基于Arduino的智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)與競(jìng)賽

賀一烜 柏孟杰 鄭登華

摘 要：智能物流機(jī)器人是當(dāng)前機(jī)器人行業(yè)發(fā)展的一個(gè)分支，由機(jī)械、電子、控制等學(xué)科交叉而成，其中包括機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、電路的設(shè)計(jì)、控制程序的編寫和調(diào)試等，這些因素影響著機(jī)器人的移動(dòng)速度、定位的準(zhǔn)確性以及預(yù)期目標(biāo)達(dá)成的能力等。對(duì)于初學(xué)者或有一定基礎(chǔ)的愛好者如何快速入門，以及對(duì)于工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽的相關(guān)策略，本文將做具體論述。

關(guān)鍵詞：Arduino;智能物流;機(jī)器人;競(jìng)賽

Arduino是一款易于上手、功能齊全、[1]操作簡(jiǎn)單的開源性電子設(shè)計(jì)平臺(tái)，其包含硬件（各種型號(hào)的Arduino開發(fā)板）和軟件（Arduino的開發(fā)環(huán)境）。目前，很多電子愛好者都以Arduino為核心，電機(jī)、傳感器等各種硬件為載體做出各種電子設(shè)計(jì)，市面上也有很多的以Arduino為核心的DIY電子設(shè)計(jì)。智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)采用Arduino為控制核心，可以降低編程方面的難度，而且其豐富的功能又能滿足機(jī)器人的需要。目前，“中國(guó)大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競(jìng)賽”，浙江省、四川省、黑龍江省等一些省級(jí)教育廳主辦的機(jī)器人競(jìng)賽或工程訓(xùn)練競(jìng)賽，都設(shè)有智能物流機(jī)器人這一競(jìng)賽項(xiàng)目，對(duì)于此類競(jìng)賽的應(yīng)對(duì)方法，以及利用Arduino如何進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)，本文將從以下三方面論述。

一、智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)

智能物流機(jī)器人的功能在于可以通過從二維碼讀取區(qū)的二維碼，得到夾取物塊的信息和物塊的放置位置，夾取物塊并將指定的物塊送到目標(biāo)區(qū)域。機(jī)器人的設(shè)計(jì)主要分為底盤設(shè)計(jì)、機(jī)械手設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)以及控制程序設(shè)計(jì)。機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)方面多為直流電機(jī)和舵機(jī)，直流電機(jī)控制容易，舵機(jī)較大的扭力可以使機(jī)械手抓取物塊，直流電機(jī)的種類和舵機(jī)的型號(hào)視實(shí)際需求而定。

底盤結(jié)構(gòu)上通常為剛性結(jié)構(gòu)，底盤形狀根據(jù)輪子的數(shù)量和輪子的種類而定，通常有四輪底盤和三輪底盤，輪子通常有普通橡膠輪、全向輪、麥克納姆輪等。四輪底盤的形狀通常為長(zhǎng)條形或者正四邊形，[2]采用普通橡膠輪時(shí)，輪以常規(guī)四驅(qū)車輪子分布方式安裝，采用全向輪或者麥克納姆輪時(shí)，輪通常以向底盤中心的十字線傾斜45°分布，且四個(gè)輪均以這兩條字線相互對(duì)稱。三輪底盤通常為圓形，三個(gè)輪三等分橫向分布在底盤邊緣，輪通常采用全向輪或麥克納姆輪。當(dāng)四輪底盤采用普通橡膠輪時(shí)，轉(zhuǎn)彎前往取料區(qū)或放置區(qū)時(shí)，容易在循跡路線上出現(xiàn)偏差，會(huì)使機(jī)器人無法自我調(diào)整并偏離路線，而采用全向輪或者麥克納姆輪時(shí)，可以直接使機(jī)器人的側(cè)向成為機(jī)器人的正向，原機(jī)器人的正向轉(zhuǎn)為機(jī)器人的側(cè)向，成功避免了普通橡膠輪機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)容易產(chǎn)生偏差的問題。三輪底盤也避免了轉(zhuǎn)彎時(shí)的偏差問題，這種底盤轉(zhuǎn)彎時(shí)只需要原地轉(zhuǎn)動(dòng)90°，即視為完成轉(zhuǎn)彎變向，且三輪底盤前進(jìn)時(shí)只需要控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，更便于對(duì)機(jī)器人各種情況的編程。

