廖文龍 吳漢斌 熊鑫

【摘 要】時代的今天，智能科技產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，我國已進入工業(yè)4.0的時代。智能制造已經(jīng)成為生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展方向，其核心是工業(yè)機器人。在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用機器人可以提高產(chǎn)品的運輸效率和降低工人的勞動強度。為工業(yè)機器人配備視覺引導(dǎo)系統(tǒng)可以大大提高機器人對外部世界的感知和識別處理能力，對實現(xiàn)工業(yè)的智能化具有十分重要的意義。本文以智能機器人為主題，給機器人加以機器視覺輔助，設(shè)計出可智能移動自動分揀依靠機械手臂搬運貨物的機器人。

【關(guān)鍵詞】移動機器人；機械臂；工業(yè)智能；機器視覺

一、研究目標(biāo)

我國目前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級壓力大，勞務(wù)成本開銷大。為了減輕這種情況，通過研究具有良好經(jīng)濟效益的、制作成本低的機器人來代替一部分勞動者，減輕企業(yè)負(fù)擔(dān)和降低工人勞動強度。本次研究基于圖像處理的自動分揀機械臂，目標(biāo)就是通過輔助配置OpenCv開源視覺庫設(shè)計一個圖像識別的機械臂，構(gòu)建完整的一個機械臂自動分揀系統(tǒng)。使之可以在主控芯片和核心操控下，運用機械臂搬貨貨物到指定的地點，完成工作任務(wù)。

二、研究的主要內(nèi)容

自動分揀智能移動機器人主要依靠機械臂進行分揀、搬運貨物并送達到指定的位置。為實現(xiàn)這一完整功能，我們要學(xué)習(xí)研究的目標(biāo)主要有學(xué)習(xí)機器人的控制、機器人對于機械臂的智能控制、圖像識別與處理技術(shù)以及圖像識別將信號傳送至機器人進而控制機械臂的聯(lián)動控制技術(shù)，聯(lián)動控制部分目前準(zhǔn)備采用嵌入式的方法處理。那么其主要內(nèi)容可以分為以下4點：

（1）研究了解機械臂的機械特性，主要的關(guān)節(jié)連接及其工作方式，控制舵機及位置傳感器的安裝。

（2）機械臂的數(shù)學(xué)建模及控制程序的設(shè)計，研究機械臂的空間立體坐標(biāo)到二維平面的轉(zhuǎn)換算法及建模，通過程序設(shè)計實現(xiàn)機械臂的閉環(huán)控制。

（3）基于視覺的圖像識別與抓取，究圖像識別技術(shù)及常用的相關(guān)算法，機械臂能識別不同的物品并將不同的物品搬運到指定的位置。

（4）基于嵌入式平臺對機械臂的聯(lián)動控制系統(tǒng)進行試驗、分析和研究。

三、國內(nèi)外現(xiàn)狀的調(diào)查研究

近些年來，智能工業(yè)機器人一直是科學(xué)家的研究重點和熱點，將工業(yè)機器人與機械、電子、機器視覺、計算機、仿生物學(xué)、傳感器和通信網(wǎng)絡(luò)等多個學(xué)科領(lǐng)域相結(jié)合，使工業(yè)機器人的智能化程度更高，功能也更加豐富和強大，能更加靈活的完成復(fù)雜、多變的任務(wù)。同時，還要將多個工業(yè)機器人共同協(xié)動去完成特定的工作任務(wù)。此外，工業(yè)機器人還有可能向醫(yī)療器械等更加精密的方向發(fā)展，這就對工業(yè)機器人有了更高的要求。

智能分揀機器人的技術(shù)還體現(xiàn)在物流運輸上。倉儲物流機器人，以Amazon為代表的電商巨頭功不可沒。由于業(yè)務(wù)量的增長，用戶對物流發(fā)貨的速度要求更高，用機器人可以幫助電商巨頭們減少訂單處理的時間。此外，Amazon在2012年收購了Kiva Systems后已經(jīng)在其全美的倉庫中部署了1.5萬臺的機器人，每年節(jié)約成本將近10億美元，這一示范效應(yīng)也推動了近期倉儲物流機器人的走高。中國對于智能機器人的發(fā)展也不甘落后，目前國內(nèi)大的電商和快遞公司都進行了智能分揀機器人的設(shè)計研究，如2017年初亮相山東臨沂的申通快遞機器人，如圖1所示。

