基于Arduino的智能物流機器人的設(shè)計與競賽

賀一烜 柏孟杰 鄭登華

摘 要：智能物流機器人是當(dāng)前機器人行業(yè)發(fā)展的一個分支，由機械、電子、控制等學(xué)科交叉而成，其中包括機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計、電路的設(shè)計、控制程序的編寫和調(diào)試等，這些因素影響著機器人的移動速度、定位的準(zhǔn)確性以及預(yù)期目標(biāo)達成的能力等。對于初學(xué)者或有一定基礎(chǔ)的愛好者如何快速入門，以及對于工程訓(xùn)練綜合能力競賽的相關(guān)策略，本文將做具體論述。

關(guān)鍵詞：Arduino;智能物流;機器人;競賽

Arduino是一款易于上手、功能齊全、[1]操作簡單的開源性電子設(shè)計平臺，其包含硬件（各種型號的Arduino開發(fā)板）和軟件（Arduino的開發(fā)環(huán)境）。目前，很多電子愛好者都以Arduino為核心，電機、傳感器等各種硬件為載體做出各種電子設(shè)計，市面上也有很多的以Arduino為核心的DIY電子設(shè)計。智能物流機器人的設(shè)計采用Arduino為控制核心，可以降低編程方面的難度，而且其豐富的功能又能滿足機器人的需要。目前，“中國大學(xué)生工程訓(xùn)練綜合能力競賽”，浙江省、四川省、黑龍江省等一些省級教育廳主辦的機器人競賽或工程訓(xùn)練競賽，都設(shè)有智能物流機器人這一競賽項目，對于此類競賽的應(yīng)對方法，以及利用Arduino如何進行具體的設(shè)計，本文將從以下三方面論述。

一、智能物流機器人的設(shè)計

智能物流機器人的功能在于可以通過從二維碼讀取區(qū)的二維碼，得到夾取物塊的信息和物塊的放置位置，夾取物塊并將指定的物塊送到目標(biāo)區(qū)域。機器人的設(shè)計主要分為底盤設(shè)計、機械手設(shè)計、電路設(shè)計以及控制程序設(shè)計。機器人的驅(qū)動方面多為直流電機和舵機，直流電機控制容易，舵機較大的扭力可以使機械手抓取物塊，直流電機的種類和舵機的型號視實際需求而定。

底盤結(jié)構(gòu)上通常為剛性結(jié)構(gòu)，底盤形狀根據(jù)輪子的數(shù)量和輪子的種類而定，通常有四輪底盤和三輪底盤，輪子通常有普通橡膠輪、全向輪、麥克納姆輪等。四輪底盤的形狀通常為長條形或者正四邊形，[2]采用普通橡膠輪時，輪以常規(guī)四驅(qū)車輪子分布方式安裝，采用全向輪或者麥克納姆輪時，輪通常以向底盤中心的十字線傾斜45°分布，且四個輪均以這兩條字線相互對稱。三輪底盤通常為圓形，三個輪三等分橫向分布在底盤邊緣，輪通常采用全向輪或麥克納姆輪。當(dāng)四輪底盤采用普通橡膠輪時，轉(zhuǎn)彎前往取料區(qū)或放置區(qū)時，容易在循跡路線上出現(xiàn)偏差，會使機器人無法自我調(diào)整并偏離路線，而采用全向輪或者麥克納姆輪時，可以直接使機器人的側(cè)向成為機器人的正向，原機器人的正向轉(zhuǎn)為機器人的側(cè)向，成功避免了普通橡膠輪機器人轉(zhuǎn)彎時容易產(chǎn)生偏差的問題。三輪底盤也避免了轉(zhuǎn)彎時的偏差問題，這種底盤轉(zhuǎn)彎時只需要原地轉(zhuǎn)動90°，即視為完成轉(zhuǎn)彎變向，且三輪底盤前進時只需要控制兩個電機的轉(zhuǎn)動，更便于對機器人各種情況的編程。