機(jī)械手的設(shè)計(jì)方面，因使用舵機(jī)去驅(qū)動(dòng)機(jī)械手，建議設(shè)計(jì)機(jī)械手時(shí)的舵機(jī)使用數(shù)目越少越好。舵機(jī)本身具有一定的誤差，如果使用n個(gè)舵機(jī)，那么實(shí)際的誤差便是一個(gè)舵機(jī)的誤差的n次方，舵機(jī)的數(shù)目越少，實(shí)際具有的誤差便越少，則降低了機(jī)械手抓取時(shí)產(chǎn)生意外的可能性。機(jī)械手抓取的部位，可以加海綿或者橡膠等物體，增加抓取部位的摩擦力。

在電路設(shè)計(jì)方面，則要多考慮電壓和供電方面的問題。機(jī)器人里主要用到直流電機(jī)、舵機(jī)、攝像頭模塊、顯示屏、控制板、穩(wěn)壓模塊和傳感器等電路元件，再考慮到電路元件的自重和機(jī)器人機(jī)身重量，機(jī)器人運(yùn)行電量消耗較大。所以盡量避免單電源供電，可以考慮準(zhǔn)備兩個(gè)電源，一個(gè)電源給機(jī)器人底盤的各個(gè)電路元件供電，另一個(gè)直接給機(jī)械手上的舵機(jī)供電。因底盤有幾乎全部的電路元件，給機(jī)器人底盤供電的電源，其電壓和電量要偏高些，給機(jī)械手供電的電源的電壓和電量可以適當(dāng)?shù)鸵恍?。為了便于檢查故障的電路元件的連線，可以制作一PCB板，將電路元件和電源的布線集合在PCB板上，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時(shí)，能快速檢查線路方面的問題，而且也使機(jī)器人的電路元件連接更加方便。Arduino控制板的拓展板也可以作為替換PCB板的一個(gè)選擇，但相比之下PCB板更加個(gè)性化。

控制程序設(shè)計(jì)方面，Arduino的開發(fā)支持C/C++編程語言，因此用戶可以通過C/C++語言來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人上的輸入模塊（傳感器、攝像頭）的信號(hào)的處理和輸出模塊（電機(jī)、顯示屏、舵機(jī)）的控制，以此來達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。目前智能物流機(jī)器人競(jìng)賽中，參賽隊(duì)伍通常要根據(jù)賽道的實(shí)際情況設(shè)計(jì)出相應(yīng)的程序，機(jī)器人在二維碼讀取區(qū)域附近讀取二維碼上的信息，并根據(jù)二維碼上的信息，二維碼上有要抓取的物塊的顏色和放置的區(qū)域的信息，移動(dòng)到物塊提取的區(qū)域，抓取指定的物塊，并攜帶物塊運(yùn)送到指定的放置位置，同時(shí)機(jī)器人上的顯示屏要顯示要抓取的目標(biāo)和放置的路徑的信息。根據(jù)比賽要求的不同，程序視要求做出相應(yīng)的改變。機(jī)械手上的舵機(jī)也可以接在16路舵機(jī)控制板上與Arduino控制板串口通信，初學(xué)者可以通過這種辦法用16路舵機(jī)控制板的上位機(jī)直觀的控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，來設(shè)計(jì)機(jī)械手的抓取程序。在二維碼信息讀取的方面，初學(xué)者也可以使用專門的二維碼讀取模塊，讀取的程序會(huì)比攝像頭的讀取程序簡(jiǎn)單。但需要注意的是，有的二維碼模塊讀取后的數(shù)字信息直接賦予執(zhí)行命令的程序，可能會(huì)出現(xiàn)抓取指定物塊的程序無法執(zhí)行的情況，這時(shí)需預(yù)先設(shè)定一個(gè)變量，用這個(gè)變量來代替讀取完二維碼后返回的數(shù)值，這樣抓取的程序便可以執(zhí)行。例如，用“1”、“2”和“3”這三個(gè)數(shù)字生成二維碼，部分二維碼模塊讀取后返回的數(shù)值分別是“49”、“50”和“51”，那么定義三個(gè)變量int x，y，z，對(duì)應(yīng)三個(gè)數(shù)值，當(dāng)有數(shù)值返回時(shí)，便將“1”這數(shù)值賦予相應(yīng)的變量，下為一段示例：if（Serial.available（）>0）{delay（1）;ch=Serial.read（）;if（ch==49）{x=1;}if（ch==50）{y=1;}if（ch==51）{z=1;}}。

