貨物抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)

陳德麟 韓沛宇

摘 ? 要：隨著我國物流行業(yè)的快速發(fā)展，貨物的流動(dòng)性以及流量的大量增加都為倉儲(chǔ)行業(yè)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。而貨物抓取機(jī)器人可以有效地利用工作環(huán)境的空間，改善貨物的搬運(yùn)能力，有效地節(jié)約貨物裝卸搬運(yùn)需要的作業(yè)時(shí)間。在文中從系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能以及系統(tǒng)方案這兩個(gè)方面對貨物抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并分析了該貨物抓取機(jī)器人的特色，為貨物抓取機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：貨物抓取 ?STM32單片機(jī) ?機(jī)械臂 ?PWM控制 ?數(shù)據(jù)傳輸模塊

中圖分類號(hào)：G64 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（b）-0081-02

1 ?立題意義

我國物流行業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，貨物的流動(dòng)性和流量的增加對現(xiàn)代倉儲(chǔ)行業(yè)提出了更高的要求。為實(shí)現(xiàn)高效率的貨品出入庫管理，越來越多的機(jī)器人設(shè)備開始應(yīng)用于倉儲(chǔ)管理中[1]。

根據(jù)上述分析的機(jī)器人發(fā)展前景及物流行業(yè)未來發(fā)展方向，本文提出的設(shè)計(jì)一種具有手持終端控制和自動(dòng)控制兩種控制方式的貨物抓取機(jī)器人具有很強(qiáng)的研究價(jià)值和實(shí)際意義。

2 ?研究內(nèi)容

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)一款貨物抓取機(jī)器人。該貨物抓取機(jī)器人設(shè)置成手持終端控制和自動(dòng)控制兩種模式。該機(jī)器人以金屬底盤搭配四對負(fù)重輪作為運(yùn)輸工具，采用外置高增益天線，能夠更好地接收到信號(hào);能夠?qū)崟r(shí)視頻WiFi控制，實(shí)現(xiàn)第一人稱視角及控制;使用調(diào)速系統(tǒng)，可以更好掌控小車速度;安裝的四自由度機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)貨物的精準(zhǔn)抓取。

系統(tǒng)最終實(shí)現(xiàn)的主要功能如下：

（1）實(shí)時(shí)視頻WiFi控制功能，通過手機(jī)，電腦等通過WiFi連接機(jī)器人，在屏幕上實(shí)時(shí)觀看畫面以第一人稱視角控制機(jī)器人，以此來實(shí)現(xiàn)手持終端控制;

（2）路徑規(guī)劃功能，通過在電腦或手機(jī)上描繪路徑，機(jī)器人可以按照規(guī)劃好的路徑行進(jìn)，以此來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)控制;

（3）機(jī)械臂抓取貨物功能，采用四自由度機(jī)械臂，模擬人體手臂設(shè)計(jì)，舵機(jī)有防卡死功能，與控制軟件界面同步控制，自由度多，具有很大的靈活性，控制起來更加方便;

（4）躲避障礙功能，機(jī)器人同規(guī)劃路徑運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過傳感器采集信息并反饋給主控制板，主控制板發(fā)出信息使機(jī)器人避開障礙;

（5）云臺(tái)控制攝像頭功能，通過手機(jī)觸屏，可靈活地控制二自由度云臺(tái)上下左右?guī)?dòng)攝像頭轉(zhuǎn)動(dòng)，可以更方便地觀察目標(biāo)。

3 ?貨物抓取機(jī)器人系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

3.1 貨物抓取機(jī)器人系統(tǒng)硬件總體方案設(shè)計(jì)

貨物抓取機(jī)器人系統(tǒng)系統(tǒng)主要由STM32主控板、電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、Robot-Eyes攝像頭、WiFi視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊、二自由度視頻云臺(tái)和四自由度機(jī)械臂、金屬底盤組成。

STM32單片機(jī)作為控制核心，根據(jù)接收到的各模塊的數(shù)據(jù)信息，發(fā)送相應(yīng)控制指令。

WiFi視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊是利用無線技術(shù)進(jìn)行無線傳輸?shù)囊环N模塊，主要由發(fā)射器，接收器和控制器組成。

二自由度云臺(tái)是一種安裝、固定攝像裝置的支撐設(shè)備，用于攝像裝置與支撐物的連接，主要用于需要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像捕捉的場合或環(huán)境，是采集方式更方便直接，在需要搖擺和擺動(dòng)的機(jī)構(gòu)中，如機(jī)械臂也利用云臺(tái)來實(shí)現(xiàn)可接觸范圍的延伸和擴(kuò)展。

