基于“探索者”創(chuàng)新平臺的圖書搬運機器人設(shè)計與實現(xiàn)

韓洋HAN Yang；胡文雙HU Wen-shuang；趙華ZHAO Hua

（南陽理工學院智能制造學院，南陽 473004）

0 引言

現(xiàn)如今，全球多數(shù)圖書館都是采用人工方式進行圖書的存取和放置工作，但這種傳統(tǒng)的圖書管理方式既費時又費力。并且，圖書是人類記錄知識最有效的方式，隨著時代的進步，圖書的數(shù)量只會越來越多。因此，如何使圖書管理人員從繁雜的機械式勞動中解脫出來，以進一步提高圖書的管理效率以及降低圖書館日常運營成本，是一個亟待解決的問題。本文基于“探索者”創(chuàng)新平臺，設(shè)計了一種在圖書館場景下能夠自動識別、抓取、存放，且具備循跡、避障等功能的圖書搬運機器人。

1 圖書搬運機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計最終目的是機器人能夠在圖書館中完成圖書的自動搬運工作，解放人力勞動。因此，設(shè)計時需要考慮實際圖書館中書架的距離間隙、地面的斜度、高度以及光滑程度，同時考慮到機器人需要長時間代替人來完成機械運動，且圖書館環(huán)境相對安靜，還要對其續(xù)航時間和噪聲大小等提出要求，最終確定的機器人機械結(jié)構(gòu)主要技術(shù)指標如表1 所示。

表1 機械結(jié)構(gòu)主要技術(shù)指標

根據(jù)任務要求，本文設(shè)計的圖書搬運機器人機械結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，主要包含移動機構(gòu)、拾取機構(gòu)和輔助機構(gòu)等。其中移動機構(gòu)的任務是為機器人提供移動能力，完成轉(zhuǎn)向和續(xù)航指標；拾取機構(gòu)的任務是完成對于圖書的拾取和放置工作；輔助機構(gòu)的任務是輔助拾取機構(gòu)完成放置目的，彌補機器人自由度上的缺陷及提高機器人工作效率。針對不同的任務需求，利用模塊化的設(shè)計方式進行設(shè)計，提高設(shè)計效率的同時，有利于組織專業(yè)化生產(chǎn)、降低成本和提高質(zhì)量。

圖1 機器人機械結(jié)構(gòu)組成

1.1 移動機構(gòu)

移動機構(gòu)是圖書搬運機器人實現(xiàn)尋跡、避障等功能的基礎(chǔ)，也直接影響了其續(xù)航時間和運動靈敏度，輪式移動方式在經(jīng)濟和結(jié)構(gòu)上有著突出的優(yōu)勢，并滿足機器人技術(shù)指標。

輪式移動方式主要根據(jù)其所用車輪的數(shù)量來進行劃分，可分為三輪、四輪及多輪（五輪以上），其中五輪以上的多輪運動方式過于復雜，對于機器人的成本而言，得不償失。故運動方案在三輪和四輪之間進行選擇。

1.1.1 三輪式 一般的三輪式移動方式為兩個驅(qū)動輪加一個萬向輪的布置，此移動機構(gòu)簡單、緊湊，具有一定的承載能力和轉(zhuǎn)向能力，但其穩(wěn)定性較差，尤其是在轉(zhuǎn)向時容易發(fā)生側(cè)翻的情況。

1.1.2 四輪式 這是絕大多數(shù)移動機器所采用的運動方式，可分為雙電機驅(qū)動和四電機驅(qū)動。對于承載力而言，雙電機驅(qū)動和四電機驅(qū)動相差不大，但四電機驅(qū)動擁有更加強大的動力和更出色的續(xù)航能力。

圖書搬運機器人要在圖書館內(nèi)代替人進行圖書的存取和放置工作，所以需要較好的穩(wěn)定性、較高的承載能力和出色的續(xù)航能力，且增加兩個電機對于成本的影響不大，故選擇四輪驅(qū)動中的四電機驅(qū)動方式。

驅(qū)動電機是圖書搬運機器人的動力來源，也是最終決定機器人能否穩(wěn)定運行以及長時間續(xù)航的一個重要因素[1]。通過對驅(qū)動電機總驅(qū)動力和功率的計算，初步選擇驅(qū)動電機的型號[2]。

