基于二維碼導引生物罐體AGV抓手設計

摘 要：生物罐體AGV是醫療機構在低溫冷庫無人化存儲、轉運作業的一款機器人。為了解決機器人運行狀態定位精度低、識別能力低、轉運周期長和抓手機構繁冗等問題。從控制和結構兩方面進行優化設計，設計一款基于激光導航融入二維碼導航的AGV抓手。控制方面，通過變化矩陣區域歸一，使用HMD校準方法校準。定位方式，根據環境變化由激光導航與二維碼導航相互切換。結構上，引入ECRS原則、變密度法，運用SolidWorks三維軟件完成模型，使用SolidWorks分析單元，在材料和載荷的限定條件下對抓手核心部件進行有限元分析。試驗結果表明：該設計縮短了作業周期，提高了抓手抓取精度，機構得到精簡，具有良好的經濟價值。

關鍵詞：AGV抓手；二維碼導航；三維模型；有限元法

中圖分類號：TP391.9" 文獻標志碼：B" 文章編號：1671-5276（2024）05-0175-05

Design of Biological Tank AGV Gripper Based on QR Code Guidance

Abstract：Biological tank AGV is a robot applied in unmanned storage and transportation of low-temperature cold storage in medical institutions. In order to improve its low positioning accuracy and low recognition ability， shorten its long transportation cycle and simplify its redundant gripper mechanism， a gripper based on laser navigation and QR code navigation is designed with optimization design in terms of control and structure. In the aspect of cotrol， the region is normalized through the change matrix and calibrated by HMD calibration method， and ositioning method is switched between laser navigation and QR code navigation according to the environmental changes. Structurally， the ECRS principle and variable density method are introduced to build the model by SolidWorks three-dimensional software， and the finite element analysis on the core components of the gripper is carried out under the limited conditions of material and load by SolidWorks analysis unit. The test results show that the designed gripper shortens operation cycle， improves grasping accuracy， simplifies grasping mechanism， and has good economic value.

Keywords：AGV gripper；QR code navigation；3D model；FEM

0 引言

疫苗、干細胞、免疫細胞等試劑需低溫運輸、儲存，通常采用罐體儲存和人工放取運輸的方式。由于人為干預會帶來不可控風險，因此需要開展以AGV為主的精細化、智慧化作業，才能夠最大限度地確保醫護人員、患者和醫療產品的安全。本文設計醫療AGV抓手，抓取的目標體是存放疫苗、干細胞、免疫細胞等外形規則的鋁合金罐體。ECRS原則即為取消（eliminate）、合并（combine）、重排（rearrange）和簡化（simplify）的英文單詞首字母組合，在設計領域中有著廣泛而重要的應用。AGV導航技術如能得到市場的認可主要受到成本、布局復雜、系統靈活性三大因素制約。目前，生物罐體AGV控制及機械結構仍有再優化以實現低成本、高效率的需求。鐘鉅斌［1］設計了一種可根據應用場合切換的混合磁導航和視覺導航的AGV系統，但是實際場景切換時存在干擾影響，同時也存在制作成本高、技術難度大的問題。王斌等［2］申請了一種AGV激光磁帶混合導航系統的發明專利，但磁帶導航鋪設復雜，且僅適用于路徑固定的環境。參考二維碼技術在AGV定位應用的研究文獻表明：二維碼具備占用面積小、存儲信息容量大、成本較低、識讀速度快、不易受干擾等特點，改進定位算法能提高定位精度［3-5］。二維碼應用在發達國家發展早且處于成熟的階段，在國內很多場合應用已經非常普及。本文在不改變AGV抓手功能的情況下，控制方面采用激光導航融入二維碼定位算法，結構方面引入ECRS原則、變密度法對AGV抓手結構進行改進及驗證，達到了預期目的。

1 激光定位

在本文的AGV導航中提出了一種全新的激光導航融入二維碼定位算法，用以實現在變化環境中的長期定位，即采用一個二維柵格，在柵格中使用隱馬爾可夫模型［6］（HMM）來表示二維柵格地圖中每個柵格單元的占用率和相應的轉移概率，使用動態占用表示環境情況。動態柵格地圖可解釋環境的變化，克服了靜態世界的假設。

假設地圖由一個個獨立的柵格單元組成，即mt=c（i）t，每個單元都用一個HMM進行建模。每個HMM的狀態轉移概率描述了每個單元占用狀態在連續時間步長之間的變化。由于單元格c具有兩種特性，即一種自由（f），另一種被占用（o），所以狀態轉移模型只是用兩個轉移概率來描述，即p（ct=f|ct－1=f）或者p（ct=o|ct－1=o）。假設周邊的環境是個平穩變化的過程，這些概率并不依賴于t的絕對值。靜態的占用網格是動態占用網格的一種特殊情況，即p（ct=f|ct－1=f）或者p（ct=o|ct－1=o）的單元轉移概率為1。

