基于二維碼導(dǎo)引生物罐體AGV抓手設(shè)計(jì)

摘 要：生物罐體AGV是醫(yī)療機(jī)構(gòu)在低溫冷庫無人化存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)運(yùn)作業(yè)的一款機(jī)器人。為了解決機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)定位精度低、識(shí)別能力低、轉(zhuǎn)運(yùn)周期長(zhǎng)和抓手機(jī)構(gòu)繁冗等問題。從控制和結(jié)構(gòu)兩方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)一款基于激光導(dǎo)航融入二維碼導(dǎo)航的AGV抓手。控制方面，通過變化矩陣區(qū)域歸一，使用HMD校準(zhǔn)方法校準(zhǔn)。定位方式，根據(jù)環(huán)境變化由激光導(dǎo)航與二維碼導(dǎo)航相互切換。結(jié)構(gòu)上，引入ECRS原則、變密度法，運(yùn)用SolidWorks三維軟件完成模型，使用SolidWorks分析單元，在材料和載荷的限定條件下對(duì)抓手核心部件進(jìn)行有限元分析。試驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)縮短了作業(yè)周期，提高了抓手抓取精度，機(jī)構(gòu)得到精簡(jiǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AGV抓手；二維碼導(dǎo)航；三維模型；有限元法

中圖分類號(hào)：TP391.9" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B" 文章編號(hào)：1671-5276（2024）05-0175-05

Design of Biological Tank AGV Gripper Based on QR Code Guidance

Abstract：Biological tank AGV is a robot applied in unmanned storage and transportation of low-temperature cold storage in medical institutions. In order to improve its low positioning accuracy and low recognition ability， shorten its long transportation cycle and simplify its redundant gripper mechanism， a gripper based on laser navigation and QR code navigation is designed with optimization design in terms of control and structure. In the aspect of cotrol， the region is normalized through the change matrix and calibrated by HMD calibration method， and ositioning method is switched between laser navigation and QR code navigation according to the environmental changes. Structurally， the ECRS principle and variable density method are introduced to build the model by SolidWorks three-dimensional software， and the finite element analysis on the core components of the gripper is carried out under the limited conditions of material and load by SolidWorks analysis unit. The test results show that the designed gripper shortens operation cycle， improves grasping accuracy， simplifies grasping mechanism， and has good economic value.

Keywords：AGV gripper；QR code navigation；3D model；FEM

0 引言

疫苗、干細(xì)胞、免疫細(xì)胞等試劑需低溫運(yùn)輸、儲(chǔ)存，通常采用罐體儲(chǔ)存和人工放取運(yùn)輸?shù)姆绞?。由于人為干預(yù)會(huì)帶來不可控風(fēng)險(xiǎn)，因此需要開展以AGV為主的精細(xì)化、智慧化作業(yè)，才能夠最大限度地確保醫(yī)護(hù)人員、患者和醫(yī)療產(chǎn)品的安全。本文設(shè)計(jì)醫(yī)療AGV抓手，抓取的目標(biāo)體是存放疫苗、干細(xì)胞、免疫細(xì)胞等外形規(guī)則的鋁合金罐體。ECRS原則即為取消（eliminate）、合并（combine）、重排（rearrange）和簡(jiǎn)化（simplify）的英文單詞首字母組合，在設(shè)計(jì)領(lǐng)域中有著廣泛而重要的應(yīng)用。AGV導(dǎo)航技術(shù)如能得到市場(chǎng)的認(rèn)可主要受到成本、布局復(fù)雜、系統(tǒng)靈活性三大因素制約。目前，生物罐體AGV控制及機(jī)械結(jié)構(gòu)仍有再優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)低成本、高效率的需求。鐘鉅斌［1］設(shè)計(jì)了一種可根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合切換的混合磁導(dǎo)航和視覺導(dǎo)航的AGV系統(tǒng)，但是實(shí)際場(chǎng)景切換時(shí)存在干擾影響，同時(shí)也存在制作成本高、技術(shù)難度大的問題。王斌等［2］申請(qǐng)了一種AGV激光磁帶混合導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)明專利，但磁帶導(dǎo)航鋪設(shè)復(fù)雜，且僅適用于路徑固定的環(huán)境。參考二維碼技術(shù)在AGV定位應(yīng)用的研究文獻(xiàn)表明：二維碼具備占用面積小、存儲(chǔ)信息容量大、成本較低、識(shí)讀速度快、不易受干擾等特點(diǎn)，改進(jìn)定位算法能提高定位精度［3-5］。二維碼應(yīng)用在發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展早且處于成熟的階段，在國(guó)內(nèi)很多場(chǎng)合應(yīng)用已經(jīng)非常普及。本文在不改變AGV抓手功能的情況下，控制方面采用激光導(dǎo)航融入二維碼定位算法，結(jié)構(gòu)方面引入ECRS原則、變密度法對(duì)AGV抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)及驗(yàn)證，達(dá)到了預(yù)期目的。