四自由度機(jī)械臂主體結(jié)構(gòu)有四個(gè)自由度，主要由旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，具有與人的肩、肘、腕相對應(yīng)的關(guān)節(jié)，更加接近于人的手臂。四自由度機(jī)械臂是本設(shè)計(jì)方案的重要研究對象。機(jī)械臂運(yùn)行軌跡追蹤控制技術(shù)主要包括自適應(yīng)控制，滑模變結(jié)構(gòu)控制，魯棒自適應(yīng)控制和模糊自適應(yīng)控制[3]和經(jīng)典PWM控制五大類。由于四自由度機(jī)械臂采用仿人類手臂設(shè)計(jì)，靈活度高，所以本設(shè)計(jì)方案對機(jī)械臂采用PWM控制，這種控制方法的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用8路舵機(jī)組成。

電源采用12V鋰電池組，對機(jī)器人進(jìn)行供電。

3.2 貨物抓取機(jī)器人軟件總體方案設(shè)計(jì)

貨物抓取機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)是按照模塊化的思想完成的，采用C語言編寫。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括基于STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)的主程序，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子程序、四自由度機(jī)械臂控制子程序，WiFi通訊子程序、手持終端控制子程序。

STM32單片機(jī)在處理傳感器采集的信息后，通過串口通信送達(dá)調(diào)用舵機(jī)控制器中的動(dòng)作指令，舵機(jī)控制器控制四自由度機(jī)械臂對貨物進(jìn)行抓取。

擬通過三個(gè)層面來實(shí)現(xiàn)上述功能：

（1）底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)層，以STM32單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對小車的驅(qū)動(dòng)控制。該層主要設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子程序和四自由度機(jī)械臂子程序。電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制子程序可以采用PWM算法實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)的控制。四自由度機(jī)械臂子程序中運(yùn)用PWM控制算法，使用PWM調(diào)速方式對各關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，采用外環(huán)位置環(huán)與內(nèi)環(huán)速率環(huán)的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，對各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方向，角度等進(jìn)行控制，以此來對機(jī)械臂進(jìn)行整體控制，實(shí)現(xiàn)對貨物的抓取。

（2）中層數(shù)據(jù)傳輸層，借助路由器平臺(tái)傳輸控制命令以及視頻傳遞。傳輸層是完成對控制命令的傳輸，是連接機(jī)器人和手機(jī)的橋梁，同時(shí)也負(fù)責(zé)視頻畫面的采集和編碼。該層主要設(shè)計(jì)WiFi通訊子程序。通過這個(gè)子程序可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸功能。

（3）頂層終端控制層，通過手持終端實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。采用eclipse編寫Android程序，程序共兩個(gè)Activity界面：設(shè)置界面和主程序界面。設(shè)置界面中設(shè)置服務(wù)器端IP，控制口號(hào)和視頻傳輸端口號(hào)[4]。主程序界面中有前進(jìn)/后退按鈕，按鈕用于向路由器端發(fā)送TCP數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)傳輸以實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的控制。

4 ?項(xiàng)目特色

本文設(shè)計(jì)的貨物抓取機(jī)器人，集實(shí)時(shí)視頻WiFi控制、四自由靈活抓取貨物機(jī)械臂、二自由度云臺(tái)搭載攝像頭于一體，可以設(shè)置手持終端控制和自動(dòng)控制兩種控制方式對貨物進(jìn)行抓取。STM32單片機(jī)，是一種較為先進(jìn)的單片機(jī)，不僅可以用寄存器進(jìn)行編程，還可以使用官方提供的庫文件進(jìn)行編程。實(shí)時(shí)視頻WiFi控制可以通過手機(jī)視頻實(shí)時(shí)了解機(jī)器人位置并對機(jī)器人進(jìn)行控制;選用四自由度機(jī)械臂，模仿人類手臂結(jié)構(gòu)抓取貨物更牢固;采用二自由度云臺(tái)搭載攝像頭，可以更靈活地控制攝像頭來采集信息;8路舵機(jī)控制器對機(jī)器人進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)更加靈活且動(dòng)力更加強(qiáng)勁，采用PWM控制技術(shù)對電機(jī)進(jìn)行控制可以大大節(jié)省能量，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性。綜上所述，該貨物抓取機(jī)器人的成本低，性價(jià)比高，操作方便快捷，可以大大節(jié)省人力資源，降低人力成本，同時(shí)提高工作效率，對物流行業(yè)發(fā)展乃至社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展起到一定的推進(jìn)作用。

參考文獻(xiàn)

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