一種具有示教作用的噴涂機器人的設計

陳金宇 黎梓恒 吳國洪 曾志彬

（1.東莞理工學院機械工程學院，廣東東莞523000；2.東莞市橫瀝模具科技產業發展有限公司，廣東東莞523000）

0 引言

隨著科技的發展，機器人技術的應用不斷被拓展[1]。戶外運動如籃球、羽毛球都是熱門的運動，由于諸多外力因素影響，戶外籃球場或羽毛球場的實線會隨時間推移發生模糊程度變大的情況。目前的場線修復主要采用純手工涂裝或非自動的機械涂裝方式[2]，非自動的機械涂裝方式雖比純手工涂裝效率高、精度好，但相對于采用機器人自動涂裝的方式，這兩者均表現為耗費更多的人力，耗時長，效率低，精度低。

針對以上不足，本文提出了一種噴涂機器人的設計方案，以應用于基礎設施的維護。本文將從機構設計方面與軟件系統搭建方面進行闡述。

1 硬件平臺設計

本文所設計的機器人結構如圖1所示，機器人高度約為0.5 m。機器人的動力部分為兩個直流電機驅動機器人的移動，42步進電機驅動球閥的開關，云臺電機驅動Openmv攝像頭的旋轉。直流電機通過聯軸器和帶軸的法蘭連接輪子，直流電機的轉速即輪子的轉速；直流電機通過電機固定件連接載板，左右兩邊對稱設置，構成一種兩輪移動平臺。42步進電機通過聯軸器連接球閥，通過電機固定件連接載板。云臺電機安裝在云臺電機座里，進一步地，通過兩個云臺電機卡件分別連接載板與相機座。

圖1 硬件結構設計圖

機器人的傳感器部分包括Openmv攝像頭、陀螺儀和激光測距模塊。Openmv攝像頭設置在相機座的下方，用于采集球場白實線的圖像；陀螺儀共計兩個，其一設置在stm32平衡車主板上，用于實時采集機器人的傾角信息，并反饋給stm32平衡車主板，進一步地控制直流電機進而調整機器人的姿態，維持其在平衡狀態；其二設置在相機座上，用于實時采集相機座的傾角信息，并反饋給stm32平衡車主板，進一步地控制云臺電機進而調整Openmv攝像頭的姿態，保持平穩地采集圖像。三個激光測距模塊分別設置在直流電機的下方，通過多個測距模塊固定件連接至電機固定件的側面，用于檢測障礙物的距離信息，及時反饋給機器人做出避障動作，保護電機和噴嘴不被撞壞。藍牙模塊設置在stm32平衡車主板上，用于機器人與移動端APP的連接，可以手動控制機器人與維護調試機器人。蜂鳴器設置在stm32平衡車主板上，當機器人檢測到障礙物時，蜂鳴器發出警報聲。

2 軟件系統搭建

采用噴涂機器人進行示教課程時，規劃各傳感器技術的優先級問題和觸發中斷使用問題。

機器人實際工作時，平衡車的機構平臺根據設置在stm32平衡車主板上的陀螺儀的角度數據，以直流電機為源動力，消除機器人平臺的傾角，維持平衡[3]；視覺平臺根據設置在相機座上的陀螺儀的角度數據，以云臺電機為源動力，消除Openmv攝像頭的傾角，維持平衡。

通過攝像頭獲取圖像和對圖像進行處理，根據所產生的坐標信息調節平衡車的姿態，讓攝像頭及平衡車始終跟著白線的中心移動，保證噴涂的精準度；識別白線在視覺的中央的方法為：通過攝像頭獲取圖像后，對圖像進行標定，然后對圖像進行閾值分割處理，得到只含白色區域（即白線）的圖像，而過濾掉無需處理的圖像部分；對已得到圖像通過邊緣檢測得到白線邊緣的外輪廓線，然后對輪廓進行篩選，剩下白線外緣兩條互相平行的長直線；根據兩條長直線可以得到其中心位置并畫出兩條平行線的中間線，再通過獲取其絕對坐標和相對坐標的位置，通過調節平衡車的姿態來移動攝像頭使得其相對坐標與絕對坐標重合，讓攝像頭始終跟著白線的中心移動，即機器人跟著白線的中心移動；或者，對已得到圖像通過邊緣檢測得到白線邊緣的外輪廓線，獲取每條線的端點坐標值，通過算法可以判斷得到的線條是平行還是垂直或者根據勾股定理是否能構成直角三角形來判斷白線的90°拐角，而對于白線末端的直角短線度進行剔除，避免對結果產生影響。

通過激光測距模塊檢測障礙物的距離信息和處理數據，根據障礙物的距離調節平衡車的運動、球閥的開關和蜂鳴器的警報，從而提醒及時清除路障，保證工作效率。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據目標功能對移動機器人進行了結構設計；第二，根據機器人的功能要求搭建了軟件系統。

本文所設計的噴涂機器人以平衡車主板為控制中心，利用陀螺儀判定平衡狀態，利用電機對噴涂機器人進行調整使其處于平衡狀態，然后利用攝像機獲得噴涂軌跡以指示噴涂機器人進行自動噴涂，可應用于基礎設施的維護。