1 激光定位

在本文的AGV導(dǎo)航中提出了一種全新的激光導(dǎo)航融入二維碼定位算法，用以實(shí)現(xiàn)在變化環(huán)境中的長(zhǎng)期定位，即采用一個(gè)二維柵格，在柵格中使用隱馬爾可夫模型［6］（HMM）來表示二維柵格地圖中每個(gè)柵格單元的占用率和相應(yīng)的轉(zhuǎn)移概率，使用動(dòng)態(tài)占用表示環(huán)境情況。動(dòng)態(tài)柵格地圖可解釋環(huán)境的變化，克服了靜態(tài)世界的假設(shè)。

假設(shè)地圖由一個(gè)個(gè)獨(dú)立的柵格單元組成，即mt=c（i）t，每個(gè)單元都用一個(gè)HMM進(jìn)行建模。每個(gè)HMM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率描述了每個(gè)單元占用狀態(tài)在連續(xù)時(shí)間步長(zhǎng)之間的變化。由于單元格c具有兩種特性，即一種自由（f），另一種被占用（o），所以狀態(tài)轉(zhuǎn)移模型只是用兩個(gè)轉(zhuǎn)移概率來描述，即p（ct=f|ct－1=f）或者p（ct=o|ct－1=o）。假設(shè)周邊的環(huán)境是個(gè)平穩(wěn)變化的過程，這些概率并不依賴于t的絕對(duì)值。靜態(tài)的占用網(wǎng)格是動(dòng)態(tài)占用網(wǎng)格的一種特殊情況，即p（ct=f|ct－1=f）或者p（ct=o|ct－1=o）的單元轉(zhuǎn)移概率為1。

式（1）對(duì)單元格占用狀態(tài)的估算遵循貝葉斯方法

式中：f為自由free的簡(jiǎn)寫；o為占用occupy的簡(jiǎn)寫；p（zt|ct）和p（ct|ct-1）分別對(duì)應(yīng)網(wǎng)格的觀測(cè)模型和過度模型；η為歸一常數(shù)。觀測(cè)模型表示對(duì)于測(cè)量一個(gè)柵格單元時(shí)，這個(gè)柵格單元是否被占用或自由狀態(tài)的可能性。假設(shè)只取決于使用的傳感器而不是位置，對(duì)每個(gè)HMM都是相同的。根據(jù)以上辦法，用隱馬爾可夫模型建模所得出的結(jié)果來影響柵格地圖上的粒子濾波，通過更新粒子的權(quán)重從而判斷粒子的觀測(cè)值與地圖標(biāo)志相似度的高低，數(shù)量越多的粒子權(quán)重越大，因此定位才可以變得自適應(yīng)且更可靠。

