一種用于參加大學(xué)生競(jìng)賽的碼垛搬運(yùn)起重機(jī)器人

陳潤(rùn)林郭蓉翟俊杰何啟華姜超張悅

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 遼寧沈陽110870）

2021年3月，中國(guó)高等教育學(xué)會(huì)高校競(jìng)賽評(píng)估與管理體系研究工作組發(fā)布了2020全國(guó)普通高校大學(xué)生競(jìng)賽排行榜。本輪大學(xué)生競(jìng)賽排行榜根據(jù)獲獎(jiǎng)貢獻(xiàn)、組織貢獻(xiàn)和研究貢獻(xiàn)3個(gè)方面相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行排行，總計(jì)有57項(xiàng)競(jìng)賽項(xiàng)目列入排行榜。中國(guó)大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽是其中之一，通過設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、編程等實(shí)踐，提高大學(xué)生科技創(chuàng)新能力［1-2］。

設(shè)計(jì)的起重機(jī)器人旨在參加第六屆中國(guó)大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽，基于機(jī)器視覺，識(shí)別特定圖形的形狀和顏色的算法、激光傳感器定位、雙平行四邊形機(jī)械臂設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了能夠完成比賽要求的起重機(jī)器人［3-8］。

1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

起重機(jī)器人的整體建模如圖1所示。該機(jī)器人的底板正上方設(shè)有用于控制機(jī)器人機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)DS3230，舵機(jī)DS3230的正上方設(shè)有上頂板，舵機(jī)DS3230通過舵盤連接有小齒輪，小齒輪的外周嚙合有齒圈，齒圈與其上方的內(nèi)圈絲孔外沉頭孔軸承XRU8022XUUCC0P5的內(nèi)圈及內(nèi)圈絲孔外沉頭孔軸承上方的機(jī)械臂底座通過螺栓連接，內(nèi)圈絲孔外沉頭孔軸承的外圈與其下方的上頂板通過螺栓連接。機(jī)械臂大臂一端的兩側(cè)分別連接兩個(gè)舵機(jī)DS516，機(jī)械臂大臂的另一端連接機(jī)械臂小臂的一端，機(jī)械臂小臂的另一端通過機(jī)械爪座連接舵機(jī)DS3120，舵機(jī)DS3120通過舵盤和與機(jī)械爪的爪根連接的舵機(jī)DS3120連接，起重機(jī)器人的實(shí)物如圖2所示。

圖1 起重機(jī)器人的整體建模圖

圖2 起重機(jī)器人的實(shí)物圖

2 控制部分

主控板采用RoboMaster開發(fā)板C型，主控芯片為STM32F427IIH6。控制部分采用STM32單片機(jī)控制3個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)底盤運(yùn)動(dòng)和5個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)［9-10］。電機(jī)采用RoboMaster M2006，搭配相應(yīng)的C610電調(diào)，其具有額定轉(zhuǎn)矩大、減速比小、相對(duì)轉(zhuǎn)速高的優(yōu)點(diǎn)，采用CAN總線控制。視覺部分由OpenMv模塊提供，其是ov攝像頭與STM32H7的結(jié)合，與主板進(jìn)行串口通信。因?yàn)槠漭^高的開源性、封裝性，OpenMV模塊極其適用于視覺識(shí)別要求不高、環(huán)境較為固定的識(shí)別場(chǎng)合。OpenMV模塊在本設(shè)計(jì)中完美地承擔(dān)了視覺任務(wù)，簡(jiǎn)單、體積小、開源、準(zhǔn)確性高是簡(jiǎn)單視覺識(shí)別的不二選擇。使用時(shí)，RoboMaster開發(fā)板C型和RoboMaster電調(diào)中心板兩對(duì)、兩個(gè)舵機(jī)DS3120、兩個(gè)舵機(jī)DS5160、1個(gè)舵機(jī)DS3230、3個(gè)電機(jī)M2006全自動(dòng)控制。

2.1 底盤的控制

底盤運(yùn)動(dòng)由3個(gè)全向輪［8］控制底盤運(yùn)動(dòng)。其物理建模過程如下。假設(shè)輪子無打滑，建立如圖3所示的底盤坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系。