當(dāng)機(jī)器人制作完成后不斷調(diào)試的過程，對(duì)電路元件的消耗也是較大的。應(yīng)該備用一些零件和電路元件，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，及時(shí)將損壞部分更換，繼續(xù)調(diào)試。如果機(jī)械手采用的是舵機(jī)控制板和Arduino控制板串口通信，要注意給舵機(jī)控制板供電的電壓，舵機(jī)控制板相較于Arduino控制板更容易被電流燒毀。普通的直流電機(jī)相較于直流減速電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)更容易被損壞，應(yīng)當(dāng)多備用一些。減速電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)的金屬軸不能直接用手去觸碰，手上的汗液容易對(duì)轉(zhuǎn)軸位置造成腐蝕，影響電機(jī)的性能。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊，如L298n電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，也比較容易損壞。除此之外，機(jī)器人各個(gè)接線部分要經(jīng)常檢查，機(jī)器人運(yùn)行時(shí)很容易造成接線處松動(dòng)，致使部分電路元件短暫失效。

二、智能物流機(jī)器人的調(diào)試

智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作的完成，對(duì)一個(gè)完整的可以按照要求準(zhǔn)確執(zhí)行命令的機(jī)器人來說，只算完成了最基礎(chǔ)的部分。而后期的改良和調(diào)試，是更為主要的一部分。在競(jìng)賽賽道上調(diào)試時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到很多種問題，例如采用循跡移動(dòng)的機(jī)器人在直角時(shí)會(huì)偏離循跡路線、攝像頭或者二維碼模塊無法有效啟動(dòng)去識(shí)別二維碼、機(jī)械手夾取物塊時(shí)突然松動(dòng)等問題。對(duì)于這一類問題，通常要選擇排除法解決，從電路方面開始排查，很多時(shí)機(jī)器人出現(xiàn)故障都是因?yàn)榫€路松動(dòng)或者電路元件損壞引發(fā)的，隨后再檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)和裝配方面，檢查機(jī)械結(jié)構(gòu)是否損壞失效，最后是檢查程序問題，可能是程序中某一數(shù)值或循環(huán)邏輯出現(xiàn)了偏差。例如，采用循跡方式移動(dòng)的機(jī)器人，在直角轉(zhuǎn)彎處第一次調(diào)試發(fā)現(xiàn)可以順利完成轉(zhuǎn)彎，而第二次卻偏離了循跡線。對(duì)于這種情況，可以先從電路方面開始檢查，確認(rèn)接線無誤后，檢查電機(jī)情況，觀察正常通電的情況下左右兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速是否一致，如果電機(jī)本身沒有問題，在擰通過電機(jī)的長(zhǎng)螺絲時(shí)不要擰過緊，螺絲擰過緊也會(huì)擠壓電機(jī)內(nèi)部的齒輪，使轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)一定程度的偏差。如果此時(shí)問題依然存在，因機(jī)械結(jié)構(gòu)問題常出現(xiàn)在機(jī)械手上，可先不考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的問題，直接在程序中檢查問題，如在轉(zhuǎn)彎程序、循跡程序和延時(shí)設(shè)定等方面檢查。