1.1 AGV底部二維碼定位

首先AGV以激光導(dǎo)航行駛到指定二維碼附近，AGV打開二維碼掃描功能，掃描到二維碼設(shè)定信息后激光導(dǎo)航隨即切換成二維碼導(dǎo)航。AGV旋轉(zhuǎn)直到行駛方向與二維碼中心重合在一條直線上，隨即AGV以接近二維碼中心的方向（前進(jìn)或后退），直到AGV底盤讀碼器中心與二維碼中心相重合，最后AGV調(diào)整位姿直至AGV朝向存儲(chǔ)罐體設(shè)備。由于二維碼相對(duì)于存儲(chǔ)設(shè)備是絕對(duì)正確位置，AGV相對(duì)二維碼也是絕對(duì)正確位置，所以AGV和存儲(chǔ)設(shè)備是絕對(duì)正確位置，達(dá)到了AGV能夠進(jìn)行下一步的精度要求。AGV掃描第一個(gè)二維碼的設(shè)定信息后，將抓手提升到設(shè)定的高度，AGV前行設(shè)定的距離，即可進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作。

1.2 AGV抓手端二維碼定位

抓手端相機(jī)對(duì)罐體二維碼掃描后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，經(jīng)過計(jì)算轉(zhuǎn)換得出一個(gè)相機(jī)在二維碼空間上的坐標(biāo)，即以二維碼中心為整體中心坐標(biāo)系的抓手坐標(biāo)，通過相機(jī)實(shí)時(shí)反饋數(shù)據(jù)給抓手。這個(gè)數(shù)據(jù)體現(xiàn)在一個(gè)坐標(biāo)系上，以坐標(biāo)值的方式表示抓手和相機(jī)的相對(duì)位置，并通過車體的差速輪來調(diào)整前后距離和角度，抓手通過左右平移來調(diào)整位姿，從而減少相機(jī)與二維碼之間的相對(duì)距離，最終使得相機(jī)定位在二維碼的中心位置，即x、y坐標(biāo)軸值為0且z軸保留一定的的距離。這樣可以使得抓手能夠精確定位可抓取的位置，最后差速輪移動(dòng)行駛到合適的Z值，即二維碼設(shè)定的距離，而此時(shí)已經(jīng)確保了X和Y的精度。實(shí)現(xiàn)算法如下。

首先，需要標(biāo)記位置和姿態(tài)估算，已知的方形尺寸標(biāo)記用作坐標(biāo)框架的基礎(chǔ)，通過圖像分析估算了標(biāo)記坐標(biāo)與相機(jī)坐標(biāo)之間的關(guān)系，如圖1所示。

式（2）中表示二維碼標(biāo)記坐標(biāo)到相機(jī)坐標(biāo)的變換矩陣Tcm是通過圖像分析來估算的。

式中：Xc、Yc、Zc為相機(jī)坐標(biāo)；Xm、Ym、Zm為二維碼標(biāo)記坐標(biāo)；Tcm為二維碼坐標(biāo)到相機(jī)坐標(biāo)的平移和旋轉(zhuǎn)變換矩陣。

相機(jī)對(duì)輸入圖像進(jìn)行閾值處理后，提取4條線段擬合輪廓的區(qū)域。將這4條線段的參數(shù)和線段相交擬合出區(qū)域的頂點(diǎn)坐標(biāo)在稍后存儲(chǔ)過程中進(jìn)行區(qū)域歸一化，區(qū)域內(nèi)的子圖像通過與之前錄制給系統(tǒng)的二維碼模板進(jìn)行匹配，以識(shí)別特定用戶二維碼的ID標(biāo)記。在這個(gè)區(qū)域歸一化過程中，使用表示透視變換的式（3），變換矩陣中的所有變量都是通過將檢測(cè)到的4個(gè)頂點(diǎn)相機(jī)屏幕坐標(biāo)和標(biāo)記坐標(biāo)分別替換為（Xc，Yc）和（Xm，Ym）來確定的。之后可以使用這個(gè)變換矩陣來完成區(qū)域歸一化。

當(dāng)正方形標(biāo)記的兩條平行邊投影到圖像上時(shí)，相機(jī)屏幕坐標(biāo)中這些線段的方程如下：

對(duì)于每個(gè)標(biāo)記，這些參數(shù)的值可以在線擬合的過程中獲得。給定式（5）中相機(jī)標(biāo)定得到的透視投影矩陣P，分別包含這兩條邊所屬平面的等式，可以在相機(jī)坐標(biāo)系中代入Xc和Yc來表示為式（6），而在式（6）中，這兩個(gè)坐標(biāo)還對(duì)應(yīng)著式（5）中的Xc和Yc。

