智能分揀搬運(yùn)競賽機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孔李杰，王 營，夏 昕，許 愷

(三江學(xué)院 高等職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210012)

在工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，搬運(yùn)機(jī)器人是應(yīng)用率最高的機(jī)器人之一，尤其是在工業(yè)制造、港口碼頭、倉儲(chǔ)物流、食品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。模擬實(shí)際作業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了一款搬運(yùn)機(jī)器人，以充分滿足搬運(yùn)工作的快速性、準(zhǔn)確性要求。

1 總體設(shè)計(jì)

為了提高機(jī)器人的處理能力和性能，小車采用四輪驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是有足夠的動(dòng)力，可承載車載硬件，使小車在更短的時(shí)間內(nèi)完成比賽。選擇了具有編碼器的電機(jī)，使用了13個(gè)模擬灰度傳感器，在物料堆放中使用3D打印技術(shù)進(jìn)行夾子制作。在夾子后方，使用滑塊機(jī)構(gòu)，使夾子可以上下移動(dòng)，方便物料堆放。在機(jī)器右側(cè)制作了一個(gè)物料鉤，采用舵機(jī)控制并給予物料鉤兩個(gè)方向自由度。為了能讓機(jī)器人高速運(yùn)轉(zhuǎn)，采用編碼電機(jī)控制電機(jī)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。顏色識(shí)別選用TCS230芯片，通過讀取模塊返回的RGB值判斷所夾取的物塊顏色。

1.1 主控電路

1.1.1 MegaPi Pro控制板

MegaPi Pro是個(gè)基于ATmega2560的微主控板，完全兼容Arduino編程。MegaPi Pro擁有強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)能力，輸出功率最高可達(dá)120 W，有4個(gè)PORT插口，1個(gè)四路電機(jī)擴(kuò)展接口，1個(gè)RJ25轉(zhuǎn)接板接口，1個(gè)智能能板接口。強(qiáng)大的擴(kuò)展能力使其可以輕松應(yīng)對(duì)教育、比賽娛樂等方面的要求。

1.1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

為了提高電流效率，有效發(fā)揮電機(jī)功能，延長電池使用時(shí)間，設(shè)計(jì)了大功率H橋雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，其優(yōu)點(diǎn)是可承受高電流高電壓，提高電流效率，控制電機(jī)精準(zhǔn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向。供電電壓在3～36 V，能承受最大電流為16 A。采用了8片N溝道的MOS管組成。

1.1.3 顏色識(shí)別

選用TCS230芯片讀取模塊返回的RGB值，判斷所夾取的物塊顏色。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 整體外觀

整體外觀如圖1所示。

圖1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)整體外觀圖Fig.1 Overall appearance drawing of mechanical structure design

1.2.2 套筒機(jī)構(gòu)

區(qū)別于傳統(tǒng)兩部分組合套筒，采用自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)的兩開門套筒機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)分為三部分，中間部分為固定部分，其下部連接有固定叉子，其作用是引導(dǎo)物塊進(jìn)入指定區(qū)域，以便在套筒抓取和投放過程不會(huì)出現(xiàn)卡殼取空現(xiàn)象。叉子上方為顏色識(shí)別模塊固定板，其作用是在套筒成功抓取物塊對(duì)其進(jìn)行顏色識(shí)別時(shí)，使物塊緊貼顏色傳感器，避免因接觸不充分而產(chǎn)生失誤，從而減少顏色讀取的失誤率。顏色識(shí)別固定板上方為直徑40 mm圓弧光滑擋板，其作用是防止物塊下落過程中因上下物塊位置不齊而出現(xiàn)卡頓、倒塌情況。左右兩邊為左右開合式套筒，其下端分別連接齒輪和舵機(jī)，其作用是抓取和放置物塊。

1.2.3 升降結(jié)構(gòu)

360°舵機(jī)結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性、平衡性，能夠防止物塊上升和下降過程中產(chǎn)生晃動(dòng)，致使物塊掉落產(chǎn)生不必要的損失。

