基于機(jī)器視覺(jué)的搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式研究

王龍寧 林豐山

(西北農(nóng)林科技大學(xué)，陜西 楊凌 712100)

0 引言

近幾年，國(guó)內(nèi)先后出現(xiàn)了一系列機(jī)器人競(jìng)賽，為推動(dòng)機(jī)器人事業(yè)的發(fā)展提供了強(qiáng)勁的動(dòng)力，機(jī)器人比賽一方面能夠推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，分析可知，較多比賽項(xiàng)目都是基于一些實(shí)際社會(huì)生產(chǎn)中的問(wèn)題，以中國(guó)機(jī)器人大賽工程組的搬運(yùn)組比賽而言，比賽的任務(wù)是讓自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人小車自動(dòng)將不同顏色的物料送到對(duì)應(yīng)顏色的位置，模擬了工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中物流運(yùn)輸?，F(xiàn)如今，很多工業(yè)正向自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型，提高生產(chǎn)效率。另一方面，機(jī)器人比賽激發(fā)了青年們的樂(lè)趣，促進(jìn)了學(xué)校多方面教育發(fā)展，設(shè)計(jì)一輛符合比賽要求的機(jī)器人智能車，需要多方面的知識(shí)，以及一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過(guò)參加比賽，將所學(xué)的知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際，提高動(dòng)手能力，邏輯分析能力，進(jìn)一步鞏固學(xué)到知識(shí)。

搬運(yùn)機(jī)器人，為滿足搬運(yùn)工作的需要，其機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，整體采用多個(gè)舵機(jī)，便可相互配合完成不同的動(dòng)作。車輪以及機(jī)械爪均采用舵機(jī)控制，簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。本文則著重研究搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)行機(jī)理，指出該運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)缺點(diǎn)，為基于機(jī)器視覺(jué)的搬運(yùn)機(jī)器人的進(jìn)一步智能化研究提供參考。

1 搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1(a)為一種基于機(jī)器視覺(jué)的搬運(yùn)機(jī)器人效果圖，圖1(b)為一種基于機(jī)器視覺(jué)的搬運(yùn)機(jī)器人實(shí)物圖。其包括車體及設(shè)置在所述車體上的控制器、云臺(tái)、機(jī)械手和機(jī)器視覺(jué)模塊，車體包括上板和下板，上板和下板之間通過(guò)銅柱連接，上下板之間留有足夠空間，可作為搬運(yùn)物塊的儲(chǔ)備空間；云臺(tái)和所述機(jī)械手設(shè)置在所述下板上，機(jī)器視覺(jué)模塊設(shè)置在所述上板上，車體下部設(shè)置有主動(dòng)車輪及萬(wàn)向輪，云臺(tái)上設(shè)置有鉤子且設(shè)置在所述車體的前端一側(cè)，機(jī)械手設(shè)置在所述車體的前端中部且與機(jī)械手控制舵機(jī)連接，云臺(tái)、機(jī)器視覺(jué)模塊、機(jī)械手控制舵機(jī)分別與所述控制器連接。

基于機(jī)器視覺(jué)的自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含微控制板、電源模塊、循跡模塊、顏色識(shí)別模塊、OLED顯示模塊等部分。在小車搬運(yùn)過(guò)程中，電源模塊給微控制板、循跡模塊等各個(gè)模塊供電，循跡模塊和顏色識(shí)別模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制器，控制器負(fù)責(zé)對(duì)多方采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并且控制車輪和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將顏色識(shí)別的結(jié)果顯示在OLED屏上。

圖2 自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式

2.1 搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式機(jī)理

在小車搬運(yùn)過(guò)程中，電源給微控制板、循跡視覺(jué)模塊等各個(gè)模塊供電，循跡視覺(jué)模塊和顏色識(shí)別模塊將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給微控制器控制，工作時(shí)，電源通電，搬運(yùn)機(jī)器人由舵機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪前進(jìn)，車體后方加設(shè)一萬(wàn)向輪進(jìn)行車體平衡及姿態(tài)調(diào)整，由云臺(tái)驅(qū)動(dòng)鉤子的升降及轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行貨物的定點(diǎn)鉤取，由機(jī)器視覺(jué)模塊識(shí)別搬運(yùn)目標(biāo)，并將信息傳送到微控制器進(jìn)行分析及處理，在抓取識(shí)別過(guò)程中識(shí)別到的路線及目標(biāo)圖片將會(huì)實(shí)時(shí)通過(guò)微控制器傳到oled顯示模塊上，以便對(duì)車體運(yùn)動(dòng)更好地分析，控制器控制所述驅(qū)動(dòng)輪控制舵機(jī)帶動(dòng)所述驅(qū)動(dòng)輪使所述車體移動(dòng)到合適位置，由舵機(jī)帶動(dòng)機(jī)械手抓取物塊，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所搬運(yùn)物塊的定點(diǎn)搬運(yùn)、精準(zhǔn)搬運(yùn)。

若機(jī)器視覺(jué)模塊識(shí)別到物塊處于不可直接抓取的狹窄空間，則機(jī)器視覺(jué)模塊識(shí)別抓取目標(biāo)并與控制器進(jìn)行通訊，控制器控制云臺(tái)帶動(dòng)鉤子將物塊鉤出，再完成物塊抓取及投放，從而實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)抓取、定點(diǎn)投放。

其中，驅(qū)動(dòng)輪、萬(wàn)向輪及支撐框架部分組成車體，驅(qū)動(dòng)輪控制舵機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，萬(wàn)向輪跟隨驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使車體向前運(yùn)動(dòng)并使車體保持平衡；鉤子和機(jī)械爪組成機(jī)械收集裝置，云臺(tái)帶動(dòng)鉤子完成升降、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)狹窄空間內(nèi)物塊的移動(dòng)；舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)機(jī)械爪展開(kāi)不同角度，完成抓取、投放物塊；機(jī)器視覺(jué)模塊與STM32芯片進(jìn)行通訊，自動(dòng)識(shí)別抓取目標(biāo)和投放目標(biāo)點(diǎn)，進(jìn)行物塊抓取和投放。

2.2 運(yùn)動(dòng)方式特點(diǎn)分析

搬運(yùn)機(jī)器人整體運(yùn)動(dòng)裝置均由舵機(jī)控制，其自主搬運(yùn)具有效率高、機(jī)械化程度高、自動(dòng)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)，但因整體尺寸較小，承重能力弱，存在搬運(yùn)數(shù)量、質(zhì)量偏低等問(wèn)題，同時(shí)由于機(jī)器視覺(jué)模塊識(shí)別問(wèn)題，有小概率出現(xiàn)目標(biāo)判斷、投放錯(cuò)誤等問(wèn)題，仍需解決。

3 結(jié)論

基于機(jī)器視覺(jué)的搬運(yùn)機(jī)器人在具體應(yīng)用過(guò)程中，多舵機(jī)協(xié)同工作保證了工作的靈活性，機(jī)器視覺(jué)模塊保證了其取放的精準(zhǔn)性，智能控制芯片通訊保證其取放的快捷高效性，云臺(tái)帶動(dòng)鉤子進(jìn)行鉤取保證了完成任務(wù)的完整性。整體來(lái)說(shuō)，相比現(xiàn)有的非智能化搬運(yùn)機(jī)器人，其操作簡(jiǎn)便、自動(dòng)化程度高、節(jié)省人力、作業(yè)徹底、高效便捷，為人類提供更加高效精準(zhǔn)的搬運(yùn)物料工作將逐步成為可能。