基于stm32的物流機器人設計

王洪璽

（山東省淄博第四中學，山東淄博，255100）

0 引言

近幾年來，國內物流機器人產業的高速增長從根本上提升了物流體系的運行效率，對中國制造業帶來深遠影響。隨著物流行業的日益發展，物流搬運市場對物流運力的要求也日益增加，如果僅僅依靠人力來搬運貨物，不僅工作效率低，而且人力成本大大增加，因此人力運貨已經遠遠不能滿足市場的需求[1]。鑒于這樣一種現狀，本人在參加了Robomaster2018機器人夏令營的過程中，作為小組的嵌入式成員，對小組設計的機器人進行延伸，從而設計得到一種集抓取、暫存、運輸物資等多功能于一體的物流機器人，這款物流機器人在提升搬運物資效率方面能夠發揮較大的作用。

1 系統概述

本文設計出一種車體靈巧、操作便捷、人機交互優越的智能物流機器人。本機器人采用STM32F427芯片作為主芯片，以滿足多功能任務處理。機器人外接碰撞傳感器和陀螺儀，可增加紅外測距傳感器以擴展自動對位功能，用來抓取、暫存、運輸物資。相機圖傳模塊發送端的前視相機模組采集機器人前方1080P@60hz的圖像，采集到的圖像實時傳送到相機圖傳模塊接收端。通過HDMI可接入顯示器，顯示器可以顯示實時圖像，亦可通過視頻采集卡接入到計算機。機器人由車體、人機交互、感受系統、驅動系統、機械結構系統組成。操作人員通過人機互動界面，來根據現場情況做出相應的操作。

2 機械結構設計

2.1 底盤設計

在實際物流物資運送的過程中，需要對物流機器人下達多項指令，并完成多個動作。因此，物流機器人的車體結構設計考慮應滿足在平整路面靈活運動。綜合以上所有技術要求，本設計車體底盤優選麥克納姆輪全向移動平臺。

麥克納姆輪采用的是全方位移動方式，它是基于一個有許多位于機輪周邊的輪軸的中心輪的原理上，這些成角度的周邊輪軸把一部分的機輪轉向力轉化到一個機輪法向力上面。 依靠各自機輪的方向和速度，這些力的最終合成在任何要求的方向上產生一個合力矢量從而保證了這個平臺在最終的合力矢量的方向上能自由地移動，而不改變機輪自身的方向。在它的輪緣上斜向分布著許多小滾子，故輪子可以橫向滑移。小滾子的母線很特殊，當輪子繞著固定的輪心軸轉動時，各個小滾子的包絡線為圓柱面，所以該輪能夠連續地向前滾動。

麥克納姆輪與普通輪子之前的區別主要在于：其圓周上分布有若干與輪子軸線呈45°夾角的輥子，在轉動過程中棍子可以一直與地面保持接觸。這些輥子可以獨立自由轉動，這樣一來，輪子只受地面對輥子向上的力，而輥子與輪子軸線呈45°夾角，因此輪子與地面的接觸力便不再是沿輪子的方向，而是與之呈45°角。由四個麥克納姆輪便可以組成不同的受力情況，從而使平臺可以實現平面上前后左右平移、原地旋轉三個自由度的移動[2]。

2.2 抓取結構設計

筆者團隊對基于stm32的物流機器人進行了精心的結構設計，最后得到基于stm32的物流機器人實拍圖如圖1所示。

2.2.1 抓取結構

抓取結構設計方案為：小機械臂夾取物塊兩個短邊后上升，大機械臂夾住物塊兩個長邊上升的物塊并且小機械臂松開，然后小機械臂進行第二塊物塊夾取并重復上述動作。優點：簡單方便，容易操作，可以儲存多個物塊。

圖1 基于stm32的物流機器人實拍圖

圖2 小機械臂結構圖

經過實驗表明，小機械臂結構的優點是 可以使用氣壓或電機驅動，能夠平行夾取物品，運行比較穩定，效率也較高。

經過實驗表明，大機械臂結構的的優點是可以使用氣壓或電機驅動，能夠平行夾取物品，運行比較穩定，效率也較高。其缺點是存塊達到一定數量時會因為摩擦力不夠而下滑。

2.2.2 升降結構

機器人采用絲桿升降的方式，絲杠升降有無背性，高剛性，高耐受性，傳動效率高等等優點，但是因為絲桿的不易固定和3508減速比的原因，使絲桿的特性沒法完全表現出來。如圖4所示。

圖3 大機械臂結構圖

圖4 升降結構

3 控制系統硬件設計

機器人以STM32F427芯片為核心的控制板來實現功能。機器人主要由控制板、傳感器、圖傳模塊、電機驅動模塊等組成。其主要任務是：通過遙控器接收端讀取操作信號，通過速度式pid計算出電流，并通過can總線發送到到底盤電機電調。大小機械臂可由氣壓驅動，也可改裝為電機或舵機驅動。控制小機械臂升降的絲桿由頂部3508電機驅動，通過速度位置雙環pid實現精確控制。讀取各個傳感器數值并將其傳送回操作端。傳感器能夠測得車體傾角、前后障礙距離等。升降機械臂具有緊急剎車能力，為了防止操作小機械臂升降時過度操作導致機械結構損壞，在小機械臂合理的升降范圍的上下邊界各放置一個碰撞傳感器，以實現限位。

4 抓取任務流程

機器人抓取線程如圖5所示，先進行初始化。初始化完成后進入循環，周期延時為5ms。

通過與副板通信實現對相機俯仰的控制，控制電機驅動絲桿從而控制小機械臂的升降。在小 機械臂運行到底部或頂部時，先停止升降以保護結構，后通過判斷大小機械臂的狀態，自動判斷夾取、放置、呈遞或交接物資。具體判斷方法是：通過一個兩元素數組分別存儲大小機械臂中的物資數量，在每一次機械臂操作時（包括自動操作和應急操作）更新數組中對應元素數值。接下來，處理可能出現的應急處理命令，最后以長為5ms的延時結束本次循環。

圖5 機器人抓取線程

5 小結

筆者基于STM32F427單片機及麥克納姆輪全向移動平臺的集抓取、暫存、運輸物資等多功能于一體的物流機器人，其主特點是:可實現多功能任務同時處理、使用便捷、工作效率高。對于物流機器人的設計具有一定參考價值。相信在不久的將來，筆者可以研發一款智能物流機器人，通過攝像頭、激光雷達等硬件支持，通過導航算法，構建機器人周圍環境的三維地圖，使機器人布置路徑更加靈活，調試更加容易。