柔性制造系統中智能運送機器人的設計與實現*

成文娟，陳銀樹，尹序臻，江永鑫

（廈門理工學院 電氣工程與自動化學院，福建 廈門 361024）

制造業是衡量國家綜合實力的重要標準，近年來隨著電子、汽車、快遞、電商等行業的發展，物流倉儲行業也得到了迅速發展。但是，由于訂單數量與種類激增使商品揀選任務繁重，從而導致出錯率高、成本高，甚至在特殊情況下，已經是人力所不及，可以說，傳統的倉儲系統面臨著諸多挑戰。

在“中國制造2025”的推動下，柔性制造業迎來了重大的發展，這也是構建未來智能工廠的基石[1]。對此，本文提出一種基于柔性制造系統的智能物料運送機器人的設計與實現，該機器人可自動識別需要搬運的物料并運送至指定目標區域。該機器人具有接受、規劃、協調和控制的功能，這對改進生產過程和實現管理的自動化，減少員工的工作量和失誤，提高勞動生產率及降低生產成本有至關重要的意義[2]。

1 系統整體方案設計

本設計以STM32F103C8T6作為控制核心，通過OpenMV機器視覺模塊掃描二維碼讀取工作地點的信息，利用STM32PWM設置定時器，控制PWM信號通過L298N驅動底部直流電機和控制前部機械手舵機，從而完成抓取、移動、卸貨等操作。機器人整體系統結構框圖如圖1所示。

圖1 智能運送機器人系統結構框圖

整體的技術路線具體如下：

⑴ OpenMV攝像頭實時捕捉二維碼的信息傳遞給單片機；

⑵ STM32F103C8T6單片機控制小車底部電機，到達抓取目標物料的位置；

⑶ OpenMV識別物料；

⑷ STM32F103C8T6單片機控制舵機，利用舵機的轉動執行帶動機械爪進行分離閉合，控制機械手抓取物品。

2 硬件設計

2.1 硬件模塊清單

智能運送機器人硬件模塊相關型號和參數具體見表1。

2.2 硬件設計

智能運送機器人的主框架主要以亞克力板為材料，直流電機選用“Z”字形減速馬達（24 V/540轉），為機器人留有足夠的安全裕度容量的同時提高兼容性，內置電壓轉換電路，即DC/DC模塊又充當了電壓變化器的作用，可將12 V鋰電池電壓降成5 V為STM32單片機及直流電機供電[3]。

該機器人的硬件電路主要包括：STM32F103C8T6、OpenMV機器視覺模塊、電機驅動模塊、基于LM2596S的DC-DC降壓模塊等硬件組成，硬件設計如圖2所示。

圖2 硬件電路圖

表1 智能運送機器人各硬件模塊及其參數表

3 軟件設計

本設計的軟件采用模塊化程序的設計思路，整體程序主要包括利用OpenMV視覺庫用Python書寫視覺庫和控制機器人的程序。視覺子系統又分為圖像采集子模塊、圖像預處理子模塊、圖像分析子模塊3個子模塊組成[4]。軟件部分主要為機械手舵機控制、底部移動小車電機控制以及圖像識別3部分。

3.1 機械手舵機控制

在系統程序初始化階段，需要配置TIM4和TIM3為PWM輸出模式2，使所用通道的預裝載通過配置T_period和T_prescaler得到輸出的PWM信號頻率為50 kHz，頻率計算方法為:

取T_period為2000-1，即1999，取T_prescaler為720-1，即719。通過改變T_puls即可控制舵機轉角，T_puls變化范圍在50～250 之間，若超出，很可能會永久損傷舵機，在調試時應當警惕。該智能物料運送機器人舵機控制流程圖如圖3所示。

3.2 底部移動小車電機控制

初始化4個引腳，每2個分別來控制其中的一個電機的方向，設置一個定時器來控制PWM信號占空比，tim=pyb.Timer(4，freq=1000)，即通過定時器來控制電機的左右轉。該智能物料運送機器人底部移動小車電機控制流程圖，如圖4。

3.3 圖形識別

圖像識別以OpenMV作為主體硬件識別。OpenMV搭載MicroPython解釋器，這允許在嵌入式上使用Python來編程(Python 3 to be precise)。Python是機器視覺算法的編程。

3.3.1 二維碼識別

二維碼識別采用軟件畸變矯正，對圖像進行畸變矯正，調用函數find_qrcode進行二維碼檢測。該智能物料運送機器人二維碼識別流程圖如圖5所示。

3.3.2 顏色追蹤

一個顏色閾值的結構是這樣的：red=(minL，maxL，minA，maxA，minB，maxB)。我們可以在閾值編輯器里將目標顏色變成白色，其他顏色全變為黑色。只需將所要追蹤的顏色閾值進行設定，便可成功進行識別所需色塊。該智能物料運送機器人顏色追蹤的流程圖如圖6所示。

圖3 舵機控制圖

圖4 底部移動小車電機控制

圖5 二維碼識別

圖6 顏色追蹤

4 系統測試和結果驗證

將程序燒入單片機后完成該智能運送物料機器人的組裝，作品如圖7所示。

圖7 智能運送物料機器人整體結構圖

圖8 二維碼識別圖

圖9 識別物料顏色

對該智能運送物料機器人的功能進行測試：首先，OpenMV掃描二維碼讀取信息，圖8為OpenMV成功識別二維碼；其次，OpenMV識別物料顏色，鎖定目標，圖9為OpenMV成功識別物料顏色；然后，STM32單片機控制機器人移動到目標物料的位置；最后，STM32單片機控制舵機、進而控制機械手抓取物品。

經測試，所設計的智能運送物料機器人可以掃描識別二維碼信息，準確的將信息傳送給控制中心。其能夠通過顏色追蹤快速準確的鎖定目標物塊，然后驅動機械手抓取物料，且在發現沒有符合要求的物料時，繼續尋找目標物料。物料機器人移動過程中整體運行穩定，抓取準確，功耗低。

5 結語

本文設計了一種基于柔性制造系統的智能物料運送機器人，該機器人具有掃描識別二維碼、顏色追蹤、機械手抓取物料、運送物料的功能。該機器人運用OpenMV模塊實現了掃描識別二維碼、顏色追蹤的功能。通過直流電機L298N來控制機器人停止、前進、左轉和右轉的功能。通過顏色追蹤發現目標物料， STM32F103C8T6控制舵機，讓機械手抓取目標物料。

與傳統的人工相比，本設計解決了人工耗資在生產過程中占比重大、物料種類繁多、效率低下等一系列問題，推進了物流業由勞動密集型產業向智能化產業轉型的發展。