車輪與軸承間的摩擦力計算公式[3]：

式（1）中，P—車輪輪壓；D—車輪直徑；d—軸直徑；μ—車輪與軸承的摩擦因素。

式（2）中，N—正壓力；f—摩擦因素。

慣性阻力Wg的計算公式：

式（3）中，a—加速度；g—重力加速度；G—移動機構(gòu)總質(zhì)量。

式（5）中，f—車輪與地面的摩擦因素；N—機器人對地面的正壓力；D—車輪直徑。

式（6）中，v—驅(qū)動輪線速度；D—車輪直徑。

式（7）中，TL—驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T 代替；η—機械效率。

式（8）中，ta—加減速時間；G—車輪重量；D—車輪直徑。其中，

根據(jù)表1 中的技術(shù)參數(shù)，初步確定圖書搬運機器人重量為10kg，μ=0.01，d=6mm，D=64mm，可以得到圖書搬運機器人的總驅(qū)動力為

依據(jù)得出的總驅(qū)動力，可確定每個輪受到的驅(qū)動力為FL（R）=28.6N。

因此力矩Tf為

根據(jù)Tf的理論計算結(jié)果，最終選擇的電機型號為JGB37-520。

1.2 拾取機構(gòu)

圖書搬運機器人需要具有升降存儲以及自動拾取圖書的功能，因此確定拾取機構(gòu)由升降存儲臺、多自由度的機械臂和機械爪組成[4]。

機械爪作為末端執(zhí)行器，是機器人完成抓取功能最直接的部件。它需要仿真人類手部的運動方式，對物品進行拾取。由于圖書的橫截面積較小，故選用傳統(tǒng)的機械式夾取器。

本文設(shè)計的機械式夾持器為雙指手爪式，它依靠手爪的回轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn)夾取，屬于回轉(zhuǎn)型手爪。其工作原理為：用舵機帶動其中一邊的手爪零件運動，再通過齒輪嚙合帶動另一邊的手爪零件運動實現(xiàn)手爪的抓取動作[5]。且其末端夾取桿上配有多個M3 螺紋孔，方便后期對于夾取器的擴展和修改。

機械臂是模仿人類手臂的機械部件，它是機器人整體中自由度最多，控制難度最大的部位。在設(shè)計時，機械臂的結(jié)構(gòu)要盡可能的緊湊，采用強度高而質(zhì)量小的輕質(zhì)材料，安裝時，盡可能保持直線，使機械臂整體的重心在可控范圍內(nèi)，提高機械臂的控制精度。

設(shè)計的機械臂自由度越多，機械臂就越靈活，但控制難度也會相對增加。本文選擇4 自由度的機械臂外加一個旋轉(zhuǎn)云臺的方案。增加一個云臺，可以使機械臂的整體重心更加集中，底部安裝強度增強，利于控制和移動的穩(wěn)定性。

1.3 輔助機構(gòu)

為了方便圖書拾取，存儲臺應具有升降功能，利于改變位置高度。本文圖書存儲臺選用結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運動效率高、安全可靠的X 式剪叉式升降臺。同時在底部使用絲桿螺母傳動的方式，把電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為直行平動的方式，這樣不僅有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且可以提高電機傳動效率。

選用的電機需在絲杠受載情況下，帶動螺母進行穩(wěn)定前進，故對絲杠副的轉(zhuǎn)動慣量進行初步計算，根據(jù)所計算的數(shù)據(jù)來選用相對合理的步進電機。

實心滾珠絲杠副轉(zhuǎn)動慣量計算公式為：

因此將直線運動參數(shù)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)動慣量：

式中：m 為滾珠絲杠副的質(zhì)量；v 為滾珠絲杠副螺母的線速度；n 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速；p 為滾珠絲杠的導程。

初步確定參數(shù)m=2.24kg，v=0.24m/min，n=60r/min。將以上預估參數(shù)帶入式（16）中可求得J≈9.073·cm2。

根據(jù)所求實心滾珠絲杠副的轉(zhuǎn)動慣量，電機型號選用42HD1403 的電機。并依據(jù)STM32 的供電電壓為12V，故選用的電機符合所需電壓，且質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量均符合設(shè)計要求，故可以作為實際應用電機。

