視覺機械臂校園快遞系統的設計與實現

張立國，高海闊（通信作者），李 潔，吳杜歡，吳連松

（山東航空學院 山東 濱州 256600）

0 引言

近年來，隨著互聯網技術和電子商務的迅猛發展，校園快遞呈現出擴張的態勢，大學生的快遞需求日益增加。然而，當前校園快遞系統在實際運營中面臨諸多問題，如效率低下、安全隱患等。 因此，校園快遞的無人運輸成為必然的發展趨勢［1］。 同時，智能配送技術可以提高快遞業的效率、質量和安全性，節約資源、減少污染和保護環境［2］。 智能配送是快遞業發展的必然趨勢，也是應對電商行業競爭和人力成本壓力的有效策略。

針對上述需求，國內外眾多廠家積極推進無人機快遞配送系統的開發與應用。 2015 年，著名的機器人公司Starship Technologies 發布了名為Starship 的送貨系統。 該系統可以實現自主送貨，為配送企業提供便捷、高效、可靠的配送方案［3］。 新冠疫情期間，美團的無人配送系統“魔袋”正式上線于北京順義區。 該系統擁有3 個激光雷達、19 個攝像頭、2 個毫米波雷達和9 個超聲波雷達，可以實時感知從5 厘米至150 米范圍內360 度的環境［4］。 2016年阿里所研制的“小G”機器人投入使用。 該機器人能夠實時識別環境的變化，在復雜的行駛環境中識別出行人和車輛等實體，然后利用自適應粒子濾波算法根據當前識別的實體狀態進行準確的路徑預測，最后通過手機掃描來簽收快遞。 截至2021 年9 月，阿里的無人配送車已落地22個省份，超過一百多個高校和社區，累計訂單超過100 萬［5］。

當前的自動化快遞配送車普遍體積龐大，在取放環節仍依賴于人工，造成運營成本居高不下。 基于以上考慮，本文設計了一種基于單片機、攝像頭和機械臂架構的全自動校園快遞系統，實現從快遞識別、取放、消毒到運送的全部環節無人化管理。 該系統無需人員干預，有望進一步提升目前智能快遞配送系統的無人化程序，推動真正無人化快遞系統的實現。

1 系統總體設計

校園快遞系統包括主控模塊、掃描模塊、消毒模塊、傳感模塊、驅動模塊、光伏發電模塊與控制模塊。 主控模塊由STM32 單片機與TB6612FNG 驅動板構成。 STM32 單片機根據內置芯片與編程算法對各個模塊精確控制。TB6612FNG 驅動板能夠為單片機各個模塊提供穩定電壓，保障單片機與各個模塊的平穩運行。 掃描模塊由OpenMV H7 構成，與STM32 單片機直接連接，將掃描到的快遞包裹二維碼信息進行內置算法處理后，實時傳輸給STM32 單片機。 傳感模塊由八路灰度傳感器構成，驅動模塊由直流減速電機、麥克納姆輪與L295 N 電機驅動板構成。 兩個模塊共同完成校園快遞系統的路線識別，從而確保了校園快遞系統快遞包裹的精確運輸。 光伏發電模塊由光伏發電板與鋰電池組成。 鋰電池可實時為快遞系統供電，供電電壓12 V。 光伏發電板將光能轉化為電能，能夠實時為快遞系統供電以及為系統蓄電池充電。 光伏發電模塊為系統的續航提供保障。 控制模塊由6DOF 機械臂和相應關節的DS3230 數字電機組成，其主要功能是靈活控制快遞包裹。 當快遞包裹掃碼完成后，控制模塊會立即捕獲快遞包裹；一旦成功捕獲，控制模塊將快遞包裹夾送至消毒區進行消毒；當快遞系統運輸完成后，控制模塊可根據來自主控模塊的信號將不同快遞包裹進行分類放置。 控制模塊實現了校園快遞系統快遞包裹的精確配送。實物圖及其各硬件組成部分如圖1 所示。

圖1 實物圖及硬件組成

當快遞系統開始運行時，主控模塊首先對各模塊進行初始化操作。 隨后，控制掃描模塊開始掃描二維碼。 在接收到二維碼信息后，主控模塊對其進行處理，從而確定快遞包裹目標位置。 與此同時，控制模塊對快遞包裹進行捕捉，消毒模塊對快遞包裹進行消毒。當消毒作業完成后，控制模塊將快遞包裹放置到快遞系統快遞包裹放置區。 完成放置操作后，傳感模塊進行路線識別，確保快遞包裹的準確運輸。 當到達目標地點后，控制模塊對快遞包裹進行分類操作，確保快遞包裹精確配送。 分類操作完成后，系統原路返回并等待下一次操作。 當再次掃描到二維碼時，系統將重新執行上述操作。

2 系統模塊設計

2.1 掃描模塊二維碼識別功能的實現

本項目利用掃描模塊識別快遞包裹上的二維碼，將識別到的二維碼信息轉換為數字信息，以幀的格式發送給單片機，最終實現快遞包裹二維碼中的數據信息讀取，并將數據信息傳送給STM32 單片機進行處理。 在本項目中，模擬了9 個學生個人信息二維碼，并在每個二維碼中寫入數字1～9。 當帶有信息二維碼的快遞包裹進入系統掃描模塊的檢測范圍時，掃描模塊會識別快遞包裹上的二維碼，并讀取二維碼的數據。 隨后，將1～9 十進制數字信息轉換為二進制數字信息，并通過串行通信的方式傳輸給STM 單片機。 通過串行終端與Python 交互式命令共同作用，實現STM32 單片機與開源的機器視覺框架（open machine vision， OpenMV）的交互和控制。