機械手的設(shè)計方面，因使用舵機去驅(qū)動機械手，建議設(shè)計機械手時的舵機使用數(shù)目越少越好。舵機本身具有一定的誤差，如果使用n個舵機，那么實際的誤差便是一個舵機的誤差的n次方，舵機的數(shù)目越少，實際具有的誤差便越少，則降低了機械手抓取時產(chǎn)生意外的可能性。機械手抓取的部位，可以加海綿或者橡膠等物體，增加抓取部位的摩擦力。

在電路設(shè)計方面，則要多考慮電壓和供電方面的問題。機器人里主要用到直流電機、舵機、攝像頭模塊、顯示屏、控制板、穩(wěn)壓模塊和傳感器等電路元件，再考慮到電路元件的自重和機器人機身重量，機器人運行電量消耗較大。所以盡量避免單電源供電，可以考慮準(zhǔn)備兩個電源，一個電源給機器人底盤的各個電路元件供電，另一個直接給機械手上的舵機供電。因底盤有幾乎全部的電路元件，給機器人底盤供電的電源，其電壓和電量要偏高些，給機械手供電的電源的電壓和電量可以適當(dāng)?shù)鸵恍榱吮阌跈z查故障的電路元件的連線，可以制作一PCB板，將電路元件和電源的布線集合在PCB板上，當(dāng)電路出現(xiàn)故障時，能快速檢查線路方面的問題，而且也使機器人的電路元件連接更加方便。Arduino控制板的拓展板也可以作為替換PCB板的一個選擇，但相比之下PCB板更加個性化。

控制程序設(shè)計方面，Arduino的開發(fā)支持C/C++編程語言，因此用戶可以通過C/C++語言來實現(xiàn)對機器人上的輸入模塊（傳感器、攝像頭）的信號的處理和輸出模塊（電機、顯示屏、舵機）的控制，以此來達到預(yù)期的目標(biāo)。目前智能物流機器人競賽中，參賽隊伍通常要根據(jù)賽道的實際情況設(shè)計出相應(yīng)的程序，機器人在二維碼讀取區(qū)域附近讀取二維碼上的信息，并根據(jù)二維碼上的信息，二維碼上有要抓取的物塊的顏色和放置的區(qū)域的信息，移動到物塊提取的區(qū)域，抓取指定的物塊，并攜帶物塊運送到指定的放置位置，同時機器人上的顯示屏要顯示要抓取的目標(biāo)和放置的路徑的信息。根據(jù)比賽要求的不同，程序視要求做出相應(yīng)的改變。機械手上的舵機也可以接在16路舵機控制板上與Arduino控制板串口通信，初學(xué)者可以通過這種辦法用16路舵機控制板的上位機直觀的控制舵機轉(zhuǎn)動的角度，來設(shè)計機械手的抓取程序。在二維碼信息讀取的方面，初學(xué)者也可以使用專門的二維碼讀取模塊，讀取的程序會比攝像頭的讀取程序簡單。但需要注意的是，有的二維碼模塊讀取后的數(shù)字信息直接賦予執(zhí)行命令的程序，可能會出現(xiàn)抓取指定物塊的程序無法執(zhí)行的情況，這時需預(yù)先設(shè)定一個變量，用這個變量來代替讀取完二維碼后返回的數(shù)值，這樣抓取的程序便可以執(zhí)行。例如，用“1”、“2”和“3”這三個數(shù)字生成二維碼，部分二維碼模塊讀取后返回的數(shù)值分別是“49”、“50”和“51”，那么定義三個變量int x，y，z，對應(yīng)三個數(shù)值，當(dāng)有數(shù)值返回時，便將“1”這數(shù)值賦予相應(yīng)的變量，下為一段示例：if（Serial.available（）>0）{delay（1）;ch=Serial.read（）;if（ch==49）{x=1;}if（ch==50）{y=1;}if（ch==51）{z=1;}}。