1.2.4 物塊鉤

采用左右兩舵機(jī)單鉤系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)控制鉤子的移動(dòng)角度方向，可在XYZ三方向?qū)ξ飰K進(jìn)行精準(zhǔn)控制，更快更高效地完成鉤取任務(wù)。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

小車行走信息來源：觸角灰度傳感器、巡線灰度傳感器、編碼器讀值、邏輯程序的執(zhí)行。小車行走控制中心：Arduino 2560控制板。小車行走輸出設(shè)備：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、升降電機(jī)運(yùn)行、舵機(jī)執(zhí)行。電路接線圖如圖2所示。

圖2 電路接線圖Fig.2 Circuit interconnect pattern

1.4 軟件設(shè)計(jì)

本次算法設(shè)計(jì)主要分為兩部分：一部分對(duì)應(yīng)規(guī)則的第一環(huán)節(jié)，主要設(shè)計(jì)思路是由起點(diǎn)出發(fā)直接巡線到達(dá)C物塊處，抓取并設(shè)別顏色，如果對(duì)應(yīng)相應(yīng)顏色，將此物快送到相應(yīng)位置，否則抓取E處物塊并識(shí)別顏色，重復(fù)進(jìn)行上述過程。若都不符合對(duì)應(yīng)顏色，將3個(gè)物塊都加在套筒中，依次將3個(gè)物塊送到對(duì)應(yīng)顏色區(qū)域。結(jié)束第一環(huán)節(jié)，準(zhǔn)備開始第二環(huán)節(jié)。第二部分采用單鉤設(shè)計(jì)理念，機(jī)器人首先到達(dá)F區(qū)域，一次將抓取2個(gè)物塊，再去G區(qū)抓取2個(gè)物塊，將其放在相應(yīng)的顏色區(qū)域，夾取物塊重復(fù)上述過程。

2 關(guān)鍵技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)過程

2.1 電機(jī)控制

本次比賽規(guī)則要求制作一臺(tái)輪式機(jī)器人，基于單片機(jī)控制的電機(jī)正反轉(zhuǎn)及調(diào)速控制，結(jié)合選用的Arduino主控芯片及驅(qū)動(dòng)板橋，電路模塊實(shí)際控制程序如下：定義電機(jī)輸出信號(hào)端口，定義PWM輸出，X取值范圍0～255。巡線過程使用四路灰度傳感器檢測(cè)黑線，通過數(shù)字量灰度傳感器檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)過程中遇到的各種路口情況。

2.2 抓取機(jī)構(gòu)開發(fā)

抓取機(jī)構(gòu)主要由舵機(jī)驅(qū)動(dòng)，舵機(jī)也叫伺服電機(jī)，在直流電機(jī)的基礎(chǔ)上添加一個(gè)芯片，可以通過信號(hào)口的PWM信號(hào)精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度，常見的有180°舵機(jī)、270°舵機(jī)及360°舵機(jī)。本次搬運(yùn)機(jī)器人共用到5個(gè)180°舵機(jī)和1個(gè)270°舵機(jī)，分別控制兩側(cè)鉤子的上下左右轉(zhuǎn)動(dòng)、套筒的開合及升降。以此完成比賽過程中對(duì)于第一環(huán)節(jié)的3個(gè)物塊的抓取及放置，對(duì)于第二環(huán)節(jié)兩個(gè)區(qū)域的物塊進(jìn)行精確鉤取。

2.3 顏色識(shí)別系統(tǒng)

顏色識(shí)別模塊選用230模塊，搭載TCS230芯片。模塊通過讀取物塊的RGB值返回至主控制芯片，通過程序?qū)Ψ祷氐腞GB值進(jìn)行比較，判斷出物塊顏色。通信模式選用串口協(xié)議，波特率選用9 600 bps。