2.2 消毒模塊自動消毒功能的實現

消毒模塊由光耦隔離繼電器、霧化片穩壓板和噴霧器（由外殼與霧化片組成）組成。 當掃描模塊完成快遞包裹二維碼掃描過程后，主控模塊將向控制模塊發送下一步的動作執行信號。 隨后，機械臂將夾取快遞包裹并將其送入消毒區。 當快遞包裹進入消毒區后，主控模塊會控制消毒模塊對快遞包裹進行消毒。 消毒模塊保證了校園快遞系統的安全性，并確保了校園快遞系統的防疫初衷得以實現。 消毒裝置采用繼電器與自動噴灑裝置組合完成，如圖2 所示。 當OpenMV 檢測到快遞包裹二維碼后，將信號傳送至主控模塊（STM32 單片機），經主控模塊信息處理后將控制信號傳輸給控制模塊與消毒模塊。 控制模塊將攜帶二維碼信息的快遞包裹運送至消毒模塊消毒區域內，然后主控模塊通過控制消毒模塊中的繼電器的開合來定時地控制噴灑裝置執行消毒作業。

圖2 消毒模塊的接線方式

2.3 機械臂控制功能的實現

機械臂控制功能主要通過運動學分析實現。 機械臂運動學分析旨在研究機械臂的運動特性，包括位置、速度、加速度以及正、逆問題。 其中，機械臂的位置正問題即正運動學，通過已知的關節角度進過計算獲得齊次變換矩陣，從而計算出末端的位姿。 由于機械臂的幾何參數復雜煩瑣，通常需要為各個連桿構建坐標系，并通過描述坐標系之間的關系來表達機械臂的幾何參數。 應用比較廣泛的是德納維特（Denavit）和哈滕伯格（Hartenberg）提出的D-H 模型。

2.3.1 六軸機械臂的結構設計及D-H 坐標系的搭建

本項目中機械臂具有五轉一平移的六個自由度，分別為肩關節、大臂關節、小臂關節、腕關節、腕部伸縮關節和末端旋轉關節。 根據D-H 模型的建立準則，結合機械臂的實際尺寸參數，對六自由度機械臂建立D-H 坐標系，如圖3 所示。 其中，基座標系｛0｝和坐標系｛1｝重合；坐標系｛1｝對應肩關節；坐標系｛2｝、｛3｝、｛4｝分別對應大臂關節、小臂關節和腕關節；坐標系｛5｝對應腕部伸縮移動關節；坐標系｛6｝對應末端旋轉關節。 本項目所有的機械臂動作都由該架構導出。

圖3 六自由度機械臂D-H 矩陣坐標系

2.3.2 舵機PWM 參數與旋轉角度關系的確定

經過測試與計算，確定系統機械臂各舵機旋轉角度與其脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）參數關系，如圖4 所示。 確定好參數后，在編程軟件中設置對應的PWM 周期和占空比，從而控制每個舵機的旋轉角度，以實現機械臂精確的運動。

圖5 部分動作的實物圖

2.3.3 機械臂主要執行動作的實現

本項目需要機械臂執行的主要動作包括：包裹捕捉、包裹消毒、包裹放置、包裹分類、高舉與復位等。 部分動作的實物圖如5 所示。

（1）包裹捕捉與包裹消毒

在檢測到快遞包裹二維碼后，機械臂進行包裹捕捉操作，所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——0°，舵機2——30°，舵機3——60°，舵機4——90°，舵機5——90°，舵機6——30°。 捕捉操作完成后，機械臂攜帶快遞包裹進行消毒作業，所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——45°，舵機2——0°，舵機3——90°，舵機4——60°，舵機5——90°，舵機6——30°。

（2）包裹放置與包裹分類

在消毒操作完成后，機械臂進行包裹放置動作（放置至系統包裹放置板），所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——180°，舵機2——45°，舵機3——55°，舵機4——95°，舵機5——0°，舵機6——0°。 到達目標地點后與進行包裹分類操作前，機械臂需對快遞包裹進行拿取操作（從系統包裹放置板上拿取），所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——180°，舵機2——0°，舵機3——0°，舵機4——63°，舵機5——0°，舵機6——30°。

（3）高舉與復位

在機械臂進行要求的動作間隙，需適當地穿插高舉動作，以免機械臂誤傷系統其他組件。 高舉所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——0°，舵機2——0°，舵機3——0°，舵機4——0°，舵機5——0°，舵機6——30°。 在機械臂進行工作前與工作完成后，會處于復位的姿態，復位所需的舵機與旋轉角度的對應關系為：舵機1——0°，舵機2——0°，舵機3——80°，舵機4——90°，舵機5——0°，舵機6——30°。

2.4 光伏供電延長續航功能的實現

該系統通過蓄電池和太陽能光伏發電板組成儲能系統。 光伏發電板將太陽能轉化為電能，通過充電控制器給蓄電池和直流電機供電。 當光照強度較高時，光伏發電板輸出電壓達到直流電機工作電壓，光伏發電板可直接給直流電機供電。 然而，在光照強度較弱時，光伏發電板輸出電壓達不到電機工作電壓，可由蓄電池給系統供電，同時光伏發電板產生的電能也將儲存到蓄電池中，以確保快遞系統的持續運行。

3 結語

綜上所述，本文以最常見的STM32 系列單片機配合機械臂等輔助配件為核心架構，成功制備了一個具有二維碼識別，快遞包裹拿取、消毒和分類等完整功能的校園快遞系統。 該系統具有成本低、靈活度高的突出優點，可以解決傳統校園快遞最后一公里的問題，在多種場景中具有重要的推廣價值。 為了進一步適應工業應用，后期可以考慮采用PLC 等更具穩定性的工業化架構來替代單片機架構，并基于所抓取的目標快遞包裹的大小和重量靈活調整系統尺寸和機械臂的構型，使其真正走向商業應用。