圖3 底盤坐標(biāo)系和世界坐標(biāo)系

圖3中，θ為機(jī)器人坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系之間的夾角；Φ為全向輪之間的夾角，本設(shè)計(jì)方案中Φ=120°；L為機(jī)器人中心到輪子理論中心的距離：

2.2 機(jī)械臂的控制

機(jī)械臂部分采用雙平行四邊形機(jī)械臂控制模型，其采用5個(gè)舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。機(jī)械臂控制分析如圖4所示。

圖4 機(jī)械臂控制分析圖

本設(shè)計(jì)中，由于需要搬運(yùn)物體位置一定，只需進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)反解即可做到抓取控制，經(jīng)過運(yùn)動(dòng)學(xué)反解可得到：

由于其具有末端執(zhí)行器始終平行于地面的優(yōu)點(diǎn)，其經(jīng)常用于碼垛機(jī)器人，其靈活度較高且因?yàn)殡p平行四邊形的優(yōu)點(diǎn)前臂和大臂的驅(qū)動(dòng)舵機(jī)均在機(jī)械臂的底座上且不產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，大大減少了機(jī)械臂的傾覆力矩，且雙平行四邊形機(jī)構(gòu)承載能力較平常機(jī)械臂大，但因?yàn)槠鋸?fù)雜的邏輯控制精度相對(duì)較低且穩(wěn)定性較低，數(shù)字舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)使其不適合于重載高速的運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。

2.3 車體及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃

在車輪與地面無相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，車體的運(yùn)動(dòng)位置精度可由編碼器采集車輪所轉(zhuǎn)圈數(shù)而得，但車體在場(chǎng)地的絕對(duì)位置無法得知，且無法保證車輪與地面無相對(duì)滑動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，采用3個(gè)摩天L1保證車體位置。摩天激光采用串口信號(hào)與單片機(jī)進(jìn)行通訊，可獲得激光發(fā)射器與障礙物（物體表面不包含鏡面反射）之間的距離。而本設(shè)計(jì)中，由兩組平行、一組垂直激光、垂直激光與兩組平行激光正交來獲得車體在場(chǎng)地中的位置，以及保證車體在場(chǎng)地中運(yùn)動(dòng)軌跡，且由激光可以減少車輪打滑帶來的累計(jì)誤差對(duì)行動(dòng)的影響。由兩組平行激光作為車體運(yùn)動(dòng)的y軸，垂直激光作為車體運(yùn)動(dòng)的x軸，通過兩組平行激光對(duì)某一障礙物的距離比較，可判斷車體的運(yùn)動(dòng)學(xué)y軸某一瞬間和場(chǎng)地y軸的角度關(guān)系，由平行激光和垂直激光，可確定車體在某一瞬間的移動(dòng)位置，由角度和距離，可得車體在場(chǎng)地平面的絕對(duì)位置，以達(dá)到運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

激光的本身精度高，其量程為40m，在量程距離的測(cè)距精度可達(dá)到1mm，且測(cè)距激光的成本低，3個(gè)激光的成本遠(yuǎn)低于激光雷達(dá)等位置傳感器，且滿足本設(shè)計(jì)運(yùn)用場(chǎng)合的精度需要，較其他位置傳感器而言，測(cè)距激光的運(yùn)用簡(jiǎn)單，精度不弱，適合本設(shè)計(jì)所運(yùn)用場(chǎng)合。

但由于車體本身具有慣性，以及通信時(shí)間的考慮，具體車體運(yùn)動(dòng)精度在保證車體運(yùn)動(dòng)效率及流暢的情況下，低速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（運(yùn)動(dòng)速度小于0.3m/s）車體運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)到厘米級(jí)；高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下（運(yùn)動(dòng)速度大于0.3m/s）車體的運(yùn)動(dòng)精度可達(dá)到3~5cm，不追求運(yùn)動(dòng)效率的情況下精度可達(dá)3mm以下。而本車適合承擔(dān)比賽場(chǎng)地、小場(chǎng)地的搬運(yùn)任務(wù)，速度條件及精度條件完全適合。