式（1）對單元格占用狀態的估算遵循貝葉斯方法

式中：f為自由free的簡寫；o為占用occupy的簡寫；p（zt|ct）和p（ct|ct-1）分別對應網格的觀測模型和過度模型；η為歸一常數。觀測模型表示對于測量一個柵格單元時，這個柵格單元是否被占用或自由狀態的可能性。假設只取決于使用的傳感器而不是位置，對每個HMM都是相同的。根據以上辦法，用隱馬爾可夫模型建模所得出的結果來影響柵格地圖上的粒子濾波，通過更新粒子的權重從而判斷粒子的觀測值與地圖標志相似度的高低，數量越多的粒子權重越大，因此定位才可以變得自適應且更可靠。

1.1 AGV底部二維碼定位

首先AGV以激光導航行駛到指定二維碼附近，AGV打開二維碼掃描功能，掃描到二維碼設定信息后激光導航隨即切換成二維碼導航。AGV旋轉直到行駛方向與二維碼中心重合在一條直線上，隨即AGV以接近二維碼中心的方向（前進或后退），直到AGV底盤讀碼器中心與二維碼中心相重合，最后AGV調整位姿直至AGV朝向存儲罐體設備。由于二維碼相對于存儲設備是絕對正確位置，AGV相對二維碼也是絕對正確位置，所以AGV和存儲設備是絕對正確位置，達到了AGV能夠進行下一步的精度要求。AGV掃描第一個二維碼的設定信息后，將抓手提升到設定的高度，AGV前行設定的距離，即可進行后續動作。

1.2 AGV抓手端二維碼定位

抓手端相機對罐體二維碼掃描后產生的數據，經過計算轉換得出一個相機在二維碼空間上的坐標，即以二維碼中心為整體中心坐標系的抓手坐標，通過相機實時反饋數據給抓手。這個數據體現在一個坐標系上，以坐標值的方式表示抓手和相機的相對位置，并通過車體的差速輪來調整前后距離和角度，抓手通過左右平移來調整位姿，從而減少相機與二維碼之間的相對距離，最終使得相機定位在二維碼的中心位置，即x、y坐標軸值為0且z軸保留一定的的距離。這樣可以使得抓手能夠精確定位可抓取的位置，最后差速輪移動行駛到合適的Z值，即二維碼設定的距離，而此時已經確保了X和Y的精度。實現算法如下。

首先，需要標記位置和姿態估算，已知的方形尺寸標記用作坐標框架的基礎，通過圖像分析估算了標記坐標與相機坐標之間的關系，如圖1所示。

式（2）中表示二維碼標記坐標到相機坐標的變換矩陣Tcm是通過圖像分析來估算的。

式中：Xc、Yc、Zc為相機坐標；Xm、Ym、Zm為二維碼標記坐標；Tcm為二維碼坐標到相機坐標的平移和旋轉變換矩陣。

相機對輸入圖像進行閾值處理后，提取4條線段擬合輪廓的區域。將這4條線段的參數和線段相交擬合出區域的頂點坐標在稍后存儲過程中進行區域歸一化，區域內的子圖像通過與之前錄制給系統的二維碼模板進行匹配，以識別特定用戶二維碼的ID標記。在這個區域歸一化過程中，使用表示透視變換的式（3），變換矩陣中的所有變量都是通過將檢測到的4個頂點相機屏幕坐標和標記坐標分別替換為（Xc，Yc）和（Xm，Ym）來確定的。之后可以使用這個變換矩陣來完成區域歸一化。

當正方形標記的兩條平行邊投影到圖像上時，相機屏幕坐標中這些線段的方程如下：

對于每個標記，這些參數的值可以在線擬合的過程中獲得。給定式（5）中相機標定得到的透視投影矩陣P，分別包含這兩條邊所屬平面的等式，可以在相機坐標系中代入Xc和Yc來表示為式（6），而在式（6）中，這兩個坐標還對應著式（5）中的Xc和Yc。

通過上述方法得到的變換矩陣可能存在誤差，但可以通過以下過程來減少。首先利用所得到的變換矩陣將二維碼標記坐標系中的標記頂點坐標變換為相機屏幕坐標系中的坐標，接著對變換矩陣進行優化，使這些變換后的坐標與圖像測量坐標的差值之和達到最小。然后使用上述方法重新估算平移分量，經過多次迭代、變換、擬合轉換矩陣，最后得到一個精確的變換矩陣。每條線的方程都是利用提取邊上的所有輪廓信息計算出來的，使用檢測到平行線的所有方程估算方向向量并找到二維碼的方向。

