自動分揀機械臂智能移動機器人的設計研究

廖文龍 吳漢斌 熊鑫

【摘 要】時代的今天，智能科技產業飛速發展，我國已進入工業4.0的時代。智能制造已經成為生產制造業的發展方向，其核心是工業機器人。在工業生產中應用機器人可以提高產品的運輸效率和降低工人的勞動強度。為工業機器人配備視覺引導系統可以大大提高機器人對外部世界的感知和識別處理能力，對實現工業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。

【關鍵詞】移動機器人；機械臂；工業智能；機器視覺

一、研究目標

我國目前傳統產業轉型升級壓力大，勞務成本開銷大。為了減輕這種情況，通過研究具有良好經濟效益的、制作成本低的機器人來代替一部分勞動者，減輕企業負擔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，目標就是通過輔助配置OpenCv開源視覺庫設計一個圖像識別的機械臂，構建完整的一個機械臂自動分揀系統。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。

二、研究的主要內容

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。為實現這一完整功能，我們要學習研究的目標主要有學習機器人的控制、機器人對于機械臂的智能控制、圖像識別與處理技術以及圖像識別將信號傳送至機器人進而控制機械臂的聯動控制技術，聯動控制部分目前準備采用嵌入式的方法處理。那么其主要內容可以分為以下4點：

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

（2）機械臂的數學建模及控制程序的設計，研究機械臂的空間立體坐標到二維平面的轉換算法及建模，通過程序設計實現機械臂的閉環控制。

（3）基于視覺的圖像識別與抓取，究圖像識別技術及常用的相關算法，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動控制系統進行試驗、分析和研究。

三、國內外現狀的調查研究

近些年來，智能工業機器人一直是科學家的研究重點和熱點，將工業機器人與機械、電子、機器視覺、計算機、仿生物學、傳感器和通信網絡等多個學科領域相結合，使工業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雜、多變的任務。同時，還要將多個工業機器人共同協動去完成特定的工作任務。此外，工業機器人還有可能向醫療器械等更加精密的方向發展，這就對工業機器人有了更高的要求。

智能分揀機器人的技術還體現在物流運輸上。倉儲物流機器人，以Amazon為代表的電商巨頭功不可沒。由于業務量的增長，用戶對物流發貨的速度要求更高，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后已經在其全美的倉庫中部署了1.5萬臺的機器人，每年節約成本將近10億美元，這一示范效應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展也不甘落后，目前國內大的電商和快遞公司都進行了智能分揀機器人的設計研究，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計研究。

四、系統的整體設計

本設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、基于視覺的圖像識別與抓取技術。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量已經達到144Pin，所以用來控制機械臂的相關伺服電機及傳感器信號的采集綽綽有余。

在整個設計中，機械臂是一個一個執行機構，也是機械設計要求比較高的設計環節。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，所以很容易根據需要改變其工作方式和任務。設計的機械臂需要有一定的負重功能和抗損耗特性，在確保這些要求的前提下應盡量簡化機械臂的結構復雜性。本項目機械臂主要由手部、手臂、立柱、機座幾部分組成，因此機械結構設計較為復雜。本系統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抓穩。

在控制機械臂的運行軌跡方面，我們也做了一系列的優化設計。對關節軌跡的執行時間進行歸一化處理，并在此基礎上提出一種五階關節運動軌跡插值算法，充分滿足軌跡給定的約束條件，保證關節位置軌跡、速度軌跡和加速度軌跡的連續性。通過理論分析和仿真驗證了關節軌跡的時間起點和執行時間對關節運動軌跡曲線的影響。在此基礎上，以避免超調量、能耗最小、軌跡最平滑等指標作為優化目標，計算關節軌跡執行時間的最優解集。該方法保證了機械臂的運行效率和機械精度。機械臂的設計結構如圖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，設定了三個不同的存放倉庫。記錄機器人分揀搬運棋子數量、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。結果顯示，機器人的機械臂運轉良好，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定的倉庫中，所以時間為37分鐘，符合設計原先預想的結果，證明了該機器人設計的行之有效和機器人機械臂的優化算法的有效性、可靠性。

六、總結

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