analogWrite(PWMA,0);}while(0)

#define MOTORA_BACKOFF(pwm)

do{digitalWrite(DIRA1,HIGH);digitalWrite(DIRA2,L

OW); analogWrite(PWMA,pwm);}while(0)

#define MOTORB_FORWARD(pwm)

do{digitalWrite(DIRB1,HIGH);

digitalWrite(DIRB2,LOW);analogWrite(PWMB,p

wm);}while(0)

#define MOTORB_STOP(x)

do{digitalWrite(DIRB1,LOW);

digitalWrite(DIRB2,LOW);

analogWrite(PWMB,0);}while(0)

#define MOTORB_BACKOFF(pwm)

do{digitalWrite(DIRB1,LOW);digitalWrite(DIRB2,HI

GH); analogWrite(PWMB,pwm);}while(0)

#define MOTORC_FORWARD(pwm)

do{digitalWrite(DIRC1,LOW);

digitalWrite(DIRC2,HIGH);analogWrite(PWMC,p

wm);}while(0)

#define MOTORC_STOP(x)

do{digitalWrite(DIRC1,LOW);

digitalWrite(DIRC2,LOW);

analogWrite(PWMC,0);}while(0)

#define MOTORC_BACKOFF(pwm)

do{digitalWrite(DIRC1,HIGH);digitalWrite(DIRC2,L

OW); analogWrite(PWMC,pwm);}while(0)

#define MOTORD_FORWARD(pwm)

do{digitalWrite(DIRD1,HIGH);

digitalWrite(DIRD2,LOW);analogWrite(PWMD,p

wm);}while(0)

#define MOTORD_STOP(x)

do{digitalWrite(DIRD1,LOW);

digitalWrite(DIRD2,LOW);

analogWrite(PWMD,0);}while(0)

#define MOTORD_BACKOFF(pwm)

do{digitalWrite(DIRD1,LOW);digitalWrite(DIRD2,HI

GH); analogWrite(PWMD,pwm);}while(0)

int pwm_a = 0; int pwm_b = 0; int pwm_c = 0; int

pwm_d = 0;

void run(int left_speed, int right_speed) {

if (inverse_left == 1) left_speed = (-left_speed);

if (inverse_right == 1) right_speed = (-right_speed);

if (left_speed ＜ 0) {

pwm_a = abs(left_speed);

MOTORA_FORWARD(pwm_a);

}

else {

pwm_a = abs(left_speed);

MOTORA_BACKOFF(pwm_a);

}

if (right_speed ＜ 0) {

pwm_b = abs(right_speed);

MOTORB_BACKOFF(pwm_b);

}

else {

pwm_b = abs(right_speed);

MOTORB_FORWARD(pwm_b);

}

}

void run2(int left_speed2, int right_speed2) {

if (inverse_left2 == 1) left_speed2 = (-left_speed2);

if (inverse_right2 == 1) right_speed2 = (-right_

speed2);

if (left_speed2 ＜ 0) {

pwm_c = abs(left_speed2);

MOTORC_FORWARD(pwm_c); }

else {

pwm_c = abs(left_speed2);

MOTORC_BACKOFF(pwm_c); }

if (right_speed2 ＜ 0) {

pwm_d = abs(right_speed2);

MOTORD_BACKOFF(pwm_d); }

else {

pwm_d = abs(right_speed2);

MOTORD_FORWARD(pwm_d);

}

}

Void strafe_left() { run(-32, 32);

run2(32, -32);}

void strafe_right() { run(32, -32);

run2(-32, 32);}

OpenMV 串口通信程序：

import sensor, image, time

import json

from pyb import UART

sensor.reset() # Initialize the camera sensor.

sensor.set_pixformat(sensor.RGB565)

sensor.set_framesize(sensor.QQVGA)

sensor.skip_frames(10) # Let new settings take #affect.

sensor.set_auto_whitebal(False) # turn this off.

clock = time.clock() # Tracks FPS.

uart = UART(3, 19200)

while(True):

clock.tick() # milliseconds snapshots().

img = sensor.snapshot() # Take a picture

img.lens_corr(1.5)

for code in img.find_qrcodes():

message = code.payload()

uart.write(message)

print(code)

else:print(“not found!”)

Mega 2560端的串口通信程序設計：

void setup( ) { Serial.begin(19200);

pinMode(7, OUTPUT);}

void loop( ){

if(Serial.available()){

Serial.write(Serial.read()); }}

3 結論

經(jīng)實際測試，搬運機器人能高質量地完成搬運任務。