一種自動感應定位的物品接收機器人的設計

陳暄

摘 要 本文從實際研究出發，闡述了一種物品接受機器人的設計過程，從主要功能，軟硬件設計以及物品接受機器人的路徑進行了分析，最后通過實驗說明本物品接受機器人具有很好的適應性。

關鍵詞 工業化 機器人設計 路徑規劃

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A

0引言

機器人是目前工業化研究領域的一個重要發展方向，伴隨著科技的發展和社會的需求，隨著相關技術的不斷發展，具有服務性質的機器人領域必將創造一個巨大的應用市場，帶來一個新的經濟增長機遇，因此世界范圍內的科技強國都十分重視服務類型的機器人技術的研究。本文主要闡述了一種在工作和生活中很多接物裝置（所謂接物裝置主要指用來接納物品的一種裝置，比如工作和生活中最使用的垃圾桶等這類產品）的情況，發現這些接物裝置幾乎都是長期處于靜態行為的一種被動的接收的狀態。以目前普通的接物裝置作為研究的對象，將思路擴展到移動智能的接物裝置的設計中.本文將自動感應定位技術、路徑避障選擇算法和無線充電技術進行結合，研究出可以一種自動感應定位的物品機器人。

1物品接受機器人主要功能

1.1機器人功能分解和展示

根據項目開發的要求，項目功能分為三個部分，第一個部分功能是自動感應從空中落下的物品，第二個部分功能是自動能夠尋找到無線充電電源并進行充電，第三個部分功能是機器人能夠在任意方向進行移動，并能夠躲避障礙物。

1.2設計實施流程

接物機器人實施主要分為4個部分，第一個部分是電源監控，主要是對機器人的電源進行動態管理，一旦出現電量不足就會自動進行無線充電；第二個部分接收物體和避開障礙物的設計，主要是通過24L01接收數據并利用微波感應器掃描物體位置，做好接收準備。第三部分是算法進行判斷運動方向，并傳遞信號給電機帶動機器人轉動。第四部分是前進或者后退中遇到障礙物進行自動避障設計。

2物品接受機器人的軟硬件設計

2.1硬件部分開發

硬件部分開發主要分為自動感應定位技術開發，無線充電技術的開發以及定位GPS三個部分的開發。自動感應定位技術開發主要是通過調試無線電波對物體反射頻率改變確定物體物質和運動軌跡；無線充電技術的開發就是電磁感應傳輸電能，使用專有的雙向通信協議，固定頻率，監視無線充電設備的通信并按照充電設備空閑和“充電完成”期間低待機功耗的反饋來調整施加到發送器線圈上的電源，完成充電；定位GPS建立一個定位系統，通過GPS模塊接收信號，計算出裝置半徑位置，達到定位。

2.2軟件部分開發

軟件部分開發一部分是采用A*算法來進行繞開障礙物的算法設計，另一個部分是自動感應定位物體的PID算法的設計、無線數據發送與接收算法設計。其中自動感應定位物體的PID算法的設計裝置準確接收物體，通過微波感應器定位物體高度h和偏離半徑r與角度a進行重力加速度g做線性積分計算，通過單片機對數據計算處理，確定物體下落點，驅動電機讓裝置提前移動到著落點；無線數據發送與接收算法是一個雙向通信方式，通過相同頻段編碼把需要發送數據發送出去，再通過解碼器在同一頻段上接收信號，達到數據雙向交流設計。

3物品接受機器人路徑設計

3.1接物機器人路徑算法的工具

路徑規劃過程中使用了柵格法，這種方法主要將接物機器人的工作環境模擬為柵格地圖，然后對其工作空間進行數學建模。在柵格地圖中，將接物機器人的工作空間轉換為平面的二維數組，且障礙物的位置和體積一旦確定后將無法發生改變。在柵格地圖中，先設定單個網格的邊長為R，每一個網格的面積為W=R*R，W是一個網格，因此W就被劃分為體積相同且邊長為RL的正方形柵格工作間。

通過柵格方法來描述環境空間，柵格的標識是必不可少的，本文采用直角坐標系方法來解決柵格的位置，序號法采用柵格的標號問題。在直角坐標系中，設定W為坐標原點，X代表水平位置，定義向右為正，當向右的時候，X表示的值越大。相同的Y類似，設定向上為正方向，隨著向上的方向延伸，Y的值越大，因此每一個柵格都可以采用固定的X和Y進行確定。所以，直角坐標（X，Y）可以用來表示任何柵格。在序號法中，根據柵格矩陣，從左上角第一個柵格開始，對每一個柵格進行標號，標號的順序從左到右，從上到下。通過這兩種方法對柵格進行標記，因此設定Height為空間的高度，Width為空間的寬度，因此對應關系為

其中，X代表恒坐標，Y代表縱坐標，Num代表采用序號法得到的序號，M和N表示二維空間中柵格行數與列數，mod（Num，N）代表對Num取N的余數，int（Num，N）代表Num對N取整后的余數，△x表示柵格與坐標軸建立的關系，每個柵格的寬度為Width/M，△y為柵格與坐標軸建立的對應關系，柵格高度為Heighe/N。

3.2基于A*算法的接物機器人路徑規劃流程

A*算法當用來在執行路徑規劃的時候通常使用2個表來實現節點的擴展和最優節點選擇，Start表用于保存搜索過程中的遇到的擴展節點，按照這些節點的代價價值從大到小進行排序，End表用于保存Start表中代價最小的可擴展點。接物機器人根據自身車體的大小當作為單個柵格尺寸匹配的點，設置h（n）為當前節（xn，yn）點和目標節點（xobj，yobj）之間的直線距離為：h（n）=。因此

基于A*算法中的接物機器人的規劃流程為：

步驟1：在數據空間中建立Start表和End表，其中Start表為起點，End表為障礙物點。

步驟2：選擇Start表中具有最小的f（n）節點x，存入End表。

步驟3：判斷節點x是否為目標節點，如果是目標節點，則之前的路徑就是最優路徑，否則，就不是目標節點，繼續執行節點x，生成后繼節點y。

步驟4：在Start表中建立后繼節點y，計算f（y）=g（y）+h（y）。

步驟5：當Start表中已經存在節點y的時候，就比較擁有不同指針的f（y）值的大小，否則就在Start表中接受節點y。

步驟6：更新g（y）和f（y）以及后繼節點y的指針。

步驟7：按照數值大小的正序排列，把f值在Start表中進行編排，返回步驟2。

接物機器人按照這樣的步驟通過對Start表中的評價函數反復選取，最終確定了其規劃路徑。

3.3實驗仿真

以自動感應定位物品機器人的路徑作為研究對象，采用文獻[4]中的機器人移動路徑，其中s是起點，d是終點。采用本文算法模擬一條可行的路徑。

4結束語

本文主要闡述了有關接受物品接受機器人的設計過程和原理，并對路徑規劃進行了相關的研究，通過實驗中說明了本文闡述的物品接物機器人設計具有良好的可行性，具有一定的推廣價值。

參考文獻

[1] 王曙光.移動機器人原理與設計[M].北京：人民郵電出版社，2013： 21-29.

[2] 盧路秋.基于模糊人工勢場法的多移動機器人路徑規劃研究[D].天津：天津工業大學，2016.

[3] 許源.結合粒子群算法和改進人工勢場法的移動機器人混合路徑規劃[D].杭州：浙江大學，2013.

[4] 徐兆輝.移動機器人路徑規劃技術的現狀與發展[J].科技創新與應用，2016（03）：43.endprint