其次完成照相機的校準。需要先用標定好網格尺寸的紙板來校準相機的檢測線，網格中所有交叉點的坐標在相機和標定網格紙板的三維坐標一一對應。因此相機的距離數據就有了物理上的對比，也就完成了標定工作。在掃描二維碼圖像處理后，相機便能夠準確識別二維碼和相機屏幕之間的實際距離，兩者之間的坐標信息便可以轉換出來。若干基于二維碼的局部三維坐標（Xt，Yt，Zt）和照相機屏幕坐標（Xc，Yc）用于尋找透視變換矩陣P。相機屏幕坐標為（Xc，Yc），則相機的坐標（Xc，Yc，Zc）和二維碼坐標（t，Yt，Tt）可以表示為式（7）。

式中：P是透視變換矩陣；f是焦距；sx是x軸方向上的比例因子；sy是在y軸方向上的比例因子；（x0，y0）是相機坐標z軸通過的坐標；C是由P和T組合得到的變換矩陣Tct。因為存在很多對（Xc，Yc）和（Xt，Yt，Zt），已通過上述公式得到，可以估算矩陣C。然而，矩陣C不能分解為P和Tct，一般來說，因為矩陣C有11個自變量，但是矩陣P和Tct分別有4和6，所以P和T的自變量的和Tct不等于C中的一個。在P中加入一個標量變量k，使這些數值等于式（8）。

式中變量k表示x軸和y軸之間的傾斜度。矩陣C可以分解為P和Tct。這樣抓手端相機能夠準確掃描并解析到二維碼和攝像頭的相對位置，進而在抓取前進行動作的二次校準和確認。

2 抓手機構設計

根據AGV抓手功能設計要求，充分研究原有AGV結構組成及控制系統，如圖2所示。引用ECRS原則、變密度法優化設計三維模型，如圖3所示。材料選用1060-H12鋁合金，使用SolidWorks分析單元優化生物罐體AGV抓手［7-8］，如圖4所示。抓手組件包括抓手端相機、夾爪機構、載物臺三部分組成。夾爪機構主要由電動伺服、行程開關支架、光電開關導軌、夾爪、夾爪外罩、鏡像夾爪、鏡像夾爪黃銅手指、夾爪回位彈簧等組成。具有翻折功能的載物臺組件包括低壓型伺服、防滑墊、托盤固定板、托盤支撐桿、齒輪、齒條等組成。上述三部分固定在AGV背板支架上構成了抓手模組［9］，圖5為帶有背板的抓取目標體示意圖。

抓手作業流程為：控制器輸入夾緊指令后，控制器輸出電信號給電動伺服超寬型夾爪，伺服超寬型夾爪控制調節鏡像夾爪對生物罐體進行夾緊，手指采用雙錐形、內嵌糾偏彈簧能使夾爪手指與生物罐體兩側的凹槽完全貼合；接著，控制器上輸入翻轉指令，控制器傳輸電信號給外力翻轉驅動低壓型伺服交流電機，進而外力傳輸給翻轉軸的轉動，對載物臺托盤固定板進行翻轉，托盤固定板上貼設防滑墊，能夠增加生物罐體和載物臺之間的摩擦力，減少物品出現晃動，完成夾取作業。

3 有限元分析

抓手在作業時有夾緊和夾起兩種工作狀態，夾緊時由電動伺服超寬型夾爪施加加持力，靜力學分析主要針對抓手在夾起工作狀態下的應力變化及變形情況分析。

夾緊狀態：機器人主要依靠左右兩側夾爪夾緊生物罐體，如圖6所示。動力采用電動伺服超寬型夾爪FYE90－370，如圖7所示。由表1所示參數可知夾持力有效值為F=680N，夾持點距離L=264mm，手指的接觸面積S=1.317×10-4 m2，夾持接觸應力 P=F/S=0.516MPa，工作壓力為0.516MPa，夾爪手指限制6個自由度。

3.1 夾爪材料屬性

夾爪材料參數如表2所示。

3.2 施加載荷和約束

1）夾起狀態。夾爪在夾起狀態下，夾爪主要承受生物罐體的重力，罐體極限載荷為20kg，運用SolidWorks軟件分析模塊進行靜力學的應力及位移變形情況。

2）施加約束。電動伺服超寬型夾爪左右連接兩個夾爪，背面固定施加約束FixedSupport。

3.3 結果分析

夾爪的等效應力分布如圖8所示，位移變形分布如圖9所示。

4 結語

研究成果表明：AGV抓手在到達柜體前采用激光導航發揮了結構小、定位精度高和路徑靈活多變的優勢。在到達柜體附近后切換成二維碼導航提高了定位精度，便于通信，克服了聲光干擾，適用于不同環境下的組合導航。相比單一導航有明顯優勢，是一種成本低、精度高且適應性強的導航系統。另外對抓手機構采用ECRS原則、變密度法優化設計，夾持動力由氣動改為交流伺服控制，載物臺由翻折板代替，使得整個機身縮減空間及降低機身整體質量，簡化了機構并提升了抓手工作范圍。對關鍵部件進行靜力學分析，結果說明本設計提高了應用性能，縮短了工作周期，降低了制造成本，符合設計要求。

參考文獻：

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