通過上述方法得到的變換矩陣可能存在誤差，但可以通過以下過程來減少。首先利用所得到的變換矩陣將二維碼標(biāo)記坐標(biāo)系中的標(biāo)記頂點(diǎn)坐標(biāo)變換為相機(jī)屏幕坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，接著對(duì)變換矩陣進(jìn)行優(yōu)化，使這些變換后的坐標(biāo)與圖像測(cè)量坐標(biāo)的差值之和達(dá)到最小。然后使用上述方法重新估算平移分量，經(jīng)過多次迭代、變換、擬合轉(zhuǎn)換矩陣，最后得到一個(gè)精確的變換矩陣。每條線的方程都是利用提取邊上的所有輪廓信息計(jì)算出來的，使用檢測(cè)到平行線的所有方程估算方向向量并找到二維碼的方向。

其次完成照相機(jī)的校準(zhǔn)。需要先用標(biāo)定好網(wǎng)格尺寸的紙板來校準(zhǔn)相機(jī)的檢測(cè)線，網(wǎng)格中所有交叉點(diǎn)的坐標(biāo)在相機(jī)和標(biāo)定網(wǎng)格紙板的三維坐標(biāo)一一對(duì)應(yīng)。因此相機(jī)的距離數(shù)據(jù)就有了物理上的對(duì)比，也就完成了標(biāo)定工作。在掃描二維碼圖像處理后，相機(jī)便能夠準(zhǔn)確識(shí)別二維碼和相機(jī)屏幕之間的實(shí)際距離，兩者之間的坐標(biāo)信息便可以轉(zhuǎn)換出來。若干基于二維碼的局部三維坐標(biāo)（Xt，Yt，Zt）和照相機(jī)屏幕坐標(biāo)（Xc，Yc）用于尋找透視變換矩陣P。相機(jī)屏幕坐標(biāo)為（Xc，Yc），則相機(jī)的坐標(biāo)（Xc，Yc，Zc）和二維碼坐標(biāo)（t，Yt，Tt）可以表示為式（7）。

式中：P是透視變換矩陣；f是焦距；sx是x軸方向上的比例因子；sy是在y軸方向上的比例因子；（x0，y0）是相機(jī)坐標(biāo)z軸通過的坐標(biāo)；C是由P和T組合得到的變換矩陣Tct。因?yàn)榇嬖诤芏鄬?duì)（Xc，Yc）和（Xt，Yt，Zt），已通過上述公式得到，可以估算矩陣C。然而，矩陣C不能分解為P和Tct，一般來說，因?yàn)榫仃嘋有11個(gè)自變量，但是矩陣P和Tct分別有4和6，所以P和T的自變量的和Tct不等于C中的一個(gè)。在P中加入一個(gè)標(biāo)量變量k，使這些數(shù)值等于式（8）。

式中變量k表示x軸和y軸之間的傾斜度。矩陣C可以分解為P和Tct。這樣抓手端相機(jī)能夠準(zhǔn)確掃描并解析到二維碼和攝像頭的相對(duì)位置，進(jìn)而在抓取前進(jìn)行動(dòng)作的二次校準(zhǔn)和確認(rèn)。

2 抓手機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)AGV抓手功能設(shè)計(jì)要求，充分研究原有AGV結(jié)構(gòu)組成及控制系統(tǒng)，如圖2所示。引用ECRS原則、變密度法優(yōu)化設(shè)計(jì)三維模型，如圖3所示。材料選用1060-H12鋁合金，使用SolidWorks分析單元優(yōu)化生物罐體AGV抓手［7-8］，如圖4所示。抓手組件包括抓手端相機(jī)、夾爪機(jī)構(gòu)、載物臺(tái)三部分組成。夾爪機(jī)構(gòu)主要由電動(dòng)伺服、行程開關(guān)支架、光電開關(guān)導(dǎo)軌、夾爪、夾爪外罩、鏡像夾爪、鏡像夾爪黃銅手指、夾爪回位彈簧等組成。具有翻折功能的載物臺(tái)組件包括低壓型伺服、防滑墊、托盤固定板、托盤支撐桿、齒輪、齒條等組成。上述三部分固定在AGV背板支架上構(gòu)成了抓手模組［9］，圖5為帶有背板的抓取目標(biāo)體示意圖。