因智能物流機(jī)器人的調(diào)試需要花大量的時(shí)間，所以調(diào)試時(shí)一定要有耐心。在不斷的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并積累經(jīng)驗(yàn)，以便于之后做類似的機(jī)器人時(shí)知道如何處理相似的情況。智能物流機(jī)器人主要執(zhí)行的功能就是移動(dòng)、抓放、和視覺。多數(shù)競(jìng)賽場(chǎng)地是網(wǎng)格狀場(chǎng)地，那么在機(jī)器人的移動(dòng)方式方面，就要多加考慮，可以采用在網(wǎng)格狀場(chǎng)地循跡移動(dòng)到目標(biāo)位置，那么在調(diào)試的過程中，如何優(yōu)化循跡程序，是一個(gè)重要的問題，這需要在不斷的循跡測(cè)試的過程中對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)微調(diào)，使機(jī)器人可以順利循跡。不僅如此，考慮到場(chǎng)地會(huì)反光，如何能讓循跡的傳感器準(zhǔn)確分辨循跡線也是一個(gè)重要的問題，這時(shí)需要在場(chǎng)地上對(duì)所有循跡的傳感器的靈敏度進(jìn)行調(diào)整，使用于循跡的傳感器都可以準(zhǔn)確分辨循跡線，減少光線對(duì)傳感器的影響，傳感器在調(diào)試到最佳后盡量不要再加以改動(dòng)，微小的改動(dòng)都有可能使傳感器靈敏度受影響。移動(dòng)方式方面，除了循跡移動(dòng)，也可以選擇定位移動(dòng)，即通過計(jì)算機(jī)器人出發(fā)點(diǎn)到目標(biāo)區(qū)域之間的距離以及輪子轉(zhuǎn)一圈所前進(jìn)的距離，以此確定輪子需要轉(zhuǎn)動(dòng)多少圈可以移動(dòng)到目標(biāo)區(qū)域，在調(diào)試這種移動(dòng)方式的機(jī)器人時(shí)，要準(zhǔn)確計(jì)算距離的大小，不僅如此，兩種移動(dòng)方式都需要考慮機(jī)器人在目標(biāo)區(qū)域停止時(shí)會(huì)不會(huì)打滑這種情況，視情況用一些材料增加輪子的摩擦力。在抓放物塊的調(diào)試時(shí)，要時(shí)刻根據(jù)機(jī)械手的情況去修改，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度要準(zhǔn)確測(cè)量再寫入程序里，不能讓機(jī)械手動(dòng)作執(zhí)行過快，盡量將速度減慢，避免物塊在運(yùn)輸?shù)倪^程中脫落以及在放置時(shí)不穩(wěn)而倒下。在調(diào)試視覺時(shí)，要注意攝像頭的識(shí)別距離，進(jìn)行識(shí)別時(shí)，將機(jī)器人在自己調(diào)試的最適距離范圍內(nèi)。

三、智能物流機(jī)器人的競(jìng)賽

完成智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)制作和調(diào)試之后，最后的面對(duì)的就是相關(guān)競(jìng)賽的發(fā)揮和策略。首先要找好隊(duì)員，隊(duì)員之間要相互協(xié)調(diào)，通常競(jìng)賽為三人一組，一個(gè)人做機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、一個(gè)人編寫機(jī)器人的程序、最后一人最好兩者都懂一些來做機(jī)器人的相關(guān)調(diào)試。機(jī)器人的機(jī)身多為有機(jī)玻璃板用激光切割機(jī)切割而成，控制板多數(shù)競(jìng)賽沒有要求，可自由選擇。因Arduino有中文社區(qū)，相關(guān)資料更為豐富，其自身控制板操作簡(jiǎn)單、種類多和功能足，所以Arduino控制板是一個(gè)很好的選擇，其中Arduino Mega2560控制板效果更好。有些競(jìng)賽要求機(jī)械手與物塊接觸的全部零件需要用3D打印機(jī)打印出來，應(yīng)對(duì)策略可以調(diào)整機(jī)械手的抓取位置，在保證抓取效果不影響的情況下，減少與物塊接觸的部分，這樣會(huì)用最少的時(shí)間打印完零件，會(huì)有更多的時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。

競(jìng)賽前，觀察賽道和各區(qū)域分布是否按照競(jìng)賽規(guī)則上的圖紙布置，現(xiàn)場(chǎng)光線的情況，如有問題，及時(shí)向場(chǎng)地維護(hù)人員提出申請(qǐng)。正式比賽前調(diào)試時(shí)，要充分利用好每一分鐘，大多數(shù)情況下賽前調(diào)試的時(shí)間很短，此時(shí)盡量不要再修改機(jī)器人的程序了，需要的是依靠參賽選手備賽過程中調(diào)試時(shí)的大量經(jīng)驗(yàn)積累來應(yīng)對(duì)賽前調(diào)試的突發(fā)情況。最后，良好的心理素質(zhì)關(guān)系到競(jìng)賽時(shí)水平的發(fā)揮，不要過于緊張，調(diào)整好狀態(tài)，穩(wěn)定發(fā)揮出備賽時(shí)的水平。

四、結(jié)語

智能物流機(jī)器人的設(shè)計(jì)并不是很困難，但是要將其制作出來，應(yīng)用在比賽中，取得優(yōu)異的成績(jī)，也絕非易事。競(jìng)賽時(shí)，考驗(yàn)的是隊(duì)伍成員之間的相互配合，共同將機(jī)器人完成，而不是全由一個(gè)人負(fù)責(zé)。遇到特殊情況時(shí)，要保持冷靜，多方面考慮。

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作者簡(jiǎn)介：賀一烜，就讀于西南石油大學(xué)本科二年級(jí)學(xué)生，常參與機(jī)器人類相關(guān)競(jìng)賽，單位是：西南石油大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院。