2.4 競賽策略

第一環(huán)節(jié)：先采取抓一個(gè)放一個(gè)的方法。從起點(diǎn)出發(fā)，先直行至C點(diǎn)，抓住物塊C。若物塊C為紅色直接直行放到紅色圓點(diǎn)，若為白色黑色則退回中心點(diǎn)，分別左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)45°將物塊C放到對(duì)應(yīng)的顏色圓點(diǎn)。若物塊C為藍(lán)色則退回中心點(diǎn)右轉(zhuǎn)45°，直行抬起套筒抓住物塊E，先放物塊E，若物塊E為白紅黑色，直接退回中心點(diǎn)，然后分別左轉(zhuǎn)135°、90°、45°，放物塊E至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)，然后放物塊C，放完后退至中心點(diǎn)右轉(zhuǎn)180°抓A，若A為綠色直接直行放綠色圓點(diǎn)，若為白紅黑色則退回中心點(diǎn)。分別右轉(zhuǎn)45°、90°、135°，放物塊A至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)。若物塊C為綠色則退回中心點(diǎn)右轉(zhuǎn)45°，直行抬起套筒抓住物塊E，先放物塊E，若物塊E為藍(lán)色，直接直行放至藍(lán)色圓點(diǎn)，若物塊E為白紅黑色，直接退回中心點(diǎn)，然后分別左轉(zhuǎn)135°、90°、45°，放物塊E至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)，然后退回中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)角去抓物塊A，抓完物塊A退回中心點(diǎn)，若物塊A為白紅黑藍(lán)，直接轉(zhuǎn)角去放物塊A，最后放物塊C。若物塊E為綠色則右轉(zhuǎn)180°去抓物塊A，退回至中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)角將物塊A放至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)，最后去放物塊E，至此結(jié)束第一環(huán)節(jié)。

第二環(huán)節(jié)：小車退回至中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)角至F直行去鉤物塊AB，退回中心點(diǎn)，左轉(zhuǎn)90°直行，鉤子轉(zhuǎn)動(dòng)，先將物塊A放進(jìn)套筒，再將物塊B放進(jìn)套筒，去鉤G中物塊BA，將G中物塊B放進(jìn)套筒，送物塊B至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)。將物塊A放進(jìn)套筒，送物塊A至相應(yīng)的顏色圓點(diǎn)。送完FG中的物塊AB，再轉(zhuǎn)角去抓G中的物塊CED，先將物塊C放進(jìn)套筒內(nèi)，再將物塊E放進(jìn)套筒，直行抬起套筒抓住物塊D，退回至中心點(diǎn)，右轉(zhuǎn)90°，直行去抓F中物塊CED，用鉤子鉤住物塊CE，將小車抬起套筒直行抓住D物塊。退回中心點(diǎn)，先將鉤子里的物塊C放至相應(yīng)顏色圓點(diǎn)的黑線上，再將物塊D放入相應(yīng)顏色圓點(diǎn)，再將套筒里的物塊E放入相應(yīng)顏色圓點(diǎn)，移動(dòng)至與物塊C相應(yīng)的黑線，將物塊C放至相應(yīng)顏色圓點(diǎn)，最后退至中心點(diǎn)，轉(zhuǎn)角至起點(diǎn)方向，直行回到起點(diǎn)。

3 結(jié)語

在機(jī)器人轉(zhuǎn)角上進(jìn)行創(chuàng)新，增加前輪抓地力，減小后輪抓地力，使其在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)以前輪為主動(dòng)輪，以后輪為從動(dòng)輪，以保證機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)過程中中心不會(huì)變化。在升降結(jié)構(gòu)上使用導(dǎo)軌滑塊作為基礎(chǔ)傳動(dòng)，帶動(dòng)套筒上下運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)的平滑、穩(wěn)定、快速。本機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本打破傳統(tǒng)的各種結(jié)構(gòu)，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，對(duì)于不足的部分通過重新設(shè)計(jì)對(duì)其功能進(jìn)行加強(qiáng)，使其結(jié)構(gòu)更加合理、穩(wěn)定。