當(dāng)機器人制作完成后不斷調(diào)試的過程，對電路元件的消耗也是較大的。應(yīng)該備用一些零件和電路元件，當(dāng)出現(xiàn)問題時，及時將損壞部分更換，繼續(xù)調(diào)試。如果機械手采用的是舵機控制板和Arduino控制板串口通信，要注意給舵機控制板供電的電壓，舵機控制板相較于Arduino控制板更容易被電流燒毀。普通的直流電機相較于直流減速電機或者步進電機更容易被損壞，應(yīng)當(dāng)多備用一些。減速電機或者步進電機的金屬軸不能直接用手去觸碰，手上的汗液容易對轉(zhuǎn)軸位置造成腐蝕，影響電機的性能。電機的驅(qū)動模塊，如L298n電機驅(qū)動模塊，也比較容易損壞。除此之外，機器人各個接線部分要經(jīng)常檢查，機器人運行時很容易造成接線處松動，致使部分電路元件短暫失效。

二、智能物流機器人的調(diào)試

智能物流機器人的設(shè)計制作的完成，對一個完整的可以按照要求準(zhǔn)確執(zhí)行命令的機器人來說，只算完成了最基礎(chǔ)的部分。而后期的改良和調(diào)試，是更為主要的一部分。在競賽賽道上調(diào)試時，經(jīng)常會遇到很多種問題，例如采用循跡移動的機器人在直角時會偏離循跡路線、攝像頭或者二維碼模塊無法有效啟動去識別二維碼、機械手夾取物塊時突然松動等問題。對于這一類問題，通常要選擇排除法解決，從電路方面開始排查，很多時機器人出現(xiàn)故障都是因為線路松動或者電路元件損壞引發(fā)的，隨后再檢查機械結(jié)構(gòu)和裝配方面，檢查機械結(jié)構(gòu)是否損壞失效，最后是檢查程序問題，可能是程序中某一數(shù)值或循環(huán)邏輯出現(xiàn)了偏差。例如，采用循跡方式移動的機器人，在直角轉(zhuǎn)彎處第一次調(diào)試發(fā)現(xiàn)可以順利完成轉(zhuǎn)彎，而第二次卻偏離了循跡線。對于這種情況，可以先從電路方面開始檢查，確認接線無誤后，檢查電機情況，觀察正常通電的情況下左右兩個電機的轉(zhuǎn)速是否一致，如果電機本身沒有問題，在擰通過電機的長螺絲時不要擰過緊，螺絲擰過緊也會擠壓電機內(nèi)部的齒輪，使轉(zhuǎn)彎出現(xiàn)一定程度的偏差。如果此時問題依然存在，因機械結(jié)構(gòu)問題常出現(xiàn)在機械手上，可先不考慮機械結(jié)構(gòu)的問題，直接在程序中檢查問題，如在轉(zhuǎn)彎程序、循跡程序和延時設(shè)定等方面檢查。