由于機(jī)械臂需要知道自己的抓取方向及抓取位置，而機(jī)械臂的關(guān)節(jié)精度由數(shù)字舵機(jī)本身的精度決定，所以機(jī)械臂的抓取絕對(duì)精度則取決于機(jī)械臂相對(duì)于車體的位置關(guān)系精度，其由15位多圈絕對(duì)式編碼器可知。15位編碼器可記錄刻度為215，其可通過CAN總線發(fā)布相關(guān)命令設(shè)置編碼器的零點(diǎn)和中點(diǎn)（即214）所在。多圈記憶使其具有掉電記憶能力，不需在此方面做額外供電，以保證電路安全。此編碼器具備掉電記憶功能，所以其可記錄某一時(shí)刻機(jī)械臂關(guān)于車體的旋轉(zhuǎn)精度，其可接受CAN總線、RS485等信號(hào)的通信，有體積小、重量輕、占用資源少、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，其線性度為1‰，即0.01°，將編碼器機(jī)械中點(diǎn)設(shè)置為與車體y軸同方向，即可保證機(jī)器人可得知自己的抓取方向和位置而做出相應(yīng)的調(diào)整。

在使用絕對(duì)式編碼器時(shí)，機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)速度不易過大，否則易導(dǎo)致編碼及記錄不準(zhǔn)，但本設(shè)計(jì)由于力臂過長(zhǎng)，機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)速度本就不易過大，所以使用絕對(duì)式編碼器十分適合本設(shè)計(jì)，且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，精度高。

在車體運(yùn)動(dòng)及抓取過程中，存在著對(duì)位置進(jìn)行調(diào)整的過程車體的發(fā)車位置調(diào)整，由于通信頻率和激光測(cè)距的精度，存在調(diào)整死區(qū)。車體的調(diào)整移動(dòng)速度不宜過快，否則存在搖擺、超限等問題。而且雖然兩平行激光距離較近，但由于車體本身結(jié)構(gòu)所限，兩激光中間仍有距離。若兩激光中間存在物體，則會(huì)對(duì)車體的位置調(diào)整產(chǎn)生誤差，導(dǎo)致一定概率下車體難以調(diào)整到所需要的狀態(tài)，所以車體的調(diào)整需要多次進(jìn)行。雖然降低了車體的移動(dòng)效率，但是對(duì)車體的精度，完成任務(wù)的問題性具有較大的改善，且車輛起步應(yīng)緩慢加速而不應(yīng)過高的起步速度導(dǎo)致車輪丟裝或裝載物體慣性過大，導(dǎo)致影響車體的運(yùn)動(dòng)精度和機(jī)械臂的抓取精度。

機(jī)械臂則存在對(duì)準(zhǔn)過程，如果使用絕對(duì)式編碼器對(duì)機(jī)械臂的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行控制，則會(huì)導(dǎo)致機(jī)械臂旋轉(zhuǎn)存在超限和死區(qū)，而將控制旋轉(zhuǎn)精度分為利用電機(jī)編碼器快速控制和用絕對(duì)式編碼器進(jìn)行慢速校準(zhǔn)兩個(gè)過程，則能解決上述問題，且有良好的控制精度。再將車體及機(jī)械臂校準(zhǔn)同時(shí)進(jìn)行配合校準(zhǔn)，使整體任務(wù)精度進(jìn)一步提高，完成車體任務(wù)精度的控制。至此，完成本設(shè)計(jì)對(duì)于場(chǎng)地抓取任務(wù)、搬運(yùn)任務(wù)的控制要求及精度要求。

3 結(jié)語

本文首先對(duì)起重機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后對(duì)機(jī)器人底盤和機(jī)械臂的控制方案進(jìn)行了分析。本機(jī)器人能很好地完成第六屆中國(guó)大學(xué)生起重機(jī)創(chuàng)意大賽的比賽任務(wù)，能夠一次性搬運(yùn)并堆碼6個(gè)相同的特侖蘇牛奶箱，提高了搬運(yùn)和堆碼的效率，實(shí)用性較好；機(jī)械臂采用雙平行四邊形的結(jié)構(gòu)，保證機(jī)械爪的軸線始終垂直于地面，保證了抓取的穩(wěn)定性。