基于“探索者”創(chuàng)新平臺的圖書搬運機器人整體裝配三維模型如圖2 所示，搭建的實物模型如圖3 所示[6]。

圖2 機器人三維模型

圖3 機器人實物模型

2 圖書搬運機器人控制系統(tǒng)設(shè)計

圖書搬運機器人控制系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分，以STM32F103C8T6 為主控制器，在Keil uVision5 中編寫實現(xiàn)相應功能的程序。本文設(shè)計的圖書搬運機器人需要滿足循跡、避障、升降臺升降、機械臂運作、條形碼識別、蜂鳴器警示等功能。其控制系統(tǒng)設(shè)計框圖，如圖4 所示。

圖4 圖書搬運機器人控制系統(tǒng)設(shè)計框圖

2.1 路徑規(guī)劃

在日常取放書的過程中，難免會遇到障礙物，為了提高機器人的工作效率，給機器人加入了路徑規(guī)劃，以統(tǒng)一機器人的工作路徑，減少不必要的避障措施。本文選擇了口字形運輸路線，機器人會按照我們規(guī)定的口字形路徑進行運輸搬運。

2.2 超聲波避障

US-100 型超聲測距探頭在2cm 到10m 的范圍內(nèi)可實現(xiàn)高精度的無接觸探測，為機器人的避障工作提供了可靠的基礎(chǔ)。另外，它還配有溫度傳感器，可對超聲波模塊內(nèi)部電路進行溫度補償，使模塊精度更高且適應性更強，能夠準確地標定測量出的距離。

機器人通過實時更新的超聲波測距數(shù)據(jù)進行避障。當超聲波傳感器數(shù)據(jù)大于200mm 時，判定為無障礙，執(zhí)行循跡程序，當小于200mm 時，執(zhí)行轉(zhuǎn)向程序，具體為先后退一定距離，再轉(zhuǎn)向90 度。后退距離和轉(zhuǎn)向角度通過延時實現(xiàn)。轉(zhuǎn)向完成后繼續(xù)讀取超聲波數(shù)據(jù)并判斷，以此循環(huán)[7]。

2.3 紅外循跡

KEYES 紅外循跡傳感器模塊可以有效地檢測和跟蹤物體的運動軌跡，并且利用紅外線的反射率不同，將光線的強弱轉(zhuǎn)換為電流信號，從而實現(xiàn)對物體運動軌跡的實時監(jiān)測和跟蹤。當左右兩邊傳感器都接受到信號時說明黑線在車輪中央。這時候小車是按黑線正常行駛的，如果左邊的傳感器沒能識別到黑色線，那么左邊的傳感器就會給單片機一個信號，然后單片機發(fā)出指令讓左側(cè)的兩個輪子停止轉(zhuǎn)動，直到左側(cè)的傳感器識別到黑線，兩邊傳感器都能接收到信號時，機器人恢復正常行駛。

2.4 機械臂的抓取及升降臺的升降

機械臂對書本的抓取是通過單片機控制六個舵機實現(xiàn)的，本文選擇的是RDS3120 舵機，其特點是控制精確、線性度極佳，而且反應迅捷，可以滿足各種復雜的操作需求。需要多次調(diào)試機械臂的位置，以得到其運作的準確路徑。升降臺的升降由步進電機進行驅(qū)動，通過計算升降的距離以及絲杠螺母的位置，確保升降功能得到實現(xiàn)。

3 結(jié)論

本文基于“探索者”創(chuàng)新平臺，設(shè)計并制作了一種圖書搬運機器人[8]。采用多種傳感器進行環(huán)境信息的實時感知，配合路徑規(guī)劃，經(jīng)過反復調(diào)試，結(jié)果表明：在圖書館場景下該機器人能夠?qū)D書自動識別、抓取、存放，且具備循跡、避障等功能。但在多次實驗后，發(fā)現(xiàn)機器人耗電問題較大，且電機的噪聲還可以繼續(xù)減少，以適應圖書館相對安靜的環(huán)境。