帶機械手的兩輪視覺機器人的設計

勞振鵬 曾志彬 黃市生 吳國洪 陳學忠

（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；3.廣東石東實業（集團）公司，廣東東莞523000）

0 引言

隨著中國制造2025的提出，服務機器人成為了一個重點研究領域，現有的服務機器人常見的有四輪驅動式、兩大輪帶動兩小輪式、兩大輪帶動萬向輪式[1]，然而卻很少有兩輪自平衡的服務機器人。服務機器人需要往更加輕便靈活的方向發展，四輪驅動式的服務機器人并未具有很好的輕便靈活性。目前，大多數機械手都應用于固定工位的搬運工作[2]，很少將機械手與兩輪自平衡機器人的技術聯合起來。把兩輪自平衡技術、機械手、視覺識別技術與自動避障技術整合在一起，可以構造一種具有自動識別、夾取、搬運等多種功能的服務機器人，并應用到自動撿網球等領域。

針對以上問題，本文提出了一種帶機械手的兩輪視覺機器人的設計方案，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，機器人的結構包括自平衡車平臺、機械手臂、視覺與激光測距平臺。其中，自平衡車平臺包括輪子、大功率直流電機、底板、載板；機械手臂包括機械手本體Ⅰ、機械手本體Ⅱ、直流電機Ⅰ、機械手夾子、舵機；視覺與激光測距平臺包括Openmv攝像頭、激光測距模塊。

圖1 硬件結構設計圖

機器人的輪子與大功率直流電機連接，進一步地兩者通過電機固定片固定在底板的下方，兩個輪子對稱設置。載板設置在底板的上方，兩者之間用四個銅柱支撐，STM32智能車主板設置在底板的上表面，機械手臂設置在載板的上表面。機械手本體Ⅰ的傾斜結構與豎直方向成45°，機械手本體Ⅱ設置為四個邊角都鉸接的平行四邊形結構，機械手本體Ⅱ的短邊的兩個鉸接點與機械手本體Ⅰ連接。直流電機Ⅰ固定在機械手臂的一側，通過同步輪、同步帶聯動機械手本體Ⅱ。機械手夾子通過方形板與機械手本體Ⅱ的另一條短邊的兩個鉸接點連接，機械手本體Ⅱ擺動過程中，機械手夾子能一直保持水平狀態。舵機設置在機械手夾子的反方向，電機軸與機械手夾子螺旋連接。激光測距模塊設置在機器人正前方的中間偏下位置，通過第一層平臺的下表面固定，激光測距模塊的中心與網球球心在同一水平面上，Openmv攝像頭設置在激光測距模塊的正上方。

2 軟件系統搭建

通過搭建機器人的系統使其具有自動工作模式。機器人上電，電機驅動系統、視覺系統開始運行，初始化各個參數；自動工作模式下，使用彩色圖像寫入模式，關閉白平衡，進行綠色濾波，捕捉綠色目標，在未捕捉到綠色目標之前，機器人會通過慢速自旋轉一圈與移動固定的步長搜索綠色目標，直到成功捕捉綠色目標為止；進一步地對輸入圖像邊緣檢測，計算圖形的梯度，并確定圓周線，其中圓周的梯度就是它的法線[3]，在二維霍夫空間內繪出所有圖形的梯度直線，坐標點累加和的值越大，則該點上直線相交的次數越多，該點越有可能是圓心，在霍夫空間的4鄰域內進行非最大值抑制，設定一個閾值，霍夫空間內累加和大于該閾值的點就對應于圓心；當同時滿足綠色特征和圓形輪廓兩個條件，機器人確定其為綠色網球；進一步地，Openmv攝像頭根據圓心與圖像中心的位置偏差轉換成特定的編碼信息，通過串口通信傳輸給STM32智能車主板，從而輸出脈沖與方向信號控制電機，調整機器人正對著網球的中心，進一步地機器人直線向前走，當激光測距模塊檢測到正前方的距離等于預設的物體檢測距離（WL值），機器人停止前進，進一步地，STM32智能車主板控制機械手從上往下移動，旋轉固定的角度，張開的機械手剛好停在網球球心所在的水平面，機械手夾緊，實現夾取網球。

3 結語

本文所做的工作總結如下：第一，根據功能要求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。本文將機器人設計為兩輪移動式，結合自平衡技術，使得機器人的運動更具靈活性；將機械手與兩輪自平衡系統結合，有效擴大了機械手的應用范圍；融合了視覺識別技術與自動避障技術，整套機器人系統邏輯嚴密，具有較高的智能化程度。