在國內(nèi)外良好的研究土壤下，本項目團隊也對智能分揀機器人進行了設(shè)計研究。

四、系統(tǒng)的整體設(shè)計

本設(shè)計主要從三個方向展開，機械臂機械框架的搭建、機械臂控制算法的建模與實現(xiàn)、基于視覺的圖像識別與抓取技術(shù)。以STM32F103系列的32位單片機做為主控芯片，它具有強大的定時器，可以完成對機械臂的控制，具體的是用產(chǎn)生控制機械臂的PWM信號。該系列單片機目前最新型號的管腳數(shù)量已經(jīng)達到144Pin，所以用來控制機械臂的相關(guān)伺服電機及傳感器信號的采集綽綽有余。

在整個設(shè)計中，機械臂是一個一個執(zhí)行機構(gòu)，也是機械設(shè)計要求比較高的設(shè)計環(huán)節(jié)。機器臂具有兩個部分：控制部分和直接進行工作的部分，控制系統(tǒng)通過編程，決定直接工作的機器臂部分。由于采用程序控制，所以很容易根據(jù)需要改變其工作方式和任務(wù)。設(shè)計的機械臂需要有一定的負(fù)重功能和抗損耗特性，在確保這些要求的前提下應(yīng)盡量簡化機械臂的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。本項目機械臂主要由手部、手臂、立柱、機座幾部分組成，因此機械結(jié)構(gòu)設(shè)計較為復(fù)雜。本系統(tǒng)擬用的機械臂是一個四自由度機械臂，并在機械末端的機械手爪處安裝壓力傳感器，用于檢測機械臂用于抓取的物品的力度，從而感知物品是否已經(jīng)抓穩(wěn)。

在控制機械臂的運行軌跡方面，我們也做了一系列的優(yōu)化設(shè)計。對關(guān)節(jié)軌跡的執(zhí)行時間進行歸一化處理，并在此基礎(chǔ)上提出一種五階關(guān)節(jié)運動軌跡插值算法，充分滿足軌跡給定的約束條件，保證關(guān)節(jié)位置軌跡、速度軌跡和加速度軌跡的連續(xù)性。通過理論分析和仿真驗證了關(guān)節(jié)軌跡的時間起點和執(zhí)行時間對關(guān)節(jié)運動軌跡曲線的影響。在此基礎(chǔ)上，以避免超調(diào)量、能耗最小、軌跡最平滑等指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，計算關(guān)節(jié)軌跡執(zhí)行時間的最優(yōu)解集。該方法保證了機械臂的運行效率和機械精度。機械臂的設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

五、實驗與論證

我們以在棋盤上散落的棋子為例進行了實驗驗證。棋盤上的棋子包括象棋、五子棋和中國軍旗，設(shè)定了三個不同的存放倉庫。記錄機器人分揀搬運棋子數(shù)量、速度和精度。本實驗中共放置棋子30枚，其中各種棋子各10枚。結(jié)果顯示，機器人的機械臂運轉(zhuǎn)良好，抓取精度高，速度快，30枚棋子全部分揀無誤并放置到各自設(shè)定的倉庫中，所以時間為37分鐘，符合設(shè)計原先預(yù)想的結(jié)果，證明了該機器人設(shè)計的行之有效和機器人機械臂的優(yōu)化算法的有效性、可靠性。

六、總結(jié)

在本設(shè)計中，機械臂作為機器人的核心部件，其運行的速度和準(zhǔn)確性直接決定了設(shè)計質(zhì)量的好壞，對機器人機械臂的核心控制依賴于STM32F103系列的芯片，實現(xiàn)了對機器人機械臂的智能控制。未來的設(shè)計思路不但要對機械臂的結(jié)構(gòu)做出更加合理優(yōu)化的設(shè)計，還應(yīng)考慮陣列機器人的分工合作的高效性。