抓手作業(yè)流程為：控制器輸入夾緊指令后，控制器輸出電信號(hào)給電動(dòng)伺服超寬型夾爪，伺服超寬型夾爪控制調(diào)節(jié)鏡像夾爪對(duì)生物罐體進(jìn)行夾緊，手指采用雙錐形、內(nèi)嵌糾偏彈簧能使夾爪手指與生物罐體兩側(cè)的凹槽完全貼合；接著，控制器上輸入翻轉(zhuǎn)指令，控制器傳輸電信號(hào)給外力翻轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)低壓型伺服交流電機(jī)，進(jìn)而外力傳輸給翻轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)載物臺(tái)托盤固定板進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，托盤固定板上貼設(shè)防滑墊，能夠增加生物罐體和載物臺(tái)之間的摩擦力，減少物品出現(xiàn)晃動(dòng)，完成夾取作業(yè)。

3 有限元分析

抓手在作業(yè)時(shí)有夾緊和夾起兩種工作狀態(tài)，夾緊時(shí)由電動(dòng)伺服超寬型夾爪施加加持力，靜力學(xué)分析主要針對(duì)抓手在夾起工作狀態(tài)下的應(yīng)力變化及變形情況分析。

夾緊狀態(tài)：機(jī)器人主要依靠左右兩側(cè)夾爪夾緊生物罐體，如圖6所示。動(dòng)力采用電動(dòng)伺服超寬型夾爪FYE90－370，如圖7所示。由表1所示參數(shù)可知夾持力有效值為F=680N，夾持點(diǎn)距離L=264mm，手指的接觸面積S=1.317×10-4 m2，夾持接觸應(yīng)力 P=F/S=0.516MPa，工作壓力為0.516MPa，夾爪手指限制6個(gè)自由度。

3.1 夾爪材料屬性

夾爪材料參數(shù)如表2所示。

3.2 施加載荷和約束

1）夾起狀態(tài)。夾爪在夾起狀態(tài)下，夾爪主要承受生物罐體的重力，罐體極限載荷為20kg，運(yùn)用SolidWorks軟件分析模塊進(jìn)行靜力學(xué)的應(yīng)力及位移變形情況。

2）施加約束。電動(dòng)伺服超寬型夾爪左右連接兩個(gè)夾爪，背面固定施加約束FixedSupport。

3.3 結(jié)果分析

夾爪的等效應(yīng)力分布如圖8所示，位移變形分布如圖9所示。

4 結(jié)語

研究成果表明：AGV抓手在到達(dá)柜體前采用激光導(dǎo)航發(fā)揮了結(jié)構(gòu)小、定位精度高和路徑靈活多變的優(yōu)勢(shì)。在到達(dá)柜體附近后切換成二維碼導(dǎo)航提高了定位精度，便于通信，克服了聲光干擾，適用于不同環(huán)境下的組合導(dǎo)航。相比單一導(dǎo)航有明顯優(yōu)勢(shì)，是一種成本低、精度高且適應(yīng)性強(qiáng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。另外對(duì)抓手機(jī)構(gòu)采用ECRS原則、變密度法優(yōu)化設(shè)計(jì)，夾持動(dòng)力由氣動(dòng)改為交流伺服控制，載物臺(tái)由翻折板代替，使得整個(gè)機(jī)身縮減空間及降低機(jī)身整體質(zhì)量，簡(jiǎn)化了機(jī)構(gòu)并提升了抓手工作范圍。對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果說明本設(shè)計(jì)提高了應(yīng)用性能，縮短了工作周期，降低了制造成本，符合設(shè)計(jì)要求。

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