因智能物流機器人的調(diào)試需要花大量的時間，所以調(diào)試時一定要有耐心。在不斷的調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題、解決問題并積累經(jīng)驗，以便于之后做類似的機器人時知道如何處理相似的情況。智能物流機器人主要執(zhí)行的功能就是移動、抓放、和視覺。多數(shù)競賽場地是網(wǎng)格狀場地，那么在機器人的移動方式方面，就要多加考慮，可以采用在網(wǎng)格狀場地循跡移動到目標(biāo)位置，那么在調(diào)試的過程中，如何優(yōu)化循跡程序，是一個重要的問題，這需要在不斷的循跡測試的過程中對部分數(shù)據(jù)微調(diào)，使機器人可以順利循跡。不僅如此，考慮到場地會反光，如何能讓循跡的傳感器準(zhǔn)確分辨循跡線也是一個重要的問題，這時需要在場地上對所有循跡的傳感器的靈敏度進行調(diào)整，使用于循跡的傳感器都可以準(zhǔn)確分辨循跡線，減少光線對傳感器的影響，傳感器在調(diào)試到最佳后盡量不要再加以改動，微小的改動都有可能使傳感器靈敏度受影響。移動方式方面，除了循跡移動，也可以選擇定位移動，即通過計算機器人出發(fā)點到目標(biāo)區(qū)域之間的距離以及輪子轉(zhuǎn)一圈所前進的距離，以此確定輪子需要轉(zhuǎn)動多少圈可以移動到目標(biāo)區(qū)域，在調(diào)試這種移動方式的機器人時，要準(zhǔn)確計算距離的大小，不僅如此，兩種移動方式都需要考慮機器人在目標(biāo)區(qū)域停止時會不會打滑這種情況，視情況用一些材料增加輪子的摩擦力。在抓放物塊的調(diào)試時，要時刻根據(jù)機械手的情況去修改，舵機的轉(zhuǎn)動角度要準(zhǔn)確測量再寫入程序里，不能讓機械手動作執(zhí)行過快，盡量將速度減慢，避免物塊在運輸?shù)倪^程中脫落以及在放置時不穩(wěn)而倒下。在調(diào)試視覺時，要注意攝像頭的識別距離，進行識別時，將機器人在自己調(diào)試的最適距離范圍內(nèi)。

三、智能物流機器人的競賽

完成智能物流機器人的設(shè)計制作和調(diào)試之后，最后的面對的就是相關(guān)競賽的發(fā)揮和策略。首先要找好隊員，隊員之間要相互協(xié)調(diào)，通常競賽為三人一組，一個人做機器人的結(jié)構(gòu)、一個人編寫機器人的程序、最后一人最好兩者都懂一些來做機器人的相關(guān)調(diào)試。機器人的機身多為有機玻璃板用激光切割機切割而成，控制板多數(shù)競賽沒有要求，可自由選擇。因Arduino有中文社區(qū)，相關(guān)資料更為豐富，其自身控制板操作簡單、種類多和功能足，所以Arduino控制板是一個很好的選擇，其中Arduino Mega2560控制板效果更好。有些競賽要求機械手與物塊接觸的全部零件需要用3D打印機打印出來，應(yīng)對策略可以調(diào)整機械手的抓取位置，在保證抓取效果不影響的情況下，減少與物塊接觸的部分，這樣會用最少的時間打印完零件，會有更多的時間進行現(xiàn)場調(diào)試。

競賽前，觀察賽道和各區(qū)域分布是否按照競賽規(guī)則上的圖紙布置，現(xiàn)場光線的情況，如有問題，及時向場地維護人員提出申請。正式比賽前調(diào)試時，要充分利用好每一分鐘，大多數(shù)情況下賽前調(diào)試的時間很短，此時盡量不要再修改機器人的程序了，需要的是依靠參賽選手備賽過程中調(diào)試時的大量經(jīng)驗積累來應(yīng)對賽前調(diào)試的突發(fā)情況。最后，良好的心理素質(zhì)關(guān)系到競賽時水平的發(fā)揮，不要過于緊張，調(diào)整好狀態(tài)，穩(wěn)定發(fā)揮出備賽時的水平。

四、結(jié)語

智能物流機器人的設(shè)計并不是很困難，但是要將其制作出來，應(yīng)用在比賽中，取得優(yōu)異的成績，也絕非易事。競賽時，考驗的是隊伍成員之間的相互配合，共同將機器人完成，而不是全由一個人負責(zé)。遇到特殊情況時，要保持冷靜，多方面考慮。

參考文獻：

[1]梅蓉.淺析Arduino單片機智能小車設(shè)計[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2019（02）：123-124.

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作者簡介：賀一烜，就讀于西南石油大學(xué)本科二年級學(xué)生，常參與機器人類相關(guān)競賽，單位是：西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院。